ОСЕВАЯ ПРОТОЧНАЯ ТУРБИНА Российский патент 1998 года по МПК F01D9/02 

Изобретение относится к осевой проточной турбине, содержащей по меньшей мере один ряд изогнутых направляющих лопаток и по меньшей мере один ряд рабочих лопаток.

Изогнутые направляющие лопатки применяются в особенности для того, чтобы уменьшить вторичные потери, которые возникают из-за отклонения граничных слоев на направляющих лопатках.

Турбины с изогнутыми направляющими лопатками известны, например, из SU, авт. св. 450895, кл. F 01 D 9/02, 1974, где показаны и описаны лопатки, кривизна которых по длине лопатки направлена к напорной стороне соответственно соседней в окружном направлении направляющей лопатки. Также из этого источника известны лопатки, кривизна которых по длине лопатки направлена к стороне всасывания соседней в окружном направлении направляющей лопатки. Тем самым эффективным образом могут быть уменьшены как в радиальном, так и в окружном направлении градиенты давления пограничного слоя, и тем самым уменьшаются аэродинамические потери на лопатках. Независимо от того к какой стороне соседней лопатки направлен изгиб этой известной лопатки, в любом случае он проходит точно в окружном направлении. Это означает, что в случае цилиндрических лопаток, по меньшей мере, их передние кромки по длине лопатки лежат в одной осевой плоскости.

В основу настоящего изобретения положена задача осущестления в осевой проточной турбине названного вначале вида мероприятия, с помощью которого можно еще больше сократить указанные потери.

Согласно изобретению это достигается за счет того, что изгиб направляющих лопаток по длине лопатки выбран перпендикулярным к хорде, что достигается смещением сечения профиля как в окружном направлении, так и в осевом направлении, причем по длине лопатки как входные кромки, так и выходные кромки направляющих лопаток лежат в разных осевых плоскостях.

В то же время изгиб должен быть направлен к напорной стороне соответственно соседней в окружном направлении направляющей лопатки.

Преимущество изобретения, в частности, заключается в том, что вследствие изгиба перпендикулярно к хорде лопатки площадь лопатки, спроецированная в радиальном направлении, больше чем при известном изгибе в окружном направлении. Благодаря этому повышается радиальное усилие на рабочую среду, эта рабочая среда прижимается к стенкам каналов, благодаря чему уменьшается толщина граничного слоя.

В осевых проточных турбинах с по меньшей мере (приблизительно) цилиндрическим ободом для крепления лопаток в зоне основания лопаток и конически открытым контуром ступицы в зоне вершин лопаток, применяющихся, например, в одноступенчатых газовых турбинах газотурбонагнетателей, направляющие лопатки по преимуществу скручены по высоте лопатки.

Комбинация изгиба и скрутки позволяет провести оптимизацию величины реакции по длине лопатки без сильного изменения распределения входного угла рабочих лопаток.

Таким образом, дополнительное преимущество можно увидеть в том, что при расчете турбинной ступени могут быть использованы без труда известные рабочие лопатки.

В графических материалах представлен пример исполнения изобретения на примере одноступенчатой турбины газотурбонагревателя с аксиально/радиальным выходом.

На фиг. 1 показано частично продольное сечение турбины; на фиг. 2 - частичная развертка цилиндрического сечения и наружный диаметр проточного канала по фиг. 1; на фиг. 3 - контур изогнутой направляющей лопатки в перспективе; на фиг. 4 - сечение профиля изогнутой направляющей лопатки; на фиг. 5 - линии обтекания меридианальным течением в осевом сечении; на фиг. 6 - диаграмма сравнения угла выхода газов и выходного угла лопатки по высоте канала; на фиг. 7 - диаграмма уменьшения потерь в функции отношения давлений в турбине.

На фиг. показаны только элементы, важные для понимания изобретения. Не представлены детали устройства, например нагнетательный узел, корпус, ротор вместе с опорами и т.д. Направление течения рабочей среды показано стрелками.

В схематически показанной на фиг. 1 газовой турбине ограничивающие проточный канал 1 стенки являются, во-первых, внутренней ступицей 2 и, во-вторых, наружной обоймой 3 направляющего аппарата. Последняя известным образом подвешена в не показанном на фиг. корпусе.

