СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1994 года по МПК F01D5/06 

Изобретение относится к области турбиностроения и может быть использовано в многоступенчатых турбинах.

Актуальной задачей турбиностроения является повышение КПД ступеней, в частности, за счет организации и утилизации протечек.

Известны ступени осевых турбин, содержащие диафрагму, диск рабочего колеса с разгрузочными отверстиями, имеющими прямолинейную ось и расположенное над разгрузочными отверстиями уплотнение осевого зазора между диафрагмой и диском. В этих ступенях, например, диафрагменной протечки, проходящей через разгрузочные отверстия, закручиваются в окружном направлении, на что расходуется полезная мощность и, следовательно, снижается КПД.

Близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является ступень осевой турбины, содержащая диафрагму, диск рабочего колеса с разгрузочными отверстиями и расположенное над разгрузочными отверстиями уплотнение осевого зазора между диафрагмой и диском, в которой разгрузочные отверстия на выходе изогнуты в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса. Недостаток, присущий предыдущей конструкции, здесь отсутствует, так как поток протечки, проходящей через разгрузочные отверстия, создает реактивное усилие, направленное в сторону вращения рабочего колеса и совершает дополнительную полезную работу.

Известно, что отсос (ΔG < 1%) рабочего тела из проточной части ступени через осевой корневой зазор увеличивает КПД ступени.

Очевидно, что скорость потока этого отсоса имеет большую окружную составляющую. Прежде чем пройти через разгрузочные отверстия поток отсоса смешивается с незакрученным потоком диафрагменной протечки. При смешении значительная доля кинетической энергии, соответствующей окружной скорости потока отсоса, диссипирует, что снижает работоспособность общего суммарного потока двух протечек. Следствием этого является уменьшение скорости общего потока на выходе отверстий и, в силу изогнутости последних, уменьшение ее окружной составляющей, т.е. уменьшение дополнительной полезной работы, совершаемой потоком протечек в разгрузочных отверстиях. Кроме того поток отсоса, проходя от корневого осевого зазора до разгрузочных отверстий вязко взаимодействует как с рабочим телом, находящимся в камере между диафрагмой и диском и имеющим скорость существенно меньшую окружной скорости потока отсоса, так и с соответствующими поверхностями диска и диафрагмы. В результате часть его кинетической энергии теряется, что также снижает работоспособность потока отсоса, которая реализуется в изогнутых разгрузочных отверстиях.

Таким образом, недостатком известной конструкции является уменьшение полезной работы, совершаемой протечками в разгрузочных отверстиях, из-за потерь от смещения потоков отсоса и диафрагменной протечки и диссипации части кинетической энергии потока отсоса на пути от осевого корневого зазора до разгрузочных отверстий.

Цель изобретения - повышение КПД ступени осевой турбины.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ступени, содержащей диск рабочего колеса с разгрузочными отверстиями, изогнутыми на выходе в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса, диафрагму и уплотнение осевого зазора между диафрагмой и диском, согласно изобретению и в отличие от известной конструкции уплотнение разделяет разгрузочные отверстия на две группы, каждая из которых расположена по одну сторону уплотнения.

Изложенное позволяет сделать вывод о новизне предлагаемых отличий.

В доступных автором источниках научно-технической и патентной литературы не найдены ступени с указанными признаками.

В предлагаемой конструкции поток отсоса из проточной части через осевой корневой зазор (корневая протечка), имеющий большую окружную скорость, и слабо или незакрученный поток диафрагменной протечки не смешиваются друг с другом, будучи разделенными уплотнением осевого зазора. Это же уплотнение разделяет разгрузочные отверстия на две группы, каждая из которых расположена по одну его сторону, так что поток корневой протечки проходит через одну группу отверстий, а поток диафрагменной протечки - через другую.

Так как потоки протечек не смешиваются, то они не теряют суммарной работоспособности и производят максимальную полезную дополнительную работу, проходя через изогнутые разгрузочные отверстия.

Это позволяет сделать вывод о существе предлагаемых отличий.

Суть заявляемой ступени поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено меридиональное сечение ступени осевой турбины; на фиг. 2 - развертка цилиндрических сечений по группам 3 (сеч. АА) и 4 (сеч. ВВ) разгрузочных отверстий.

Ступень осевой турбины содержит диафрагму 1, диск рабочего колеса - 2 с разгрузочными отверстиями, разделенными на две группы 3 и 4 уплотнением 5 осевого зазора 6 между диафрагмой 1 и диском 2; группы 3 и 4 разгрузочных отверстий расположены по разные стороны уплотнения 5. G₁и G₂ - потоки протечек, соответственно, корневой и диафрагменной.

При работе ступени корневая и диафрагменная протечки G₁ и G₂ не смешиваются в осевом зазоре G, так как они разделены уплотнением 5. Из осевого зазора 6 корневая протечка G₁ проходит через группу 3 разгрузочных отверстий, а диафрагменная протечка G₂ - через группу 4 разгрузочных отверстий, где совершают работы, соответственно, L₁ и L₂.

