ЛОПАТОЧНАЯ РЕШЕТКА ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1994 года по МПК F01D5/14 

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение в конструировании ступеней турбины и компрессора в авиационной и машиностроительной промышленности.

Известен направляющий аппарат турбины, содержащий наружный и внутренний ободья, между которыми расположены перегородки, выполненные в виде упругой пластины, консольно закрепленной передней кромкой поперек межлопаточного канала с зазором относительно обода и имеющей боковые кромки, расположенные эквидистантно поверхностям лопатки.

Ввиду того, что перегородки расположены от корыта на 1/3 ширины канала и с зазором со спинкой лопатки и ободьями, этот аппарат имеет следующие существенные недостатки:
образование застойной зоны между перегородками и ободьями, причем с более низким давлением, чем в ядре потока;
пониженное давление в застойной зоне усиливает поперечные перетекания от корыта к спинке лопатки, что способствует росту интенсивности вторичных течений, в том числе и парного вихря;
закрепление перегородок консольно приводит к их автоколебаниям, что значительно турбулизирует поток.

Все эти факторы не способствуют повышению КПД турбомашины.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является лопаточная решетка для турбины или компрессора, содержащая ряд лопаток, расположенных между нижней и верхней частями, образуя лопаточные каналы, в которых смонтированы обтекатели малой высоты, ориентированные параллельно лопаткам, причем каждый канал снабжен обтекателем, смонтированным в нижней и/или верхней частях. Конструкция обеспечивает уменьшение вторичных потерь в верхней и/или нижней частях канала без увеличения потерь от трения в центральной части.

Существенные недостатки этого устройства заключаются в следующем.

Обтекатели не позволяют устранить подковообразный, канальный вихри и вихрь противоположного вращения на концевых частях лопаток.

Установка обтекателей малой высоты параллельно проточной части между лопатками со сдвигом вниз по потоку только разделяет этот канал на две части. В этом случае из-за постановки обтекателей в решетке между обтекателем и соседними лопатками происходит разделение подковообразного, канального вихрей, а также поперечных перетеканий на две части, что в некоторой степени уменьшает их интенсивность. Следовательно, постановка обтекателей в проточной части решетки вниз по потоку не устраняет подковообразный, канальный вихри и вихрь противоположного вращения, а также парный вихрь, а следовательно, снижает КПД турбомашины.

Целью изобретения является повышение КПД турбомашины путем исключения вихревых течений в виде подковообразного, канального вихрей и вихря противоположного вращения, снижения концевых потерь и улучшения условий охлаждения концов лопаток.

Постановка обтекателей перед носиком лопатки по ее концам согласно изобретению позволяет полностью исключить отрыв пограничного слоя с образованием подковообразного вихря, а также образование канального вихря и вихря противоположного вращения.

Изготовление сужающегося канала между задней стенкой обтекателя и носиком лопатки позволяет перепустить часть газа из пограничного слоя из области корыта в область спинки, что приводит к уменьшению поперечных перетеканий, а следовательно, снижает интенсивность парного вихря на выходе из решетки. Поток газа, который перепускается из области корыта в область спинки, снижает статическое давление перед носиком лопатки по ее концам, что создает более благоприятные условия для ее охлаждения и работы.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Устройство состоит из внешнего бандажа 1, лопаток 2, внутреннего бандажа 3, обтекателей 4, сопла 5, камеры 6 и сужающегося канала 7. Лопатки 2 смонтированы между внешним 1 и внутренним 3 бандажами. На бандажах 1 и 3 установлены обтекатели 4, выполненные клиновидной формы, которые с носиками лопаток 2 по ее концам образуют сужающийся канал 7, а по концам лопаток 2 имеются камеры 6 с соплами 5, через которые подается охлаждающий воздух.

На фиг. 1 и 2 введены обозначения: Δ - высота обтекателя; l - длина грани обтекателя; с - ширина канала стороны спинки; α - угол при вершине обтекателя. Стрелками на фиг. 1 и 2 показано движение основного потока газа и перепускаемого из пограничного слоя и из области корыта в область спинки через сужающийся канал 7, а также в камеру 6 и из нее через сопло 5 для охлаждения концевых сечений лопатки 2.

