Выхлопное устройство турбомашины Российский патент 2003 года по МПК F01D25/30 

Изобретение относится к области турбостроения и предназначено для отвода выходящего из свободной турбины газа в выхлопную систему турбомашины.

Известно устройство для выпуска газов из турбомашины с кольцевым диффузором, содержащим осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной стенками, при этом наружная стенка радиальной части выполнена в виде дуги окружности [1].

Недостатком известного устройства является низкий КПД вследствие значительных потерь давления и турбулентности газового потока в тракте выхлопа, а также неполное использование возможности уменьшения уровня шума в тракте выхлопа.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является выхлопное устройство турбины, содержащее корпус с входным отверстием, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно наружной и внутренней трактовыми стенками, установленный в корпусе дефлектор и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие [2].

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются большие потери давления и турбулентность газового потока в тракте выхлопа, а именно в "делителе потока". Это объясняется тем, что с учетом "крутки" выхлопных газов зона разворота выхлопных газов должна газодинамически регулироваться без направляющих лопаток или улиток и изменяться в угловом положении в зависимости от полезной нагрузки турбомашины. В известной конструкции зона разворота выхлопных газов зафиксирована трактовыми стенками, т.е. трудно обеспечить безотрывность течения выхлопных газов вдоль трактовых стенок улитки. Кроме того, в известной конструкции не используется возможность "настройки" выхлопного тракта на оптимальные соотношения уровня шума и потерь давления. Недостатком известного устройства является также увеличение неравномерности поля скоростей, повышение неравномерности теплового нагрева стенок корпуса, что приводит к уменьшению КПД и ресурса газовой турбины.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении экономичности, характеристик выхлопного устройства, ресурса и надежности турбины, а также в снижении уровня шума путем газодинамического регулирования зоны разворота выхлопных газов, повышения эффективности охлаждения и снижения потерь давления.

Сущность технического решения заключается в том, что в выхлопном устройстве турбомашины, содержащем корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, установленный в корпусе дефлектор и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие, согласно изобретению наружная трактовая стенка корпуса напротив выходного отверстия выполнена в поперечном сечении с эксцентриситетом относительно трактовых стенок диффузора, а также с увеличением высоты пространства вокруг диффузора по мере приближения к выходному отверстию, дефлектор выполнен в виде наклоненной к срезу диффузора пластины, трактовая поверхность которой направлена по потоку на срезе диффузора, а дефлектор скреплен с наружной стенкой корпуса с образованием полости вне тракта и расположен напротив выходного отверстия перед наружной стенкой диффузора, при этом объем трактовой полости над пластиной дефлектора без объема диффузора в целое число раз превышает объем полости вне тракта, а полость вне тракта сообщена с трактовой полостью щелевыми каналами в месте сопряжения пластины дефлектора с наружной трактовой стенкой диффузора. Трактовая поверхность пластины дефлектора выполнена с кривизной, вогнутая или выпуклая часть которой направлена к срезу диффузора. Трактовая поверхность пластины дефлектора выполнена в форме гиперболоида вращения вокруг осевой части диффузора, причем вогнутая или выпуклая часть пластины дефлектора направлена к срезу диффузора. Внетрактовая поверхность внутренней стенки диффузора снабжена теплозащитным покрытием и кожухами, соединенными со стенкой диффузора.

Выполнение наружной трактовой стенки корпуса напротив выходного отверстия в поперечном сечении с эксцентриситетом относительно трактовых стенок диффузора, а также с увеличением высоты пространства вокруг диффузора по мере приближения к выходному отверстию уменьшает потери давления в выхлопном тракте, упрощает настройку выхлопного тракта при оптимальном соотношении уровня шума и его спектра.

Выполнение дефлектора в виде наклоненной к срезу диффузора пластины, трактовая поверхность которой направлена по потоку на срезе диффузора, при этом объем трактовой полости над пластиной дефлектора без объема диффузора в целое число раз превышает объем полости вне тракта, уменьшает избыток проходной площади в нижней части корпуса, а полость вне тракта сообщена с трактовой полостью щелевыми каналами в месте сопряжения пластины дефлектора с наружной трактовой стенкой диффузора, устраняет вероятность отрыва потока газа от трактовых стенок и возможность вихреобразования, что приводит к уменьшению гидравлических потерь, повышает КПД и ресурс газовой турбины. Это позволяет также полости вне тракта осуществлять функции резонаторной камеры Гельмгольца, а выхлопной тракт выполнить настроенным на минимальные потери давления при минимальном уровне шума и лучшим (для его восприятия) спектром шума.

