ОСЕВАЯ ТУРБИНА Российский патент 1995 года по МПК F01D7/00 

Известна осевая турбина, например, в газотурбонагнетателях [1] Наряду с регулированием рабочих лопастей в нагнетателе в качестве регулирующего воздействия с целью улучшения разгона и характеристики крутящего момента возможной мерой является регулирование направляющих лопаток турбины. С помощью регулируемых направляющих лопаток турбины для заданного расхода должен создаваться больший напор. Благодаря этому повышаются мощность турбины, ее частота вращения и давление наддува. Чтобы во время "горячего" режима работы регулируемые лопатки не заклинивало, они должны устанавливаться, как правило, с соответствующим зазором. Особенно в раскрученном состоянии поток в зазоре у головки и основания лопаток может очень мешающее сказываться на основном потоке. Так как на регулируемые лопатки воздействуют большие струйные силы в осевом и окружном направлениях, лопатки часто должны зажиматься как у головки, так и у основания, чтобы разгрузить ходовой вал.

Известна осевая турбина [2] содержащая последовательно расположенные в корпусе нерегулируемую решетку направляющих лопаток, по меньшей мере один ряд регулируемых направляющих лопаток, по меньшей мере один ряд рабочих лопаток.

В основе изобретения поставлена задача создания боевой двукратной турбины упомянутого типа решения, с помощью которого можно уменьшить воздействие на регулируемые лопатки силы потока и тем самым перестановочные усилия.

Для достижения технического результата отношение длины хорды регулируемых направляющих лопаток к шагу меньше отношения длины хорды к шагу неpегулируемых направляющих лопаток.

Предпочтительным является то, что отношение длины хорды к шагу регулируемых направляющих лопаток равно половине отношения длины хорды к шагу нерегулируемых направляющих лопаток, а также то, что длина хорды регулируемых направляющих лопаток, по меньшей мере, равна длине хорды нерегулируемых направляющих лопаток.

Выгодно и то, что регулируемые направляющие лопатки выполнены с симметричным профилем, имеющим прямую среднюю линию профиля, а также то, что входная кромка регулируемых направляющих лопаток лежит на конической поверхности, что участок корпуса в зоне расположения регулируемых направляющих лопаток выполнен цилиндрической формы.

На фиг. 1 показана турбина, частичный продольный разрез; на фиг. 2 частичная развертка разреза цилиндра по среднему диаметру канала, по которому протекает рабочая среда. Показаны только существенные для понимания изобретения элементы. Не показаны, например, часть нагнетателя, корпус, ротор вместе с опорным узлом и т.д. Направление протекания рабочей среды обозначено стрелками.

В газовой турбине стенками, ограничивающими канал 1, по которому протекает рабочая среда, являются, во-первых, внутренняя втулка 2 и, во-вторых, обод 3 для крепления лопаток. Последний надлежащим образом подвешен в корпусе 4. В зоне рабочих лопаток 5 канал 1 ограничивается внутри диском ротора 6 и снаружи крышкой 7. Регулируемые направляющие лопатки 8 вместе с ходовым валом 9 выполнены предпочтительно как одно целое. Вал 9 установлен во втулке 10, которая проходит через корпус 4 и обод 3 для крепления лопаток. На выступающем из втулки 10 конце вал соединен с качающимся рычагом 11. Этот рычаг с помощью пальца 12 соединен с регулировочным кольцом (не показан).

Вверх по течению регулируемой решетки направляющих лопаток расположена классическая нерегулируемая решетка направляющих лопаток. Ее лопатки 13 оптимизированы с точки зрения количества, а также относительно отношения хорды S к ходу Т для полной нагрузки. Они придают потоку предварительную закрутку, так что в последующей регулируемой решетке направляющих лопаток вряд ли происходит отклонение.

