СОПЛОВОЙ АППАРАТ ОСЕВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F01D9/02 

Изобретение относится к малорасходным турбинам, которые широко применяются в теплоэнергетике, судостроении. Кроме того, турбины используют в составе системы жизнеобеспечения для аппаратов, применяемых в авиации и космонавтике, в мобильных электростанциях, т.е. в тех областях техники, где жесткое требование мобильности и массогабаритные показатели ограничивают расход рабочего тела.

Известны сопловые аппараты с осесимметричными соплами (см. Емин О.Н., Зарицкий С.П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами, Москва, Машиностроение, 1975 г., стр. 16, рис. 1.9).

На практике осесимметричные сопла не применяют с конструктивным углом выхода потока меньше 12° из-за вытянутого эллипса на выходе, что приводит к необходимости снижать степень впуска рабочего тела. По этой же причине, даже при традиционных углах выхода у таких сопловых аппаратов имеется теневая зона, которая увеличивает потери, связанные с парциальностью. Кроме того, выходное сечение в виде эллипса плохо согласуется с входным сечением каналов рабочих колес, которые имеют прямоугольное сечение и, по этой причине, необходимо увеличивать длину рабочих лопаток для того, чтобы они перекрывали самую удаленную от центра точку выходного эллипса. Это связано с появлением дополнительных потерь, связанных с внезапным расширением потока на входе в рабочую решетку, а при наличии частичного подвода и потерь на вентиляцию пассивного рабочего тела.

Известны также сопловые аппараты, содержащие сопла прямоугольного сечения, включающие разгонный и выходной участки. (Паровые и газовые турбины, М.А.Трубилов и др., Москва, Энергоатомиздат, 1985, стр. 55, рис. 2.25; Авторское свидетельство SU 1216376 A (прототип)).

Недостатком известных сопловых аппаратов с соплами прямоугольного сечения является то, что они обладают недостаточно высокой эффективностью. Это связано с вторичными течениями, вызываемыми поперечным градиентом давления. Градиент возникает в результате криволинейного движения потока в разгонной части сопел. Под действием градиента давления частицы под действием центробежных сил приобретают поперечную составляющую скорости, в результате чего появляется вторичный вихрь, который снижает эффективность сопла, кроме этого, негативное влияние на работу сопел оказывает неравномерное распределение эпюры скорости потока при его переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости и при выходе в косой срез.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение коэффициента скорости соплового аппарата.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в получении максимально достижимой скорости потока перед выходным участком и равномерной эпюры скорости рабочего тела при выходе из разгонного участка, а также отсутствии “парного вихря”.

Поставленная задача решается тем, что сопловой аппарат, содержащий сопло прямоугольного сечения, включающий разгонный и выходной участки, отличатся тем, что продольная ось разгонного участка выполнена прямолинейной и ее проекция на плоскость соплового аппарата размещена по касательной к окружности, образованной средним диаметром турбинной ступени.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию “новизна”.

При этом совокупность отличительных признаков формулы изобретения позволяет получить максимально достижимую скорость потока перед выходным участком и равномерную эпюру скорости рабочего тела при выходе из разгонного участка, а также отсутствие “парного вихря”, что приводит к повышению коэффициента скорости сопловых аппаратов.

На чертеже показана предложенная конструкция соплового аппарата.

Сопловой аппарат состоит из двух участков: разгонного 1 и выходного 2. Продольную ось 3 разгонного участка 1 выполняют прямолинейной и без изломов (по типу осесимметричных сопел) и размещают по касательной к окружности 4, образованной средним диаметром (Dcp) турбинной ступени.

Перед разгонным участком 1 находится рабочее тело с высокими параметрами (температурой и давлением), за сопловым аппаратом параметры рабочего тела ниже. За счет градиента получаем перепад энтальпии и рабочее тело разгоняется. При разгоне рабочего тела в разгонном участке 1 не образуются вторичные течения, что позволяет получить максимально достижимую скорость потока перед выходным участком 2.

Кроме того, равномерная эпюра скорости рабочего тела при выходе из разгонного участка 1 и отсутствие “парного вихря” также положительно влияют на эффективность соплового аппарата в целом.

Применение предлагаемых сопловых аппаратов позволит повысить кпд осевых турбин за счет повышения коэффициента скорости сопел. Особенно это относится к турбинам с малыми размерами и турбинам, в которых для решения проблемы, связанной с парциальностью, используются рабочие колеса с большим углом поворота потока в каналах. В таких турбинах используются сопловые аппараты с малыми конструктивными углами выхода потока, благодаря чему турбины выполняются с полным впуском рабочего тела.

Сопловой аппарат осевой турбины содержит сопло прямоугольного сечения и включает разгонный и выходной участки. Продольная ось разгонного участка выполнена прямолинейной. Проекция продольной оси разгонного участка на плоскость соплового аппарата размещена по касательной к окружности, образованной средним диаметром турбинной ступени. Изобретение позволит получить максимально достижимую скорость потока перед входным участком и получить равномерную эпюру скорости рабочего тела при выходе из разгонного участка при отсутствии “парного вихря”. 1 ил.

Сопловой аппарат, содержащий сопло прямоугольного сечения, включающий разгонный и выходной участки, отличающийся тем, что продольная ось разгонного участка выполнена прямолинейной и ее проекция на плоскость соплового аппарата размещена по касательной к окружности, образованной средним диаметром турбинной ступени.