РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ Российский патент 1996 года по МПК F01D5/14 

Изобретение относится к турбостроению, а именно к осевым микротурбинам с короткими лопатками.

Уровень техники известен из профиля лопатки, определенной сочетанием дуг окружностей вогнутой и выпуклой сторон профиля и прямых линий, плавно сочетаемых между собой.

Недостатком известной лопатки является невысокий КПД и связанное с ним снижение крутящего момента на выходном валу турбины, рабочее колесо которой имеет короткие лопатки (относительная высота лопатки х h/D_ср меньше 0,1, где h высота лопатки, D_ср средний диаметр рабочего колеса).

Задачей изобретения является создание рабочей лопатки осевой микротурбины с относительной высотой х менее 0,1, простой в изготовлении и эффективной при работе на транс- и сверхзвуковых режимах.

Технический результат, получаемый при этом, заключается в повышении крутящего момента на выходном валу турбины.

Поставленная задача решается профилем рабочей лопатки турбины, состоящей в центральной части из дуг окружностей, сопряженных прямыми линиями с дугами окружностей на входной и выходной кромках профиля. Согласно изобретению радиус вогнутой стороны профиля лопатки равен 0,5-1,0 ширины профиля, а отношение радиусов вогнутой стороны и выпуклой сторон составляет 2,5-6,3.

Повышение крутящего момента на выходном валу турбины в зависимости от отношения радиусов между собой и от отношения радиуса вогнутой стороны к ширине профиля подтверждается экспериментально.

Для эксперимента были изготовлены рабочие колеса турбины с разными профилями одного типоразмера. Проведены стендовые испытания рабочих колес по определению зависимости относительного крутящего момента М на валу от относительной частоты n вращения вала. В результате выявлено преимущество предлагаемой лопатки, относительная высота которой меньше 0,1.

Для характеристики профиля лопатки выбраны радиусы вогнутой R и выпуклой сторон r профиля, так как они составляют основную часть профиля и наиболее полно характеризуют его. Величины радиусов являются производными и зависят от первоначально заданных параметров мощности и числа оборотов и полученных в результате расчета диаметра рабочего колеса и ширины профиля В, углов входа β₁ и выхода потока β₂ хорды профиля b и шага лопаток t. Определение радиуса вогнутой стороны лопатки через заданную ширину профиля удобно для практического использования и наиболее полно характеризует кривизну межлопаточного канала. Предлагаемое отношение радиусов вогнутой и выпуклой сторон профиля также выявлено экспериментально. Наиболее оптимальные значения радиуса вогнутой стороны профиля лопатки близки к 0,5 ширины профиля, но для отдельных рабочих колес с повышенным крутящим моментом и частотой вращения необходима уменьшенная кривизна канала. В этом случае радиус вогнутой стороны профиля увеличивается до размера, равного ширине профиля лопатки. Изменение выбранного диапазона отношения (0,5-1,0) В как в сторону уменьшения, так и увеличения значительно ухудшает технические характеристики турбины.

Отношение радиусов вогнутой стороны к выпуклой стороне профиля совместно с углами входа и выхода потока характеризуют полноту профиля. Наиболее оптимальные значения отношений радиусов лежат в пределах от 3 до 5, но в отдельных случаях при определенных исходных параметрах возможно изменение диапазона от 2,5 до 6,3. При дальнейшем расширении указанного диапазона значений происходит падение мощности и частоты вращения вала.

На фиг. 1 дан график результатов экспериментальных исследований; на фиг. 2 изображен профиль рабочей лопатки осевой микротурбины с рабочим колесом, имеющим короткие лопатки (относительная высота лопаток не превышает 0,1).

Контур профиля лопатки 1 содержит следующие элементы линий. Входная кромка 2, участок АВ, определены дугой окружности. Отрезок ВС, прямая линия 3 плавно сопрягают дуги АВ и СД. Дуга окружности СД-4 выполнена радиусом r. Отрезок ДЕ, прямая линия 5 соединяют дугу СД с дугой окружности ЕF-6 выходной кромки профиля. Отрезок прямой FG-7 соединяет дугу ЕF с дугой СА-8, выполненной радиусом R, которая замыкает профиль. Радиус дуги R определяется из соотношения R (0,5-1,0)В, где В ширина профиля.

Отношение радиуса R к радиусу r составляет 2,5-6,3. Радиусы дуг 2 и 6 определяются конструктивно, исходя из условий аэродинамического совершенства профиля и его прочности.

Контур профиля строится следующим образом. Исходя из условий получения требуемого крутящего момента и числа оборотов расчетным путем определяют диаметр рабочего колеса турбины, ширину профиля лопатки, углы входа и выхода потока, шаг лопаток, угол установки профиля. Построением определяются центры и величины радиусов вогнутой и выпуклой сторон профиля. При этом радиус вогнутой стороны профиля выбирается из диапазона 0,5-1,0 ширины профиля, а радиус выпуклой стороны профиля выбирается из соотношения R/r 2,5-6,3. Величины радиусов корректируются для выполнения условий постоянства ширины межлопаточного канала и оптимального шага лопаток.

Использование: в турбостроении для осевых микротурбин с короткими рабочими лопатками. Сущность изобретения: профиль рабочей лопатки осевой микротурбины определен дугами окружностей в центральной части, сопряженными прямыми линиями с дугами окружностей на концах профиля. При этом радиус вогнутой стороны профиля равен 0,5 - 1,0 ширины профиля, а отношение радиуса вогнутой стороны профиля к радиусу выпуклой стороны профиля составляет 2,5 - 6,3. 2 ил.

РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ с относительной высотой менее 0,1, профиль которой в центральной части определен дугами окружностей, сопряженных прямыми линиями с дугами окружностей на входной и выходной кромках профиля, отличающаяся тем, что радиус вогнутой стороны профиля равен 0,5 - 1,0 ширины профиля, а отношение радиусов выгнутой и выпуклой сторон составляет 2,5 - 6,3.