ТУРБИНА Российский патент 2009 года по МПК F01D5/14 F01D5/30 

Изобретение относится к турбинным силовым установкам, в частности к газотурбинным двигателям.

Известны газотурбинные двигатели, включающие компрессор, камеры сгорания, сопловой направляющий аппарат и турбину, содержащую по меньшей мере одно рабочее колесо, по периметру которого выполнены профилированные пазы, боковые стороны которых имеют выступы и впадины, в пазах установлены своими соответственно профилированными основаниями рабочие лопатки с дугообразным поперечным сечением их рабочей части, лопатки в радиальном направлении заканчиваются поперечными пластинами, лопатки могут содержать каналы для их дополнительного охлаждения.

См. журнал «Наука и жизнь» №8, 1974 г., стр.78-87 «Газовая турбина сегодня и завтра».

Недостатком известных газотурбинных двигателей можно считать относительно низкий механический КПД отдельно взятой ступени турбины. Конструктивно это связанно в частности с тем, что поперечный размер лопатки имеет относительно малую величину, составляющую примерно 30%-50% от высоты рабочей части лопатки (см. фиг.4). Это обусловлено спецификой крепления лопатки на колесе турбины, когда основание лопатки (при виде сверху) имеет конфигурацию относительно узкого прямоугольника или параллелограмма, что обуславливает короткий по продолжительности и малый по площади динамический контакт каждой отдельно рассматриваемой «порции» газа с вогнутой поверхностью лопатки, при котором лопатке передается только незначительная часть кинетической энергии струи газа. Особенно это существенно для двигателя, который является в основном (или только) механическим приводом. В этой связи для увеличения механической мощности двигателя его турбину делают многоступенчатой, а для увеличения КПД двигателя увеличивают параметры газа перед турбиной, что в свою очередь требует повышения жаропрочности и специального охлаждения лопаток, что соответственно усложняет и удорожает двигатель.

Задачей изобретения является повышение механического КПД турбины за счет более полного использования кинетической энергии газа на каждой ступени турбины.

Указанная задача решается в турбине, включающей направляющий сопловой аппарат и, по меньшей мере, одно установленное на валу рабочее колесо с выполненными по его периметру профилированными пазами, боковые стенки которых содержат выступы и впадины; в пазах установлены и зафиксированы своими соответственно профилированными основаниями рабочие лопатки с дугообразным поперечным сечением и их рабочей части и содержащие нижнюю и верхнюю поперечные пластины, ограничивающие проточную часть турбины в радиальном направлении, поперечные пластины соседних лопаток, причем в отличие от аналогов ширина рабочей лопатки по выпуклой стороне профиля ее поперечного сечения составляет 0,6 и более длины ее рабочей части, профилированные пазы на колесе турбины выполнены дугообразными, с переменной площадью их поперечного сечения, а выступы и впадины боковых стенок пазов образованы дугами разного радиуса, лежащими в параллельных плоскостях, при этом центры этих дуг находятся на параллельных прямых, расположенных в пределах рабочего колеса, ближе к его задней торцевой плоскости, профиль поперечного сечения основания лопатки выполнен в соответствии с профилем поперечного сечения паза колеса, когда лопатка находится в рабочем положении с возможностью перемещения лопатки вдоль паза колеса, нижняя и верхняя поперечные пластины выполнены тоже дугообразными, при этом боковые поверхности пластин образованны дугами, центры которых лежат на одной из параллельных прямых, на которых лежат центры дуг, образующих соответствующие соседние пазы колеса, и на прямой, смещенной от параллельной прямой на угол α где «n» - число лопаток колеса турбины.

В результате увеличения ширины и глубины вогнутости лопаток в турбине более полно используется кинетическая энергия газа, и соответственно повышается КПД каждой ступени турбины.

На фиг.1 показан фрагмент колеса турбины с частичным разрезом и схемой построения пазов колеса турбины и ее лопаток (вид сзади).

На фиг.2 показана схема построения профилированных пазов на колесе турбины и нижних и верхних поперечных пластин лопаток турбины (вид сверху). Цилиндрическая поверхность показана как плоская поверхность, с двумя секущими плоскостями.

На фиг.3 показан фрагмент конструктивной схемы турбины (продольный разрез).

