ТУРБИНА Российский патент 1999 года по МПК F01D11/08 

Изобретение относится к машиностроению, конкретно - к турбостроению, и может быть использовано в турбинах с необандаженными направляющими и рабочими лопатками.

Известны турбины с необандаженными направляющими и рабочими лопатками. Турбины содержат необандаженные направляющие и (или) рабочие лопатки, ротор, образующий внутреннюю поверхность проточной части, статор, образующий наружную поверхность проточной части (Моисеев Г.И., Мееров Л.З. Конструкция стационарных газотурбинных установок. -М.: Госэнергоиздат, 1962, рис. 3-1, с. 52 и рис. 3-36, с. 86). Их недостатками являются увеличенные потери от радиальных зазоров из-за перетеканий рабочего тела у свободных концов лопаток с вогнутой стороны на выпуклую, рассеивания энергии перетечек и основного потока в образующихся вихрях и набегания потока из радиальных зазоров на последующие венцы (рабочий или направляющий следующей ступени) с большими углами атаки.

При увеличении радиальных зазоров эти потери резко растут. В то же время у высокотемпературных газовых турбин с лопатками и сопрягаемыми элементами из жаропрочных сплавов наблюдается явление наволакивания металла на неподвижные элементы даже при незначительных задеваниях. Соскобленная при взаимных касаниях размягченная стружка сворачивается в рулон и приваривается к неподвижному элементу (концу направляющей лопатки или статору), остывая, она превращается в "резец", повреждающий ответную деталь. Радиальные зазоры при этом увеличиваются в несколько раз.

Известна ступень турбины, содержащая регулируемый сопловой аппарат и рабочее колесо с ободом, образующим внутреннюю поверхность проточной части и установленным под лопатками соплового аппарата. На ободе выполнены микроканавки, размещенные под торцами сопловых лопаток под углом к оси турбины, равным углу установки поворотных сопловых лопаток на расчетном режиме (авт.св. 1795125, F 01 D 9/02, 1990). Данное изобретение принято за прототип.

Недостатками этой конструкции являются:
- ограничение применения областью поворотных /регулируемых/ и только сопловых аппаратов /РСА/; неподвижные направляющие и рабочие лопатки из рассмотрения исключены;
- неоптимальным углом выполнения микроканавок /расчетный угол установки РСА/, позволяющим лишь ослабить перетекания в радиальном зазоре под РСА, но сохраняющим набегание среды из радиального зазора на рабочие лопатки под большим углом атаки;
- нетехнологичность конструкции при выполнении канавок непосредственно на ободе ротора, особенно их восстановление при ремонтах после задеваний в проточной части;
- сохраняется недостаток, связанный с налипанием материала вращающихся деталей на неподвижные при задеваниях у высокотемпературных газовых турбин, при этом микроканавки "замазываются", поверхность обода становится гладкой.

Сущность изобретения состоит в снижении потерь от радиальных зазоров в турбинах с необандаженными как направляющими /поворотными и неподвижными/, так и рабочими лопатками, в большем повышении КПД турбины благодаря заданию оптимального угла канавок на роторе и статоре, их изготовление на съемных элементах ротора и статора, исключение прогрессирующих повреждений сопрягаемых деталей проточной части при задеваниях, вызывающих рост радиальных зазоров и потерь.

Задача решается тем, что в турбине, содержащей ротор, статор, необандаженные направляющие как поворотные, так и неподвижные и рабочие лопатки:
элементы, установленные на роторе под направляющими лопатками и образующие внутреннюю поверхность проточной части, а также элементы, установленные на статоре над рабочими лопатками и образующие наружную поверхность проточной части, выполнены съемными (сменными), что обеспечивает технологичность изготовления на них канавок и возможность замены при ремонтах;
на съемных элементах ротора и статора канавки выполняются под углами к оси турбины, равными углам входа лопаток венца, следующего за рассматриваемым после радиального зазора: благодаря этому пристенные слои потока в радиальном зазоре приобретают направление течения, совпадающее с "безударным" при входе в последующий венец, т.е. с направлением основного потока;
на ребра, образующие канавки, выполненные на съемных элементах ротора и статора, нанесено тугоплавкое абразивное покрытие; при случайных задеваниях ребер о концы лопаток происходит небольшой износ последних ("приработка" проточной части) - шлифовка концов без наволакивания металла, повреждений сопрягаемых элементов и резкого увеличения радиальных зазоров в эксплуатации; использование съемных элементов позволяет осуществлять необходимую термообработку нанесенных покрытий.