В зоне рабочих лопаток 4 канал 1 изнутри ограничивается диском 5 ротора, а снаружи - крышкой 6. Во всей зоне набора лопаток ступица 2 из-за увеличения объема расширяющейся рабочей среды выполнена конической, а именно, раскрывающимся образом.

Перед решеткой из рабочих лопаток расположена стационарная решетка из направляющих лопаток. Ее лопатки 7 оптимизированы аэрогидродинамически относительно числа, а также относительно своего соотношения хорды S к шагу T (фиг. 2) на полную нагрузку. Они обеспечивают потоку спиральное движение, необходимое для входа в решетку рабочих лопаток.

В отличие от схематического изображения эта решетка из рабочих лопаток, как правило, изготавливается как одно целое вместе со своими наружными и внутренними ограничивающими стенками, например, в виде отливаемого в виде единой детали соплового агрегата турбины так, что, собственно, нельзя говорить о вершине лопатки или об основании лопатки.

С помощью фиг. 1 и 3 можно увидеть, что за счет изгиба лопаток как входные кромки 9, так и выходные кромки 8 направляющих лопаток лежат в разных осевых плоскостях.

Изгиб лопаток происходит перпендикулярно хорде, что достигается смещением сечения профиля как в окружном направлении, так и в осевом направлении.

Изгиб создается непрерывной дугой, образующей с обоймой 3 для направления лопаток острый угол α_z , а со ступицей 2 -острый угол α_N . При этом угол α_z на наружном диаметре имеет меньший размер, чем угол α_N на внутреннем диаметре.

Показанные на фиг. 1 углы должны рассматриваться не как углы в осевой плоскости, а как проходящие перпендикулярно к плоскости хорды лопатки.

Радиальные лопатки сужены по направлению к центру. Сужение выбрано таким, что направляющая лопатка выполнена от наружного радиуса до приблизительно половины длины лопатки с увеличивающимся соотношением хорды к шагу, а от половины длины лопатки до внутреннего радиуса с приблизительно постоянным отношением хорды к шагу. Профиль лопатки остается по длине лопатки в основном неизменным.

Величина изгиба и сужения, а также профили лопаток видны на фиг. 4.

Здесь можно увидеть по меньшей мере 5 подобных по длине лопаток, эквидистантных сечений профилей в радиальном направлении, где Z - профиль на наружном диаметре, то есть на цилиндре, N - профиль на внутреннем диаметре, то есть на ступице, V - профиль на половине длины лопатки, U и W -два дополнительных профиля на 1/4 и на 3/4 длины лопатки.

Наряду с изгибом и сужением по длине пера направляющей лопатки проводится еще скручивание пера лопатки, чтобы учесть изменение окружной скорости следующих за направляющими лопатками рабочих лопаток по высоте канала.

На фиг. 4 скручивание показано в виде различных углов выноса В_N и В_W, под которыми хорда соответствующего профиля N и W проходит к окружному направлению. Без скручивания направляющих лопаток должны были бы быть согласованы входной угол рабочих лопаток с углом выхода потока направляющих лопаток. Это снова имело бы следствием нежелательное изменение пропускной способности турбины.

Сечение цилиндра (фиг. 2) показывает в увеличенном масштабе горизонтальную проекцию расположения лопаток в рассматриваемой зоне турбины. Как правило, отработавшие газы оставляют при полной нагрузке решетку из направляющих лопаток под углом около 15-20^o.

Заметно, в особенности, отклонение угла выхода газов, существующее из-за влияния пограничного слоя на наружной стенке канала, от выходного угла задней кромки лопатки.

Это положение с разгрузкой краевых зон разъяснено на диаграмме фиг. 6, где на абсциссу нанесен угол выхода в ^o, а на ординату - высота канала в зоне задней кромки направляющей лопатки в %.

Сравниваются угол σ_G выхода газа и угол σ_s выхода с лопатки по высоте канала при обычных цилиндрических направляющих лопатках и при изогнутых по изобретенным критериям в трех проекциях лопатках.

