СТУПЕНЬ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F01D9/04 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано при проектировании и модернизации пневмотурбомашин.

Уровень техники изобретения известен из устройства, содержащего диафрагму и рабочее колесо с рабочими лопатками, расположенными с осевым зазором относительно решетки направляющих лопаток, отношение количества направляющих лопаток к количеству рабочих лопаток составляет 0,75 - 0,9 при отношении осевого зазора на периферии к горлу решеток направляющих лопаток на периферии, равном 0,9 - 3,0 (авторское свидетельство N 1511437, F 01 D 1/02).

Известное устройство обеспечивает при оптимально выбранных заявленных отношениях надежную и экономичную работу.

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия (КПД) турбины, обусловленный потерями мощности на трение рабочей среды в ступени, которые не учитываются заявленными отношениями.

Потери мощности рабочей среды в ступени турбомашины складываются из потерь в каналах и потерь вне каналов (концевые потери). Потери в каналах подразделяются на профильные и вторичные, а потери концевые - на потери трения (на всех поверхностях, кроме образующих каналы) и на потери в зазоре. Таким образом, потери мощности рабочей среды в ступени равны
П_т = П_пр + П_вт + П_т + П_з,
где П_т - потери мощности рабочей среды в ступени турбомашины;
П_пр - потери профильные;
П_вт - потери вторичные;
П_т - потери трения газа о диск направляющего аппарата и рабочего колеса;
П_з - потери в зазорах.

Коэффициент полезного действия (КПД) турбины - отношение полезного эффекта к располагаемой работе - зависит от величины потерь мощности рабочей среды в ступени турбомашины. Потери мощности рабочей среды в каналах и зазорах зависят от геометрических параметров турбины и параметров, характеризующих режим работы (числа М и Р_е).

В известном устройстве предусмотрено регулирование этих потерь геометрическими параметрами и учтено влияние геометрических параметров на экономичность и надежность работы устройства.

В известном устройстве также выявлено влияние величины относительного зазора на КПД турбины. Однако влияние потерь мощности рабочей среды от дискового трения на экономичность, надежность и КПД в известном устройстве не учитывается, несмотря на то, что в турбинах, имеющих количество дисковых поверхностей, более одной, эти потери значительны (20-25%), так как зависят от количества поверхностей (их суммарной площади).

Задачей изобретения является создание экономичной и технологичной турбомашины.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении КПД и устойчивости работы турбины.

Это достигается выполнением направляющего аппарата (диафрагмы) в виде кольца с направляющими лопатками, не полностью охватывающим по окружности вал турбины за счет наличия в диафрагме паза.

Существенные признаки, характеризующие ступень турбомашины: ограничительные - диафрагма с направляющими лопатками, рабочее колесо с рабочими лопатками, осевой зазор между решетками направляющих и рабочих лопаток; отличительные - диафрагма выполнена в виде кольца, не полностью охватывающего по окружности вал турбины.

Влияние заявляемой формы диафрагмы на повышение КПД турбины подтверждается экспериментально и в источниках общедоступной информации не обнаружено.

Для эксперимента были изготовлены ступени турбомашины с двумя рабочими колесами с установленной между ними диафрагмой различной формы: 1 - кольцо, полностью охватывающее по окружности вал турбины, 2 - кольцо, не полностью охватывающее по окружности вал турбины, за счет выполнения в диафрагме паза. Относительная ширина паза изменялась в диапазоне 0,08 - 0,7.

По результатам эксперимента получена зависимость относительной потери мощности газа от относительной ширины паза диафрагмы Δ_p (где N_f /N_e, - мощность трения газа о диски, N_e - эффективная мощность турбины).

На фиг. 1 представлен график, показывающий эффективность использования диафрагмы, имеющей форму кольца, не полностью охватывающего по окружности вал турбины. Точка "А" на графике соответствует относительной потере мощности на трение газа о диски в ступени турбомашины с диафрагмой, имеющей форму кольца, полностью охватывающего по окружности вал турбины. Как видно из графика, снижение потерь мощности на трение происходит при увеличении относительной ширины паза.

Другой технический результат - повышение устойчивой работы турбомашины - достигается снижением дисбаланса за счет уменьшения количества посадочных мест на валу турбины.

Это достигается тем, что вал турбины и два рабочих колеса выполняются за одно целое, а диафрагма, выполненная согласно изобретению, устанавливается на вал в процессе сборки ротора. Такой монтаж ротора снижает величину его дисбаланса и, следовательно, повышает устойчивость работы ступени турбомашины.

На фиг. 2 представлена ступень турбомашины и ее разрез по сечению А-А.

Ступень турбомашины содержит: корпус 1, рабочие колеса 2, диафрагму 3 (направляющий аппарат), вал турбины 4. Диафрагма имеет форму кольца, в котором выполнен паз со сторонами, перпендикулярными оси вала (один из вариантов выполнения паза), соединяющими наружную и внутреннюю окружности кольца.

При работе турбомашины рабочая среда из соплового аппарата (на фиг. не показан) поступает на первое рабочее колесо и через направляющие лопатки диафрагмы на второе рабочее колесо, обеспечивая вращение ротора. За счет наличия в диафрагме паза, уменьшается ее площадь поверхности. Таким образом, суммарная площадь поверхностей всех дисков, от которых возникает дисковое трение, также уменьшается, что способствует уменьшению суммарных потерь мощности в ступени турбомашины в процессе ее работы.

Кроме того, дополнительный технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в упрощении технологии сборки ротора турбомашины за счет снижения количества технологических операций, связанных с изготовлением и балансировкой ротора.

Ступень турбомашины содержит диафрагму с направляющими лопатками и рабочее колесо. Рабочие лопатки рабочего колеса расположены с осевым зазором относительно направляющих лопаток. Диафрагма выполнена в виде кольца, не полностью охватывающего по окружности вал турбины. Такое выполнение турбины повышает устойчивость ее работы и КПД. 2 ил.

Ступень турбомашины, содержащая диафрагму с направляющими лопатками и рабочее колесо, рабочие лопатки которого расположены с осевым зазором относительно направляющих лопаток, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена в виде кольца, не полностью охватывающего по окружности вал турбины.