Устройство работает следующим образом.

При движении основного потока газа через проточную часть, которая образована внешним 1 и внутренним 3 бандажами, он попадает на обтекатели 4 и без отрыва движется к концевым сечениям лопатки 2. Ввиду того, что основной поток не отрывается перед обтекателем, подковообразный вихрь, канальный вихрь и вихрь противоположного вращения не образуются, а поэтому профиль лопатки 2 в концевых сечениях обтекается безвихревым потоком.

При дальнейшем движении основного потока на лопатке 2 за счет поворота потока и аэродинамического обтекания профиля лопатки образуется разность давлений между корытом и спинкой. Эта разность давлений между корытом и спинкой приводит к поперечным перетеканиям от корыта к спинке, что ведет на выходе и решетки к образованию парного вихря. Чем больше эта разность давлений, тем интенсивнее перетекание, а следовательно, образуется более мощный парный вихрь.

Для уменьшения разности давлений изготовлены сужающиеся каналы 7, через которые перепускается часть потока газа от корыта к спинке, что снижает интенсивность перетекания и мощность парного вихря. При движении перепускаемого газа через сужающийся канал 7 скорость его возрастает, а следовательно, статическое давление перед носиком лопатки значительно меньше полного. Пониженное статическое давление позволяет охлаждать концевые сечения лопатки 2 воздухом с меньшим полным давлением и более низкой температурой путем подачи его из камер 6 через сопла 5 и тем самым создавать более благоприятные условия для работы концевых сечений лопаток 2.

Преимущества предлагаемого устройства перед аналогами и прототипом состоят в том, что оно не изменяет конструкцию и форму самой лопатки, а только на внешнем 1 и внутреннем 3 бандажах перед носиком лопатки устанавливаются обтекатели 4, выполненные клиновидной формы.

Таким образом, за счет установки обтекателей 4 исключается подковообразный вихрь, канальный вихрь и вихрь противоположного вращения, а образование сужающегося канала 7 между носиком лопатки 2 и задней стенкой обтекателя 4 уменьшает разность давлений между корытом и спинкой за счет перепуска части потока газа от корыта к спинке, что снижает поперечные перетекания и интенсивность парного вихря на выходе из решетки. Все это позволяет снизить концевые потери на 60-70% и тем самым повысить КПД турбомашины.

Использование: в турбостроении при конструировании ступеней турбины и компрессора в авиационной и машиностроительной промышленности. Сущность изобретения: лопаточная решетка турбомашины содержит внешний бандаж 1, лопатки 2, внутренний бандаж 3, выполненные клиновидной формы обтекатели 4, сопло 5, камеру 6 и сужающиеся каналы. Определенные форма обтекателей и соотношения их размеров позволяет снизить концевые потери и улучшить условия охлаждения. 2 ил.

ЛОПАТОЧНАЯ РЕШЕТКА ТУРБОМАШИНЫ, содержащая ряд лопаток, закрепленных между внутренним и внешним бандажами, обтекатели, закрепленные на внутренних поверхностях бандажей, отличающаяся тем, что обтекатели выполнены клиновидной формы и установлены перед носиком каждой лопатки с зазором, причем каждая грань обтекателя выполнена по касательной к входной части профиля лопатки, а обтекатель имеет высоту и длину грани, составляющие соответственно 0,01 - 0,03 и 0,10 - 0,15 хорды лопатки, и угол при вершине, равный 10 - 15^o, а зазор между обтекателем и носиком лопатки выполнен в виде сужающегося канала с отношением площадей канала со стороны корыта и со стороны спинки 1,5 - 1,7 и шириной канала со стороны спинки, составляющей 0,01 - 0,02 хорды лопатки, при этом лобовая часть лопатки по ее концам снабжена камерами с соплами для выпуска охлаждающего воздуха в зазор.