Выполнение трактовой поверхности пластины дефлектора с кривизной, вогнутая или выпуклая часть которой направлена к срезу диффузора, дополнительно уменьшает гидравлическое сопротивление из условий обеспечения плавного изменения проходных площадей газового тракта и оптимальной степени диффузорности по длине этого газового тракта, что уменьшает или устраняет зоны обратных токов (застойные зоны).

Выполнение трактовой поверхности пластины дефлектора в форме гиперболоида вращения вокруг осевой части диффузора, вогнутой или выпуклой части пластины, направленной к срезу диффузора, дополнительно уменьшает гидравлические потери и вероятность отрыва потока от трактовых стенок, возможность вихреобразования. Это также повышает КПД и ресурс газовой турбины.

Размещение на внетрактовых поверхностях внутренней стенки диффузора теплозащитного покрытия и кожухов, соединенных со стенкой диффузора, дополнительно уменьшает уровень шума выхлопного устройства, позволяет более эффективно использовать тепло выхлопных газов в теплообменниках-рекуператорах, уменьшает нагрев вала трансмиссии, проходящей внутри диффузора, уменьшает нагрев зоны обслуживания, преимущественно при размещении турбомашины внутри контейнера.

На фиг.1 изображен общий вид выхлопного устройства турбомашины, на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1 (диффузор в разрезе), на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2 (дефлектор в разрезе).

Выхлопное устройство турбомашины содержит корпус 1 с входным отверстием 2, расположенным вокруг оси вращения 3 турбины (турбина не показана). Диффузор 4 включает осевую часть 5 и радиальную часть 6, образованные соответственно внутренней 7 и наружной 8 трактовыми стенками. Диффузор 4 обеспечивает торможение газового потока 9 и его разворот из осевого направления 10 в радиальное направление 11. В корпусе 1 установлен дефлектор 12, в наружной стенке 13 корпуса 1 расположено выходное отверстие 14. Наружная трактовая стенка 13 корпуса 1 напротив выходного отверстия 14 выполнена в поперечном сечении с эксцентриситетом 15 относительно трактовых стенок 5 диффузора 4, а также с увеличением высоты 16 пространства вокруг диффузора по мере приближения, высота поз.17, к выходному отверстию 14, см.фиг.1. Дефлектор 12 выполнен в виде наклоненной под углом α к срезу 18 диффузора 4 пластины 19, трактовая поверхность 20 которой направлена по потоку 11 на срезе 18 диффузора 4. Дефлектор 12 скреплен с наружной стенкой 13 корпуса 1 с образованием полости 21 вне тракта и расположен напротив выходного отверстия 14 перед наружной стенкой 22 диффузора 4. Объем трактовой полости 23 над пластиной 19 дефлектора 12 без объема диффузора 4 в целое число раз превышает объем полости 21 вне тракта, которая сообщена с трактовой полостью 23 щелевыми каналами 24 в месте сопряжения пластины 19 дефлектора 12 с наружной трактовой стенкой 22 диффузора 4. Трактовая поверхность 20 пластины 19 дефлектора 12 выполнена с кривизной, вогнутая 25 или выпуклая 26 часть которой направлена к срезу 18 диффузора 4. Внетрактовая поверхность 27 внутренней стенки 7 диффузора 4 снабжена теплозащитным покрытием 28 и кожухами 29, соединенными со стенкой 7 диффузора 4. Кроме того, на фиг.1 - угол β - угол разворота пластины 19 дефлектора 12, поз.30 - цапфы для крепления и разворота выходного отверстия 14 в угловом положении. На фиг.2 - цапфы 31 на передней стенке 32 корпуса 1, поз.33 - зона размещения трансмиссии, поз.34 - задняя стенка корпуса 1. На фиг.3 - поз.35 - меридианная плоскость, проходящая через ось вращения ротора турбины, угол γ - угол разворота пластины 19 дефлектора 12 относительно плоскости 35.

