СОПЛОВОЙ АППАРАТ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F01D9/04 

Изобретение относится к области сопловых аппаратов осевых турбин, входящих, в частности в состав приводных газотурбинных установок (ГТУ).

В практике эксплуатации приводных ГТУ со свободной силовой турбиной, имеющих большую эксплуатационную наработку, имеет место задача повышения полезной мощности при ограничении температуры газа перед турбиной. Эта задача может быть решена путем увеличения проходных сечений и изменения формы межлопаточных каналов соплового аппарата силовой турбины. Вследствие этого произойдет перераспределение теплоперепада между компрессорной и силовой турбинами с увеличением его на компрессорной турбине. При этом увеличатся расход рабочего тела и мощность ГТУ, а также исчезнет ограничение по температуре перед турбиной.

Известен сопловой аппарат, содержащий поворотные лопатки, при поворотах которых возможно изменение проходных сечений соплового аппарата (см. кн. Топунов А. М. Работа судовых турбин с отбором и потреблением энергии. Л., Судостроение, 1978, стр.107-116). Данные сопловые аппараты имеют ряд недостатков: значительная конструктивная сложность, потребность в механизмах привода, низкая эксплуатационная надежность, кроме того, при повороте лопаток проходные сечения каналов меняются одновременно во всех сечениях по высоте лопаток, что не всегда желательно. Совокупность этих недостатков делает невозможным применение сопловых аппаратов с поворотными лопатками при модернизации находящейся в эксплуатации ГТУ.

Прототипом предлагаемого соплового аппарата является сопловой аппарат, выполненный по принципу тангенциального наклона направляющих лопаток (ТННЛ) (см. кн. И.И.Кириллов. Паровые турбины и паротурбинные установки/ И.И. Кириллов, В.А. Иванов, А.И. Кириллов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.-276 с.). Сопловой аппарат состоит из наружной и внутренней соосных обечаек, между которыми установлены сопловые лопатки, оси которых имеют наклон в тангенциальном направлении. Путем подбора угла наклона осей сопловых лопаток можно получить требуемые изменения аэродинамических характеристик соплового аппарата. Сопловые аппараты с ТННЛ имеют следующие недостатки: потребность в крупных переделках прилегающих к лопаткам деталей при реализации ТННЛ, необходимость в разработке и изготовлении сопловых лопаток новой конструкции, значительное изменение распределения степени реактивности ступени по высоте и, в частности в корне. Последнее может вызвать нарушение баланса осевых усилий на роторе турбины. Указанные недостатки ограничивают возможность применения сопловых аппаратов с ТННЛ для модернизации уже эксплуатирующейся ГТУ.

Технический результат, достигаемый применением предлагаемого соплового аппарата, заключается в повышении полезной мощности приводной ГТУ, находящейся в эксплуатации, путем модернизации соплового аппарата свободной силовой турбины без внесения значительных конструктивных изменений в базовые детали турбины. Это достигается тем, что выходные кромки лопаток соплового аппарата образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3...5^o.

Отклонение выходных кромок лопаток соплового аппарата от радиального направления при сохранении положения корневых точек выходных кромок приводит к увеличению горл сопловых каналов, причем степень этого увеличения возрастает от нулевой величины в корне до максимума на периферии сопловой решетки. Этому соответствует увеличение степени реактивности от корня к периферии при сохранении штатного значения в корне. При наклоне выходных кромок с образованием между ними и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угла в 3...5^o суммарное проходное сечение соплового аппарата увеличивается на 2...5%. Это приводит к уменьшению теплоперепада на силовой турбине и увеличению его на компрессорной турбине. При этом частота вращения компрессора ГТУ и расход воздуха через него возрастают, что приводит к росту полезной мощности ГТУ на 5...10%. Сохранение штатного значения степени реактивности в корне предотвращает нарушение баланса осевых усилий на роторе турбины. Изменение в сопловых лопатках лишь формы выходных кромок позволяет провести модернизацию ГТУ без изменения прилегающих к сопловым лопаткам деталей.

На фиг.1 изображен предлагаемый сопловой аппарат, содержащий внутреннюю (1) и наружную (2) соосные обечайки и установленные между ними лопатки (3), выходные кромки которых (4) образуют с радиальными линиями (5), проходящими через корневые точки (6) выходных кромок, угол 3...5^o. Фрагменты (7) соответствуют удаляемым при модернизации соплового аппарата частям прежнего профиля сопловых лопаток. На фиг.2 приведены результаты испытаний ГТУ в форме взаимозависимостей относительных параметров до и после оснащения ее предлагаемым сопловым аппаратом.