Турбина включает неподвижный направляющий сопловой аппарат - 1, рабочее колесо - 2, на котором выполнены дугообразные профилированные пазы - 3, боковые стенки пазов 3 имеют выступы и впадины, в пазах установлены лопатки - 4, содержащие соответственно профилированные основания - 5, а также нижние - 6 и верхние - 7 поперечные пластины, причем поперечный размер лопатки по выпуклой стороне профиля ее поперечного сечения «L» (фиг.2) составляют 0,6-1,5 длины ее рабочей части - «Н» (фиг.1). Профилированные пазы колеса турбины образованы дугами - r₁, r₂, r₃, r₄, при этом центры дуг r₁ и r₂ лежат на прямой «М», а центры дуг r₃ и r₄ лежат на прямой «N», при этом прямые М и N параллельны друг другу. Центры дуг, образующих боковые стороны нижней 6 и верхней 7 пластин, образованы дугами r₅, r₆ и r₇, r₈, при этом центры дуг r₅ и r₆ лежат на упомянутой прямой N, а центры дуг r₇ и r₈ лежат на прямой - N₁, смещенной от прямой N в сторону рабочего вращения колеса турбины на угол α=360°/n, где n - число лопаток турбины, лопатки 4 зафиксированы в пазу 5 винтом 8.

Турбина работает и дает положительный результат следующим образом:

Газ из камеры сгорания с большой скоростью истекает через сопловой направляющий аппарат 1 в виде направленных струй под острым углом к плоскости вращения турбины, устремляется на вогнутую рабочую часть лопаток - 4, оказывая на последние активное динамическое давление, затем вынужденно изменив направление движения и частично потеряв энергию газ истекает в обратном направлении, при этом благодаря увеличенной ширине и глубине рабочей части лопаток в заявленной турбине каждая отдельно рассматриваемая «порция» газа оказывает активное динамическое давление на лопатки значительно большее время и на большей площади (при равной с аналогом скорости газа), в результате увеличения ширины и глубины вогнутости лопаток в турбине более полно используется кинетическая энергия газа и соответственно повышается КПД каждой ступени турбины.

Турбина содержит неподвижный направляющий сопловой аппарат и, по меньшей мере, одно установленное на валу рабочее колесо с выполненными по его периметру профилированными пазами, боковые стенки которых содержат выступы и впадины. В пазах установлены рабочие лопатки с дугообразным поперечным сечением их рабочей части и содержащие нижнюю и верхнюю поперечные пластины, соприкасающиеся своими боковыми сторонами с поперечными пластинами соседних лопаток. Ширина рабочей лопатки по выпуклой стороне профиля ее поперечного сечения составляет 0.6 и более длины ее рабочей части. Профилированные пазы на колесе турбины выполнены дугообразными с переменной площадью их поперечного сечения. Выступы и впадины боковых стенок пазов образованы дугами разного радиуса, лежащими в параллельных плоскостях. Центры этих дуг находятся на параллельных прямых, расположенных в пределах рабочего колеса, ближе к его задней торцевой плоскости. Профиль поперечного сечения основания лопатки выполнен в соответствии с профилем поперечного сечения паза колеса, когда лопатка находится в рабочем положении с возможностью перемещения лопатки вдоль паза колеса. Нижняя и верхняя поперечные пластины выполнены тоже дугообразными, их боковые поверхности образованы дугами, центры которых лежат на одной из параллельных прямых, на которых лежат центры дуг, образующих соответствующие соседние пазы колеса, и на прямой, смещенной от параллельной прямой на угол α=360/n, где n - число лопаток колеса турбины. Изобретение направлено на повышение КПД турбины. 3 ил.

Турбина, включающая неподвижный направляющий сопловой аппарат и, по меньшей мере, одно, установленное на валу, рабочее колесо с выполненными по его периметру профилированными пазами, боковые стенки которых содержат выступы и впадины, в пазах установлены и зафиксированы своими, соответственно, профилированными основаниями, рабочие лопатки с дугообразным поперечным сечением их рабочей части и содержащие нижнюю и верхнюю поперечные пластины, соприкасающиеся своими боковыми сторонами с поперечными пластинами соседних лопаток, отличающаяся тем, что ширина рабочей лопатки по выпуклой стороне профиля ее поперечного сечения составляет 0,6 и более длины ее рабочей части, профилированные пазы на колесе турбины выполнены дугообразными с переменной площадью их поперечного сечения, а выступы и впадины боковых стенок пазов образованы дугами разного радиуса, лежащими в параллельных плоскостях, при этом центры этих дуг находятся на параллельных прямых, расположенных в пределах рабочего колеса, ближе к его задней торцевой плоскости, профиль поперечного сечения основания лопатки выполнен в соответствии с профилем поперечного сечения паза колеса, когда лопатка находится в рабочем положении с возможностью перемещения лопатки вдоль паза колеса, нижняя и верхняя поперечные пластины выполнены тоже дугообразными, при этом боковые поверхности пластин образованы дугами, центры которых лежат на одной из параллельных прямых, на которых лежат центры дуг, образующих соответствующие соседние пазы колеса, и на прямой, смещенной от параллельной прямой на угол α=360/n, где n - число лопаток колеса турбины.