СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ МИКРОТУРБИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F01D1/04 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано при создании малоразмерных турбоприводов, в частности в ручных пневмомашинах.

Известна ступень газовой микротурбины [1] в которой высота рабочих лопаток на 20.30% больше высоты сопловых лопаток, независимо от степени парциальности (ε). Это устройство наиболее близко к изобретению.

Недостаток такой ступени низкий КПД из-за того, что часть потока газа, выходящего из сопловых каналов, у верхнего обвода ступени не попадает на рабочие лопатки, а часть потока у нижнего обвода ступени ударяет в диск рабочего колеса.

Цель изобретения повысить КПД осевой микротурбины за счет полного захвата струи рабочего тела, выходящей из сопл, рабочими лопатками и исключения удара части струи в диск рабочего колеса.

Поставленная задача решена тем, что при полном использовании дуги подвода рабочего тела ( ε1) по верхнему обводу высота лопаток рабочего колеса больше высоты сопловых лопаток (верхняя перекрыта) на 0,4.0,6 от высоты последних, а по нижнему обводу лопатки рабочего колеса больше высоты сопловых лопаток (нижняя перекрыша) на 0,2.0,4 от высоты последних.

При уменьшении длины дуги подвода (при уменьшении степени парциальности) величины наивыгоднейших значений верхней и нижней перекрыш линейно уменьшаются, что хорошо аппроксимируется формулами
[()_opt]_ε= [()_opt]_ε=1-0,53(1-ε),
[()_opt] _ε= [()_opt]_ε=1-0,53(1-ε), где [()_opt]_ε относительная оптимальная верхняя перекрыша при заданном значении степени парциальности;
Δ_в/h_СA относительная верхняя перекрыша;
Δ_в абсолютная величина верхней перекрыши;
h_СА абсолютная величина высоты лопаток соплового аппарата;
[()_opt]_ε=1 относительная оптимальная верхняя перекрыша при ε1;
[()_opt]_ε относительная оптимальная нижняя перекрыша при заданном значении степени парциальности;
Δ_н/h_СA относительная нижняя перекрыша;
Δ_н абсолютная величина нижней перекрыши;
[()_opt]_ε=1 относительная оптимальная нижняя перекрыша при ε=1.

Причем при ε< 4 наивыгоднейшее значение нижней перекрыши может иметь отрицательное значение.

Именно предлагаемое соотношение размеров высот лопаток соплового аппарата и рабочего колеса по верхнему и нижнему обводам при полном использовании длины дуги подвода ( ε1), а также изменение величины перекрыш с изменением степени парциальности определяют достижение задачи изобретения.

На фиг.1 дана схема меридионального сечения ступени с величинами верхней ( Δ_в ) и нижней ( Δ_н)перекрыш, определяемых предлагаемым техническим решением при ε=1. Ступень содержит сопловые лопатки 1 с высотой hСА, рабочие лопатки 2, диск 3 рабочего колеса. Верхняя перекрыша Δ_в=(0,2.0,4)h_СА. Высота рабочих лопаток h_РК=h_СА+ Δ_в + Δ_н.

На фиг.2 представлена экспериментально полученная зависимость оптимальных относительных значений верхней [()_opt= (Δ_в)_opt/h_CA] и нижней [()_opt] ()_opt/h_CA] перекрыш от величины степени парциальности.

На фиг.3 представлена экспериментальная зависимость мощностного КПД (η_т ) осевой микротурбины при ε=1 от относительной величины верхней перекрыши () (Δ_в)/h_CA, где четко виден предлагаемый оптимальный диапазон значений Δ_в.

На фиг.4 представлена экспериментальная зависимость мощностного КПД (η_т) осевой микротурбины при ε1 от относительной величины нижней перекрыши Δ_н/h_СA), где хорошо виден предлагаемый оптимальный диапазон значений.

Границы оптимальных относительных значений верхней (0,4.0,6), фиг.3 и нижней (0,2.0,4), фиг.4 перекрыш определялись как точки, где значения мощностного КПД (η_т ) более чем на 3% отличаются от его максимального значения.

Предлагаемая ступень осевой газовой микротурбины была реализована на ряде опытных образцов ручных пневмомашин, например ПШТ-3 и ПШТ-6. В указанных пневмомашинах при неизменных сопловых аппаратах были заменены лишь рабочие колеса с высотами лопаток, обеспечивающими величины верхних и нижних перекрыш.

В результате замены рабочих колес КПД пневмомашины ПШТ-3 изменялся с 0,22 до 0,26, а у ПШТ-6 с 0,23 до 0,28.

Использование предлагаемой ступени осевой микротурбины позволяет существенно увеличить КПД ступени. Так, если для микротурбины с h_СА=1,25 и ε1 величины перекрыш принять согласно рекомендаций [1] то суммарная перекрыша Δ=(0,2.0,3)h_СА, а так как рекомендации по распределению перекрыши на верхнюю и нижнюю в работе [1] нет, то принимали Δ_в=0,15h_САи Δ_н=0,1h_СА, т.е. =0,185 и=0,125.Такие перекрыши привели к снижению мощностного КПД ступени при параметре нагруженности Y_т=0,3 на 25% по сравнению с его значением при верхней и нижней перекрышах, принятых согласно предлагаемого изобретения.

Еще больший выигрыш по КПД достигается при выполнении перекрыш, при малых значениях степени парциальности. Так, например, если для микротурбины с ε0,1 сохранить оптимальные значения перекрыш для ε=1, то ее КПД будет равен 0,35. Если же для ε0,1 перекрыш выполнить согласно предлагаемого изобретения, то КПД ступени будет 0,47, т.е. выигрыш по КПД составит 34,2%
Вышеизложенное по ступени осевой газовой микротурбины экспериментально проверено в следующих диапазонах:
по степени понижения давления (П_т) от 1,5 до 10;
по высоте лопаток соплового аппарата от 0,5 до 5 мм;
по среднему диаметру ступени (D_ср) от 26 до 110 мм.

Области применения предлагаемого изобретения: приводы генераторов электроэнергии космических кораблей, приводы гироскопов систем ориентации, стабилизации и наведения различных ракет, турбодетандеры малой холодопроизводительности в системах кондиционирования самолетов, ручной пневмоинструмент для зачистки сварных швов, подгонки деталей, обработки штампов и пресс-форм, резки металла, медицинский инструмент для костной хирургии, агрегатные головки станков, приводы компрессоров для наддува скафандров, устройства для распыления краски и полимеров.

Использование: при создании малоразмерных турбоприводов, в частности в ручных пневмомашинах. Сущность изобретения: высота рабочих лопаток превышает высоту лопаток соплового аппарата по верхнему и нижнему обводам на определенную величину, определяемую из рекомендуемых соотношений при полном использовании дуги подвода и формулы - при парциальном подходе. 4 ил.

СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ МИКРОТУРБИНЫ, содержащая лопатки соплового аппарата и рабочие лопатки, высота которых по верхнему и нижнему отводам превышает высоту лопаток соплового аппарата, отличающаяся тем, что высота рабочих лопаток превышает высоту лопаток соплового аппарата по верхнему и нижнему отводам соответственно при полном использовании дуги подвода на 0,4 - 0,6 и 0,2 0,4 высоты лопаток соплового аппарата, а при парциальном подводе - на


где ε степень парциальности,

оптимальная относительная верхняя перекрыша при полном использовании дуги подвода;
Δ_в абсолютная величина верхней перекрыши;
h_с.а абсолютная величина высоты лопаток соплового аппарата;

оптимальная относительная нижняя перекрыша при полном использовании дуги подвода;
Δ_н абсолютная величина нижней перекрыши.