Устройство работает следующим образом. Поток рабочего тела, протекая через каналы соплового аппарата силовой турбины приводной ГТУ, преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую. Срабатываемый при этом теплоперепад уменьшен в соответствии с увеличенным на 2...5% проходным сечением соплового аппарата вследствие наклона выходных кромок с образованием между ними и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угла в 3. . .5^o. За счет этого увеличивается теплоперепад, приходящийся на турбину компрессора, что вызывает рост частоты вращения компрессора ГТУ и расхода воздуха через него с одновременным ростом полезной мощности ГТУ на 5. . .10%. Сохранение проходного сечения сопловых каналов в корневом сечении обеспечивает неизменность давления рабочего тела в этом сечении, что сохраняет баланс осевых усилий на роторе силовой турбины.

Возможность осуществления предлагаемого изобретения основывается на следующем.

Известные данные (см. кн. Седых С.З. Эксплуатация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. - М.: Недра, 1990. - 203 с.), а также анализ характеристик ГТУ со свободной силовой турбиной методом малых отклонений (см. кн. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. - М.: Машиностроение, 1965. - 380 с., а также Погодин С. И. Применение метода малых отклонений для расчета и анализа рабочего процесса транспортных газотурбинных двигателей. - М.: Изд. ЦНИИинформации, 1977. - 296 с.) показывают, что увеличение площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины приводит к увеличению полезной мощности ГТУ. Дополнительный анализ методом малых отклонений показывает, что при увеличении площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины на 2...5% полезная мощность увеличивается на 5...10%. Одновременно увеличиваются частота вращения ротора турбокомпрессора, степень повышения давления и расход воздуха циклового компрессора. Рабочая точка циклового компрессора удаляется от границы помпажа. КПД ГТУ при этом может несколько снизиться. Для более изношенных агрегатов возможно сохранение топливной экономичности или даже некоторый ее рост. Улучшаются пуск и приемистость ГТУ. Снимается ограничение по температуре перед турбиной. При этом, если увеличение площади проходного сечения соплового аппарата распределить по высоте лопаток от нулевого значения в корне до максимума на периферии, степень реактивности в корневом сечении ступени сохранит штатное значение - тем самым здесь сохранится штатное давление за сопловым аппаратом и, следовательно, баланс осевых усилий на роторе силовой турбины. Увеличению площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины на 2...5% соответствует диапазон угла между выходными кромками сопловых лопаток и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок в 3...5^o. Значения угла более 5^o приведут к такому увеличению площади проходного сечения соплового аппарата, при котором существенно нарушится режим обтекания профилей лопаток. Значения угла, меньшие 3^o, не дадут ожидаемых от применения предлагаемого соплового аппарата полезных эффектов. Доработка контура профиля сопловых лопаток в районе выходных кромок (фрагмент 7 на фиг. 1), сохранит угол истечения газа из сопел вследствие двух взаимокомпенсирующих воздействий: увеличения угла за счет увеличения относительного шага сечений сопловой решетки, лежащих выше корня, и уменьшения угла за счет увеличения кривизны профиля сопловых лопаток в районе выходных кромок. Сохранение угла истечения газа из сопел обеспечит сохранение режима обтекания рабочих лопаток ступени.

Возможность достижения перечисленных выше полезных эффектов подтверждена результатами испытаний и эксплуатацией в течение ряда лет приводной ГТУ мощностью 10 МВт со свободной силовой турбиной. На фиг.2 приведены результаты испытаний ГТУ в форме взаимозависимостей относительных параметров до и после оснащения ее силовой турбины предлагаемым сопловым аппаратом. Из графика а) виден рост полезной мощности ГТУ, из графика б) - рост частоты вращения ротора турбины высокого давления ГТУ, из графика в) - рост степени повышения давления турбокомпрессора ГТУ, из графика г) видно, что незначительное увеличение расхода топливного газа не выходит за пределы погрешностей промышленного эксперимента. Из графиков а), б), в) видно также, что прежние показатели ГТУ достигаются при более низкой температуре газа. Эти данные показывают улучшение показателей ГТУ после оснащения ее силовой турбины предлагаемым сопловым аппаратом.

Сопловой аппарат осевой турбины, входящей, например, в состав приводной газотурбинной установки, содержит внутреннюю и наружную соосные обечайки и установленные между ними сопловые лопатки. Выходные кромки лопаток образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3-5^o. Изобретение позволяет повысить полезную мощность приводной газотурбинной установки, находящейся в эксплуатации, путем модернизации соплового аппарата свободной силовой турбины без внесения значительных конструктивных изменений в базовые детали турбины. 2 ил.

Сопловой аппарат осевой турбины, содержащий внутреннюю и наружную соосные обечайки и установленные между ними сопловые лопатки, отличающийся тем, что выходные кромки лопаток образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3 - 5^o.