Регулируемые направляющие лопатки 8 имеют примерно такую же длину S хорды, что и нерегулируемые направляющие лопатки 13. Вследствие очень слабого отклонения они расположены ступенями в решетке примерно с двойным шагом, так что их количество составляет примерно половину качества нерегулируемых направляющих лопаток. Речь идет о симметричных профилях с прямой контурной линией 14. В показанной системе газотурбонагнетателя число Маха на выходе нерегулируемой решетки направляющих лопаток может превышать единицу. Поэтому входная кромка 15 регулируемых лопаток проходит конически в радиальном направлении, чтобы избежать появления ударов уплотнения на носке профиля.

Непосредственное регулирование направляющих лопаток 8 в решетке осуществляется через систему рычагов с помощью исполнительных механизмов (не показаны), которые известны, например, из конструкции нагнетателей. Регулирование осуществляется предпочтительно автоматически по функции рабочих параметров, как, например, давление наддува, частота вращения и т.д.

Разрез цилиндра на фиг. 2 показывает схему лопаток в рассмотренной зоне газовой турбины. С целью указания порядка величин в выполненном примере отдельные решетки имеют следующие данные: отношение толщины профиля к хорде у регулируемых лопаток составляет 0,25. Отношение хорды S к ходу Т составляет у регулируемых лопаток 0,6, у нерегулируемых направляющих лопаток примерно 1,20. Тем самым достигнуты оптимальные соотношения ходов для обеих расположенных друг за другом решеток направляющих лопаток с учетом обычных в газотурбонагнетателях условий притока и оттока.

Направляющие лопатки 8 обтекаются при тех же условиях, с которыми они покидают направляющие рабочие лопатки 13. Они установлены так, что работают в зоне невосприимчивости. Отработавшие газы покидают регулируемую решетку при полной нагрузке под углом примерно 15-20^о. Диапазон регулирования направляющих лопаток 13 составляет предпочтительно 5-10^о по обе стороны.

Подразумевается, что на практике отношение хода к хорде оптимизируется относительно значения частичной нагрузки, с которой движется наддуваемая машина.

Изобретение не ограничивается показаниями и описанным примером выполнения. Форма контура регулируемых лопаток может быть искривленной, что привело бы к существенному удорожанию этого решения, если речь не идет о литых деталях. У регулируемых лопаток контур острия и основания лопатки может быть сформован в зоне соответственно выполненных противоположных частей корпуса изогнутым, чтобы добиться при вращении лопаток неизменного зазора.

Новое техническое решение не ограничено только турбинами с турбонаддувом.

Использование: в турбостроении. Сущность изобретения: в осевой турбине с одним рядом регулируемых направляющих лопаток 8 и одним рядом рабочих лопаток 5 расположена нерегулируемая решетка направляющих лопаток. Регулируемые лопатки 8 имеют отношение хорда/ход (s-t), которое значительно меньше такого же отношения нерегулируемых направляющих лопаток 13. Регулируемые направляющие лопатки имеют прямую контрольную линию с симметричным профилем. 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ОСЕВАЯ ТУРБИНА, содержащая последовательно расположенные в корпусе нерегулируемую решетку направляющих лопаток, по меньшей мере один ряд регулируемых направляющих лопаток, по меньшей мере один ряд рабочих лопаток, отличающаяся тем, что отношение длины хорды регулируемых направляющих лопаток к шагу меньше отношения длины хорды к шагу нерегулируемых направляющих лопаток. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что отношение длины хорды к шагу регулируемых направляющих лопаток равно половине отношения длины хорды к шагу нерегулируемых направляющих лопаток. 3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что длина хорды регулируемых направляющих лопаток по меньшей мере равна длине хорды нерегулируемых направляющих лопаток. 4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что регулируемые направляющие лопатки выполнены с симметричным профилем, имеющим прямую среднюю линию профиля. 5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что входная кромка регулируемых направляющих лопаток лежит на конической поверхности. 6. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что участок корпуса в зоне расположения регулируемых направляющих лопаток выполнен цилиндрической формы.