Описанная конструкция турбины повышает ее КПД за счет:
- снижения массы перетекающего рабочего тела через радиальные зазоры как под направляющими, так и над рабочими лопатками;
- направления перетекающих пристеночных слоев на следующие за радиальными зазорами венцы рабочих и направляющих лопаток под расчетными углами входа с использованием их кинетической энергии для выработки мощности;
- исключения увеличения радиальных зазоров в эксплуатации при задеваниях подвижных и неподвижных элементов проточной части высокотемпературных турбин.

Одновременно значительно увеличивается технологичность изготовления описанных канавок и возможность их восстановления при ремонтах.

На фиг. 1 изображена проточная часть турбины; на фиг. 2 - расположение канавок на элементах ее ротора; на фиг. 3 - то же на элементах статора.

Турбина содержит необандаженные направляющие 1 и рабочие 2 лопатки, ротор 3 с элементами 4, установленными под направляющими лопатками и образующими внутреннюю поверхность 5 проточной части, причем на поверхности 5 элементов 4 выполнены канавки 6 под углом к оси турбины, равными углу входа рабочих лопаток 2 в этом сечении, статор 7 с элементами 8, установленными над рабочими лопатками 2 и образующими наружную поверхность 9 проточной части, при этом на поверхности 9 элементов 8 выполнены канавки 10 под углом к оси турбины, равным углу входа направляющих лопаток 1, а у последней ступени - углу выхода потока из нее в абсолютном движении. На ребра 11, образующие канавки 6 и 10, нанесено тугоплавкое абразивное покрытие.

При вращении ротора 3 канавки 6 и 10 заполнены рабочем телом, сообщая ему окружную составляющую скорости, направленную против вторичных течений через необандаженные концы направляющих 1 и рабочих 2 лопаток, чем снижают расход среды, перетекающей в радиальных зазорах. Одновременно канавки придают захваченному потоку направление, совпадающее с углами входа β_1г и α_a лопаточных венцов, расположенных по потоку за рассматриваемыми радиальными зазорами и позволяют использовать в этих венцах кинетическую энергию пристенных слоев перетеканий.

Ребра 11 с тугоплавким абразивным покрытием, образующим между собой канавки 6 и 10, при задеваниях сопрягаемых элементов ротора и статора выполняют роль инструмента, шлифующего концы лопаток и обеспечивающего величину необходимого для работы радиального зазора.

Изготовление канавок 6, 10 и восстановление их при ремонтах осуществляется на снятых элементах ротора 4 и (или) статора 8 с установкой в специальных приспособлениях и допускает проведение термообработки, необходимой после или при нанесении покрытий.

Устройство повышает КПД турбины с необандаженными направляющими и (или) рабочими лопатками и позволяет сохранить его при длительной эксплуатации.

Турбина содержит необандаженные направляющие и рабочие лопатки. На роторе под направляющими и на статоре над рабочими лопатками установлены съемные элементы, образующие внутреннюю и наружную поверхности проточной части соответственно. На съемных элементах ротора и статора выполнены канавки под углами к оси турбины, равными углам входа рабочего и следующего направляющего венцов соответственно. Ребра, образующие канавки на съемных элементах, имеют тугоплавкое абразивное покрытие. Такое выполнение турбины приводит к снижению потерь от радиальных зазоров. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Турбина, содержащая необандаженные направляющие и рабочие лопатки, ротор, образующий внутреннюю поверхность ее проточной части, на которой выполнены канавки под углом к оси турбины, статор, образующий наружную поверхность проточной части, отличающаяся тем, что на роторе под направляющими лопатками и на статоре над рабочими лопатками установлены съемные элементы, на которых выполнены канавки под углами к оси турбины, равными углам входа рабочего и следующего направляющего венцов соответственно. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что ребра, образующие канавки на съемных элементах, ротора и статора, имеют тугоплавкое абразивное покрытие.