Работает устройство следующим образом. Поток газа, выходящий из турбины, попадает через входное отверстие 2 в диффузор 4 и далее в корпус 1, где он разворачивается дефлектором 12, делится на две части и поступает через выходное отверстие 14 в выхлопную шахту (на фиг. не показана), см. фиг.2, 3. При наличии крутки потока газа из свободной турбины относительно продольной оси 3 двигателя дефлектор 12 разворачивается на углы β и γ (см. фиг.1 и 3). При осевом выходе газа (достигается установкой спрямляющего аппарата) дефлектор 12 устанавливается симметрично относительно плоскости 35, см. фиг.3, а угол β выбирается из условия обеспечения плавного изменения проходных площадей газового тракта и оптимальной степени диффузорности. Выходящий из осевой части 5 диффузора 4 газовый поток 9 течет вдоль внутренней 7 трактовой стенки диффузора 4, наружной трактовой стенки 13 корпуса 1, наружной стенки 22 диффузора 4 и обеспечивает безотрывность потоков 9, 11 вдоль наружной стенки 22 диффузора 4 по всему его сечению. При этом полость вне тракта 21 осуществляет через щелевые каналы 24 функции резонаторной камеры Гельмгольца, выхлопной тракт 6 настраивается при помощи определенных соотношений объемов 21 и 23, углов α, β, γ на минимальные потери давления при минимальном уровне шума.

Источники информации

1. RU, патент № 2144986, 13.11.1997 г., F 01 D 25/30, F 04 D 29/54.

2. FR, патент № 2757210, F 01 D 9/00, 1996 г. - прототип.

Выхлопное устройство турбомашины содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, установленный в корпусе дефлектор и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие. Наружная трактовая стенка корпуса напротив выходного отверстия выполнена в поперечном сечении с эксцентриситетом относительно трактовых стенок диффузора, а также с увеличением высоты пространства вокруг диффузора по мере приближения к выходному отверстию. Дефлектор выполнен в виде наклоненной к срезу диффузора пластины, трактовая поверхность которой направлена по потоку на срезе диффузора. Дефлектор скреплен с наружной стенкой корпуса с образованием полости вне тракта и расположен напротив выходного отверстия перед наружной стенкой диффузора. Объем трактовой полости над пластиной дефлектора без объема диффузора в целое число раз превышает объем полости вне тракта. Полость вне тракта сообщена с трактовой полостью щелевыми каналами в месте сопряжения пластины дефлектора с наружной трактовой стенкой диффузора. Изобретение позволяет повысить экономичность выхлопного устройства и увеличить ресурс и надежность турбины. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Выхлопное устройство турбомашины, содержащее корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, установленный в корпусе дефлектор и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие, отличающееся тем, что наружная трактовая стенка корпуса напротив выходного отверстия выполнена в поперечном сечении с эксцентриситетом относительно трактовых стенок диффузора, а также с увеличением высоты пространства вокруг диффузора по мере приближения к выходному отверстию, дефлектор выполнен в виде наклоненной к срезу диффузора пластины, трактовая поверхность которой направлена по потоку на срезе диффузора, а дефлектор скреплен с наружной стенкой корпуса с образованием полости вне тракта и расположен напротив выходного отверстия перед наружной стенкой диффузора, при этом объем трактовой полости над пластиной дефлектора без объема диффузора в целое число раз превышает объем полости вне тракта, а полость вне тракта сообщена с трактовой полостью щелевыми каналами в месте сопряжения пластины дефлектора с наружной трактовой стенкой диффузора.2. Выхлопное устройство турбомашины по п.1, отличающееся тем, что трактовая поверхность пластины дефлектора выполнена с кривизной, вогнутая или выпуклая часть которой направлена к срезу диффузора.3. Выхлопное устройство турбомашины по п.1 или 2, отличающееся тем, что трактовая поверхность пластины дефлектора выполнена в форме гиперболоида вращения вокруг осевой части диффузора, причем вогнутая или выпуклая часть пластины направлена к срезу диффузора.4. Выхлопное устройство турбомашины по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что внетрактовая поверхность внутренней стенки диффузора снабжена теплозащитным покрытием и кожухами, соединенными со стенкой диффузора.