РЕГУЛИРУЕМЫЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ ТУРБИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F01D17/12 F01D9/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использовано в транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания.

Известен регулируемый направляющий аппарат турбомашины [1], который содержит наружную и внутреннюю обечайки с фигурными прорезями, в которых установлены с возможностью перемещения пластинчатые лопатки, связанные с приводом. Привод выполнен в виде обоймы, установленной на шлицах на валу с возможностью осевого перемещения, шарнирно соединенных с обоймой рычагов с грузами, подшипника и связанной с ним втулки, подпружиненной относительно внутренней обечайки, причем лопатки закреплены на наружной поверхности втулки.

При запуске турбомашины с увеличением частоты вращения вала грузы под действием центробежной силы посредством рычагов смещают обойму по шлицам вала. Обойма передает усилие через подшипник втулке, и пластинчатые лопатки перемещаются в прорезях и принимают обусловленную конфигурацией последних форму. Жесткость пружин ограничивает перемещение лопаток. При дальнейшем увеличении частоты вращения вала в результате соответствующего перемещения лопаток угол закрутки потока на входе в рабочее колесо возрастает.

При снижении частоты вращения вала центробежная сила, действующая на грузы, уменьшается, втулка и обойма под действием пружин удаляются от колеса, лопатки перемещаются в прорезях, и угол закрутки потока на входе в колесо уменьшается.

Недостатком этого технического решения является сложность устройства для регулирования направления потока на входе в рабочее колесо турбины.

Известна регулируемая турбомашина [2], содержащая корпус с двумя симметричными кольцевыми камерами, в которых размещен подвижный в осевом направлении радиальный сопловой аппарат, выполненный в виде отдельных секций с различными характеристиками, разделенных радиальными перегородками и размещенных в кольцевых камерах.

Для повышения КПД регулируемой турбомашины на различных нагрузках при изменении режима работы перемещают в осевом направлении радиальный сопловой аппарат и перед рабочим колесом устанавливают секцию, лопатки которой имеют профиль и конструктивные углы, оптимальные для данного режима работы.

Недостатком этого технического решения является сложность устройства для изменения угла установки лопаток путем перестановки секций многосекционного соплового аппарата турбомашины.

Известен регулируемый сопловой аппарат радиально-осевой турбины [3], содержащий расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями и поворотное кольцо, причем сопловой аппарат снабжен поворотными втулками, имеющими зубчатые колеса, и соосно с ними расположенными промежуточными шестернями; приводное кольцо выполнено в виде двух зубчатых венцов, соответственно взаимодействующих с зубчатыми колесами поворотных втулок и через промежуточные шестерни с зубчатыми колесами поворотных осей лопаток соплового аппарата.

При номинальном режиме работы лопатки с поворотными осями находятся в определенном положении и имеют заданные углы установки, что обеспечивает требуемый расход рабочей среды. Для получения нового режима работы турбины с изменением расхода газа от исполнительного механизма привода передается усилие на поворотное кольцо, заставляя его поворачиваться. При этом через пары соответствующих зубчатых зацеплений обеспечивается поворот осей лопаток и в новом положении устанавливаются новые геометрические параметры соплового аппарата.

Недостатком этого технического решения, принятого за прототип, является сложность работы устройства для регулирования соплового аппарата турбины.

Цель изобретения - повышение экономичности работы турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата.

Поставленная цель достигается в регулируемом сопловом аппарате турбины, который содержит лопатки, размещенные на составных поворотных осях, секции которых выполнены из материалов, обладающих эффектом памяти формы.

Новым в регулируемом сопловом аппарате турбины является выполнение составных поворотных осей из секций, изготовленных из материалов, обладающих эффектом памяти формы, например из сплавов на основе железа и никеля [4].

На фиг.1 представлен сопловой аппарат турбины, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1 после поворота составных осей при изменении режима работы турбины.

Поворот составных осей и, следовательно, сопловых лопаток происходит при изменении режима работы двигателя в результате мартенситного превращения в секциях поворотных составных осей при изменении температуры рабочей среды, омывающей при работе турбины лопатки соплового аппарата и их поворотные составные оси.

Регулируемый сопловой аппарат турбины (фиг.1) содержит расположенные между корпусами 3 и 4 рабочие лопатки 1 ротора турбины и сопловые лопатки 2 с поворотными составными осями 9, закрепленные одним концом в корпусе 4, а другим концом соединенные с лопатками 2, причем поворотные составные оси состоят из нескольких секций 5, 6, 7, 8, число которых для более плавного регулирования углов установки лопаток выбирается возможно большим.

Регулируемый сопловой аппарат работает следующим образом. При увеличении нагрузки турбины возрастает температура рабочей среды, омывающей сопловые лопатки 2 и их составные поворотные оси 9, выполненные в виде секций 5, 6, 7, 8 из материалов, обладающих эффектом памяти формы, в которых мартенситное превращение происходит в каждой секции отдельно при различной последовательно возрастающей температуре. Поворот составных осей 9 и, следовательно, сопловых лопаток 2 происходит при изменении режима работы турбины в результате мартенситного превращения материала, обладающего эффектом памяти формы, в секциях поворотных осей при изменении температуры рабочей среды. На фиг.2 показано исходное положение сопловой лопатки 2 и ее положение при различных углах поворота составной поворотной оси 9. При некотором увеличении температуры рабочей среды при возрастании нагрузки турбины происходит поворот секции 5 составной поворотной оси и лопатка 2 занимает положение 10, а при дальнейшем нагреве лопатки 2 и секций поворотной оси 9 в результате мартенситного превращения в секции 6 происходит ее поворот и сопловая лопатка 2 занимает положение 11. При последующем нагреве рабочей среды при увеличении нагрузки турбины происходит последовательный поворот секций 7 и 8, в результате чего сопловая лопатка 2 поворачивается на еще больший угол. При снижении нагрузки турбины лопатки соплового аппарата поворачиваются в противоположном направлении вследствие уменьшения температуры рабочей среды и обратного мартенситного превращения в материалах секций составных поворотных осей.

Таким образом, использование предлагаемого регулируемого соплового аппарата способствует повышению экономичности работы турбины путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток в широком диапазоне эксплуатационных нагрузочных режимов.

Источники информации

1. А.С. СССР № 1645570 А1, опубл. 30.04.91, бюл. № 16.

2. А.С. СССР № 1219831 А, опубл. 23.03.86, бюл. № 11.

3. А.С. СССР № 1544990 А1, опубл. 23.02.90, бюл. № 7.

4. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении./ А.С.Тихонов, А.П.Герасимов, И.И.Прохорова - М., Машиностроение, 1981, - 80 с.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использовано в транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания. Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями. Поворотные оси выполнены составными из материалов, обладающих эффектом памяти формы. В качестве материалов, обладающих эффектом памяти формы, использованы сплавы на основе железа и никеля, в которых мартенситное превращение происходит при различной температуре. Изобретение позволяет повысить экономичность работы турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Регулируемый сопловой аппарат турбины, содержащий расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями, отличающийся тем, что поворотные оси выполнены составными из материалов, обладающих эффектом памяти формы.2. Регулируемый сопловой аппарат турбины по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов, обладающих эффектом памяти формы, использованы сплавы на основе железа и никеля, в которых мартенситное превращение происходит при различной температуре.