ПАРЦИАЛЬНАЯ ТУРБИНА Российский патент 1995 года по МПК F01D21/02 

Изобретение относится к области турбиностроения, а именно к вспомогательным турбоприводам.

Известна парциальная турбина, содержащая сопловой аппарат с одной дугой впуска рабочего тела, два венца рабочих лопаток, между которыми расположены направляющий аппарат с лопатками, выхлопной канал, размещенный за вторым венцом. Часть лопаток направляющего аппарата ориентирована вогнутой поверхностью по направлению вращения, а часть лопаток ориентирована вогнутой поверхностью против направления вращения.

В такой конструкции турбины при увеличении частоты вращения ротора рабочая среда из канала рабочих лопаток первого венца попадает в ту часть направляющего аппарата, рабочие каналы которого образованы лопатками, ориентированными вогнутой поверхностью против направления вращения. Рабочая среда поступает в лопаточные каналы второго венца в противоположном направлении, создавая таким образом тормозной момент.

Недостатком такой парциальной турбины является небольшая величина тормозного момента, что ограничивает уменьшение предельной частоты вращения ротора на режиме угонных оборотов, а также увеличивает вентиляционные потери энергии на основном режиме работы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности торможения ротора парциальной турбины при внезапном сбросе нагрузки и сведения к минимуму вентиляционных потерь энергии при работе турбины под нагрузкой. Рабочая среда при увеличении частоты вращения ротора при внезапном сбросе нагрузки, выходя из первого рабочего венца, смещается по направлению вращения и, проходя каналы направляющего аппарата, приобретает закрутку в абсолютном движении в направлении, противоположном вращению ротора, а на выходе из второго рабочего венца приобретает закрутку в относительном движении по направлению вращения ротора. За счет этого в рабочих венцах создается существенный тормозной момент. Использование S-образных профилей позволяет на основном режиме использовать энергию вентиляционных течений циркулирующей среды в неработающих каналах для получения полезной мощности, так как циркулирующая среда выбрасывается из каналов рабочего венца с закруткой в относительном движении, противоположной по направлению вращения ротора.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в повышении надежности работы парциальной турбины на режиме внезапного сброса нагрузки при минимальных потерях энергии, когда используется аэродинамический способ торможения вращающегося ротора.

Это достигается тем, что лопатки направляющего аппарата ориентированы вогнутой поверхностью против направления вращения и смещены относительно соплового аппарата по направлению вращения, рабочие лопатки второго венца имеют S-образный профиль, выходные кромки которого смещены относительно входных кромок по направлению вращения, турбина имеет дополнительный выхлопной канал, расположенный за первым входом.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что на режиме работы под нагрузкой рабочая среда проходит через сопловой аппарат, первый рабочий венец и выходит в основной выхлопной канал. Вентиляционные течения циркулирующей среды, образуемые в нерабочих каналах, при использовании S-образных профилей рабочих лопаток второго венца будут захватываться и выбрасываться из рабочих каналов второго венца. При этом выбрасываемый поток существенно закручивается в относительном движении в направлении, противоположном вращению ротора. Благодаря такой организации течения циркулирующей среды вентиляционные потери энергии становятся минимальными.

На режиме работы турбины при внезапном сбросе нагрузки, т.е. при резком увеличении частоты вращения ротора, рабочая среда, выходящая из первого рабочего венца, смещается в направлении вращения. В направляющем аппарате поток рабочей среды приобретает закрутку в абсолютном движении, противоположно направленную вращению ротора, проходя второй рабочий венец, поток рабочей среды приобретает в относительном движении закрутку, совпадающую с направлением вращения ротора. За счет этого во втором рабочем венце создается повышенный тормозной момент, который существенно ограничивает частоту вращения ротора при внезапном сбросе нагрузки на турбину.

На фиг.1 представлена проточная часть парциальной турбины; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1.

Парциальная турбина содержит сопловой аппарат 1 с одной дугой впуска, два венца рабочих лопаток 2 и 3, установленные на роторе, между которыми расположен направляющий аппарат 4 с лопатками 5, ориентированными вогнутой поверхностью 6 против направления вращения. Направляющий аппарат 4 смещен относительно соплового аппарата 1 по направлению вращения. Турбина содержит два выхлопных канала 7 и 8, первый из которых 7 размещен за первым рабочим венцом 2, а второй 8 за вторым рабочим венцом 3. Рабочие лопатки 9 второго рабочего венца 3 имеют S-образный профиль 10, выходные кромки 11 которого смещены по направлению вращения относительно входных кромок 12.

Парциальная турбина работает следующим образом.

На основном режиме рабочая среда проходит через сопловой аппарат 1, первый рабочий венец 2, где создается механическая энергия вращения, и выходит в выхлопной канал 7. Через второй рабочий венец 3 на основном режиме рабочая среда не проходит и он вращается вхолостую. При холостом вращении рабочего венца 3 в нем возникают вентиляционные течения циркулирующей среды. Циркулирующая среда захватывается рабочими лопатками 9 со стороны выходных кромок 11. Двигаясь по межлопаточным каналам рабочего венца 3, циркулирующая среда будет выбрасываться из них со стороны входных кромок 12, имея существенную закрутку в относительном движении против вращения ротора, так как лопатки 9 имеют S-образный профиль 10, выходные кромки 11 которого смещены относительно входных кромок 12 по направлению вращения. За счет этого в рабочем венце 3 не образуются вентиляционные потери энергии, что приводит к повышению экономичности турбины на основном режиме при наличии нагрузки.

При увеличении частоты вращения ротора сверх основной в связи с внезапным сбросом нагрузки на валу турбины рабочая среда, выходящая из первого рабочего венца 2, смещается в направлении вращения. За счет этого рабочая среда входит в направляющий аппарат 4 и выходит из него с закруткой в абсолютном движении в направлении, противоположном вращению ротора. Затем рабочая среда проходит через второй рабочий венец 3 и выходит через выхлопной канал 8. На выходе из второго рабочего венца 3 поток среды имеет в относительном движении закрутку по направлению вращения ротора, что создает существенную закрутку потока и в абсолютном движении в том же направлении. За счет этого во втором рабочем венце образуется повышенный тормозной момент, который существенно ограничивает частоту вращения ротора при внезапном сбросе нагрузки на турбину.

Использование: в области турбиностроения, в основном во вспомогательных турбоприводах. Сущность изобретения: парциальная турбина содержит сопловой аппарат с одной дугой впуска, два венца рабочих лопаток, между которыми расположен направляющий аппарат с лопатками, ориентированными вогнутой поверхностью против направления вращения, и смещенный относительно соплового аппарата по направлению вращения, два выхлопных канала, основной из которых размещен за первым венцом, а дополнительный за вторым рабочим венцом. Рабочие лопатки второго венца имеют S-образный профиль, выходные кромки которого смещены по направлению вращения относительно входных кромок. 3 ил.

ПАРЦИАЛЬНАЯ ТУРБИНА, содержащая сопловой аппарат с одной дугой впуска, два венца рабочих лопаток, между которыми расположен направляющий аппарат с лопатками, выхлопной канал, размещенный за вторым венцом, отличающаяся тем, что лопатки направляющего аппарата ориентированы вогнутой поверхностью против направления вращения и смещены относительно соплового аппарата по направлению вращения, рабочие лопатки второго венца имеют S-образный профиль, выходные кромки которого смещены относительно входных кромок по направлению вращения, турбина имеет дополнительный выхлопной канал, расположенный за первым венцом.