Заштрихованные значения действуют для цилиндрических лопаток: ясно можно увидеть при постоянном выходном угле σ_s лопатки очень нерегулярное распределение угла выхода газа по длине лопатки. Излом в ходе кривой в зоне ступицы, в которой шаг лопаток мал, должен привести назад к господствующему там околозвуковому потоку.

Сплошные протянутые линии, действующие для изогнутых лопаток, показывают относительно постоянный угол σ_G выхода газов по длине лопатки.

Хотя лопатки с корпусом и с втулкой должны вращаться, то есть предусмотрены с небольшим углом σ_s выхода лопатки, определяющие углы σ_G выхода газа в краевых зонах больше, чем в середине лопаток. Названные выше избыточные скорости на ступице не возникают при использовании новых мероприятий.

Эта разгрузка краевых зон вызывает снос меридианальных линий радиально к периферии к стенке - держателю лопаток и радиально к центру к стенке - ступице, как это показано на фиг. 5.

Радиальная компонента, оказывающая влияние на поток, вызывает вследствие этого обусловленное задачей прижатие потока к ступице и к цилиндру.

Так как выходные кромки 8 направляющих лопаток не лежат в одной и той же аксиальной площади, то также не проходят радиально отслеживающие впадины. Это может, пожалуй, рационально воздействовать на возбуждение колебаний расположенных вниз по потоку рабочих лопаток 4.

Диаграмма на фиг. 7, на которой по абсциссе нанесено соотношение давлений в турбине (в бар) и на ординате нанесено уменьшение потерь давления (в %), показывает, как рационально сказываются мероприятия (по изобретению) с возрастающим соотношением давлений.

Понятно, что изобретение не ограничено показанным и описанным примером исполнения. В отличие от него изгиб направляющих лопаток мог бы быть направлен также к стороне разрежения соответственно соседней в окружном направлении направляющей лопатки. В противоположность описываемому решению, при котором ускоряются пограничные слои на цилиндре и на ступице, в этом случае не оказывается влияние на пограничные слои, а изгиб позитивно отражается на центральной части потока.

Осевая проточная турбина предназначена для привода генератора электрического тока. Осевая проточная турбина содержит по меньшей мере один ряд изогнутых направляющих лопаток и по меньшей мере один ряд рабочих лопаток. Направляющие лопатки сужаются в радиальном направлении. Изгиб направляющих лопаток по их длине расположен перпендикулярно к хорде, что достигается смещением сечения профиля как в окружном направлении, так и в осевом направлении. По длине лопатки как входные кромки, так и выходные кромки направляющих лопаток не лежат в разных осевых плоскостях. Изгиб направляющих лопаток направлен к напорной стороне соответственно соседней в окружном направлении направляющей лопатки. Сужение выбрано так, что направляющая лопатка от наружного радиуса до приблизительно половины длины лопатки выполнена с возрастающим соотношением хорды S к шагу Т и от половины высоты до внутреннего радиуса выполнена с постоянным отношением хорды S к шагу Т. Направляющие лопатки по длине лопаток скручены при конически раскрывающей ступице. Такое выполнение турбины позволит уменьшить вторичные потери, которые возникают из-за отклонения граничных слоев на направляющих лопатках. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Осевая проточная турбина, содержащая по меньшей мере один ряд изогнутых направляющих лопаток, сужающихся по длине в радиальном направлении, и по меньшей мере один ряд рабочих лопаток, отличающаяся тем, что изгиб каждой направляющей лопатки проходит перпендикулярно к хорде, что достигается смещением сечения профиля как в окружном направлении, так и в осевом направлении, причем по длине лопатки как входные кромки, так и выходные кромки направляющих лопаток лежат в разных осевых плоскостях. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что изгиб направляющих лопаток направлен к напорной стороне соответственно соседней в окружном направлении направляющей лопатки. 3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что сужение выбрано так, что направляющая лопатка от наружного радиуса до приблизительно половины длины лопатки выполнена с возрастающим соотношением хорды к шагу и от половины высоты до внутреннего радиуса выполнена с постоянным отношением хорды к шагу. 4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что направляющие лопатки по длине лопаток скручены при конически раскрывающейся ступице.