СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F01D11/08 

Изобретение относится к турбиностроению.

Известна ступень осевой турбины, содержащая рабочие лопатки с бандажным кольцом и сопловой аппарат, в наружном ободе которого установлены гребни надбандажного уплотнения (1). Недостатком этой ступени является наличие надбандажной протечки, уменьшающей величину потока, проходящего через рабочее колесо, т. е. уменьшающей вырабатываемую ступенью мощность.

Наиболее близкой к предлагаемоу решению по технической сущности является ступень осевой турбины, содержащая рабочие лопатки, с бандажным ободом, имеющим уплотнительные гребни, рассположенные над бандажным кольцом с зазором, из которых первый по потоку рабочего тела направлен под углом к оси турбины навстречу потоку, и с перепускным каналом, вход которого сообщен с проточной частью перед сопловым аппаратом (2).

В этой известной ступени в диафрагме соплового аппарата выполнена кольцевая камера, в которую первым наклонным гребнем надбандажного уплотнения направляется поток рабочего тела из перепускного канала и из которой он затем через радиальные отверстия вдувается в межлопаточные каналы соплового аппарата. Поток, циркулирующий по этому контуру, оказывает сопротивление протечкам рабочего тела через надбандажное уплотнение ступени. Это позволяет значительно снизить величину протечки через надбандажное уплотнение. Однако вдувание части рабочего тела в сопловую решетку приводит к увеличению потерь энергии в ее периферийной зоне, что не позволяет достигнуть существенного эффекта от уменьшения надбандажной протечки.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания ступени осевой турбины, в которой вспомогательный поток части рабочего тела через перепускной канал вокруг сопловой решетки был бы так организован, чтобы он, создавая сопротивление перетечкам рабочего тела через надбандажное уплотнение ступени, не оказывал бы, вместе с тем, влияния на характер движения основного потока рабочего тела в турбинных решетках ступени.

Поставленная задача решена в ступени осевой турбины, содержащей рабочие лопатки с бандажным кольцом и сопловой аппарат с наружным ободом, имеющим уплотнительные гребни, из которых первый по потоку рабочего тела направлен под углом к оси турбины навстречу потоку, и с перепускным каналом, вход которого сообщен с проточной частью перед ступенью, в которой, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, наружный обод снабжен дополнительным гребнем, расположенным перед первым указанным уплотнительным гребнем с образованием кольцевой щели, вход которой сообщен с перепускным каналом, а выход направлен на поверхность бандажного кольца у его входной кромки и имеющей ширину, выбираемую из соотношения
0,2 A < Δ< 0,4 A
A где
δ значение надбандажного зазора;
α угол наклона первого по потоку рабочего тела уплотнительного гребня.

В предлагаемой конструкции турбинной ступени из кольцевой щели, образованной надбандажными гребнями, вытекает поток, направленный ко входной кромке бандажа, который под действием разности давлений на периферии рабочих лопаток поворачивается в сторону выходной кромки бандажа, перегораживая при этом радиальный надбандажный зазор и тем сводя исходную надбандажную протечку к нулю.

Приведенное в формуле изобретения соотношение для ширины Δ кольцевой щели определяет ее оптимальное значение. При выходе за указанный диапазон выигрыш в КПД ступени уменьшается: для Δ < 0,2 А из-за неполного перекрытия радиального надбандажного зазора, для Δ > 0,4 А из-за попадания части перегораживающего потока в проточную часть в районе межвенцового зазора.

На фиг. 1 изображено меридиальное сечение ступени осевой турбины; на фиг. 2 кинематика струи перегораживающего потока.

Ступень осевой турбины содержит рабочие лопатки 1 с бандажом 2 сопловой аппарат 3, в наружном ободе 4 которого установлены гребни 5 надбандажного уплотнения, образующие Z пережатий с радиальным зазором δ. Два ближних к входной кромке 6 бандажа 2 гребни 5 направлены под углом α к оси турбины навстречу потоку рабочего тела и образуют кольцевую щель 7 шириной Δ Щель 7 соединена выполненным в наружном ободе 4 перепускным каналом 8 с проточной частью перед сопловым аппаратом 3. Выход щели 7 направлен в сторону входной кромки 6 бандажа 2. При этом значение угла α выхода щели 7 целесообразно выполнить таким, чтобы осевая линия, обозначающая направление выхода потока из щели 7 пересекала бандаж 2 или касалась его входной кромки 6. Если сделать угол α большим, то выходящий из щели 7 поток не будет перегораживать радиальный надбандажный зазор δ, его энергия диссипируется в надбандажной камере перед гребнями 5 надбандажного уплотнения, перемешиваясь с находящимся там рабочим телом надбандажной протечки, что приведет к увеличению непроизводительных надбандажных перетеканий.

Ширина щели 7 удовлетворяет условию:
0,2 A < Δ< 0,4 A где A Для обоснования этого соотношения ниже приведены необходимые формулы, при выходе которых Δ Р,Δ Р₁, Δ Р₂ перепады давлений, срабатываемые соответственно на периферии рабочих лопаток 1, на первом и на остальных (Z-1) пережатиях.

При работе ступени из кольцевой щели 7 под углом α к осевому направлению вытекает поток G, перегораживающий радиальный зазор δ. Скорость С этого потока с точностью до потерь равна скорости основного потока на выходе из лопаток соплового аппарата в его периферийной части.

Под действием разности давлений Δ Р₁, которая из-за наличия (Z-1) пережатия меньше разности давлений Δ Р на периферии рабочих лопаток 1, поток разворачивается в сторону выходной кромки.

Использование: в турбостроении. Сущность изобретения: ступень осевой турбины содержит рабочее колесо 1 с бандажом 2 и диафрагму 3, в наружном ободе 4 которой установлены гребни 5 надбандажного уплотнения. Два ближних к входной кромке 6 бандажа 2 гребни 5 образуют кольцевую щель 7, которая соединена выполненным в наружном ободе 4 перепускным каналом 8 с выходом в ступень. Выход щели 7 направлен в сторону входной кромки 6 бандажа 2 под тупым углом. Ширину щели 7 определяют из приведенного условия. 2 ил.

СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая рабочие лопатки с бандажным кольцом и сопловой аппарат с наружным ободом, имеющим уплотнительные гребни, расположенные над бандажным кольцом с зазором, из которых первый по потоку рабочего тела направлен под углом к оси турбины навстречу потоку, и с перепускным каналом, вход которого сообщен с проточной частью перед сопловым аппаратом, отличающаяся тем, что наружный обод снабжен дополнительным гребнем, расположенным перед первым по потоку рабочего тела уплотнительным гребнем с образованием кольцевой щели, вход которой сообщен с перепускным каналом, а выход направлен на поверхность бандажного кольца у его входной кромки и имеющей ширину, выбираемую из отношения
0,2A < Δ < 0,4A,
где

δ значение величины надбандажного зазора;
a угол наклона первого по потоку рабочего тела уплотнительного гребня.