При отсутствии уплотнения 5 потоки G₁ и G₂ смешиваются, что сопровождается уменьшением располагаемого перепада Δi*, срабатываемого на разгрузочных отверстиях. Это приводит к уменьшению суммарной работы L, совершаемой смешанным потоком (G₁ + G₂) протечек.

Проведем аналитическое сравнение известной и предлагаемой ступеней, сделав для простоты следующие допущения. Во-первых, осевые скорости C_zна входе и выходе разгрузочных отверстий в обеих ступенях полагаем одинаковыми. При неизменности расходов протечек G₁ и G₂ в указанных ступенях это можно получить небольшим изменением площадей соответствующих проходных сечений отверстий. Во-вторых, диаметры расположения групп 3 и 4 отверстий будем считать достаточно близкими, так чтобы отличием их окружных скоростей можно было пренебречь. Это допущение снимает проблему учета переменности давления вдоль радиуса диска, которая для своего решения требует обширных исследований. В третьих, полагаем, теплоперепады Δi на разгрузочных отверстиях сравниваемых ступеней одинаковыми, имея в виду, что их корневые реактивности равны. И последнее, коэффициенты скорости для всех рядов разгрузочных отверстий считаем одинаковыми и равными ϕ.

В предлагаемой ступени для наружной (по отношению к уплотнению 5) группы 3 разгрузочных отверстий из уравнения Бернулли
где C_3u - окружная скорость потока на выходе группы 3 разгрузочных отверстий.

По турбинной формуле Эйлера находим совершаемую в группе 3 разгрузочных отверстий потоком корневой протечки G₁ работу
L₁= G₁u(C_1u- C_3u)= G₁u(C_1u-ϕu+ ) (1)
Для группы 4 разгрузочных отверстий соответственно имеем
= (2)
Теперь рассмотрим ступень без уплотнения 5, в которой потоки протечек G₁ и G₂ смешиваются. Из закона сохранения момента количества движения
G₁С_u + G₂С_2u = (G₁ + G₂) С_5u , где C_5u - окружная скорость смешанного потока, имеем
С_5u = (G₁С_1u + G₂С_2u) / (G₁ + G₂) .

Окружная скорость C_6u смешанного потока на выходе из разгрузочных отверстий (в данном случае разгрузочные отверстия не разделены на группы) равна
С_6u= ϕ(u-)= ϕ u - , а произведенная смешанным потоком работа в разгрузочных отверстиях
(3)
Сравним произведенные протечками работы

Для доказательства неравенства
L₁ + L₂ > L (4) достаточно показать справедливость соотношения
> которое после введения обозначений α = , 1-α = , A=2Δi, B=C_1u-u, C=C_2u-u примет вид
+(1-α) > . Последовательностью простых преобразований находим
((1-α)²(A+C²)>A+α²B²+2α(1-α)B·C+ Так как А > О и В > 0, то при С < 0 последнее неравенство очевидно. А для С > О имеем
(A+B²)(A+C)²≡ A²+A(B²+C²)+B²C²>B²C²+2ABC+A²,
B²-2BC +C²≡ (B-C)²>0. Таким образом соотношение (4) доказано, т.е. потоки G₁ и G₂ совершают в группах 3 и 4 разгрузочных отверстий, разделенных уплотнением 5, большую работу, чем в ступени без разделяющего уплотнения 5.

В полученной сравнительной оценке известной и предлагаемой ступени не учитывались потери, связанные с диссипацией энергии потока отсоса G₁при его движении от корневого диаметра ступени к диаметру расположения ряда 3 разгрузочных отверстий, а также потери, обусловленные разгоном силами вязкого взаимодействия потока диафрагменной протечки G₂ на его пути от диаметра диафрагменных уплотнений до диаметра расположения ряда 4 отверстий. Указанные потери снижают работоспособность потоков G₁ и G₂.

Для уменьшения этих потерь ряды 3 и 4 разгрузочных отверстий предпочтительней располагать, соответственно, на максимально и минимально возможных по конструктивным, технологическим и прочностным условиям диаметрах.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достичь поставленной цели.

Технико-экономическое преимущество заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в увеличении КПД ступени осевой турбины за счет увеличения работы, совершаемой отдельно потоками корневой и диафрагменной протечек, при прохождении их через соответствующие группы разгрузочных отверстий, разделенных уплотнением.

Использование: в турбостроении для цилиндров высокого и среднего давления. Сущность: разгрузочные отверстия 3 и 4 разделены уплотнением 5 осевого зазора 6 между диафрагмой 1 и диском 2 на две группы, расположенные по разные стороны уплотнения 5. При этом поток корневого отсоса G₁ проходит через группу отверстий 3, а диафрагменная протечка G₂ - через группу отверстий 4, причем разгрузочные отверстия на выходе изогнуты в сторону противоположную направлению вращения рабочего колеса. 3 ил.

СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая диафрагму с уплотнением, расположенную с зазором относительно вала турбины, и рабочее колесо, имеющее диск с лопатками и разгрузочными каналами, выходные сечения которых ориентированы в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, уплотнение размещено в средней части диафрагмы, в диске выполнены дополнительные разгрузочные каналы с выходными сечениями, ориентированными в сторону, противоположную направлению вращения рабочего колеса, расположенные над уплотнением.