СОПЛОВОЙ АППАРАТ АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2011 года по МПК F01D9/02 F01D1/04 

Изобретение относится к конструкции сопловых аппаратов малорасходных активных турбин с парциальным подводом газа и может быть использовано в энергетическом машиностроении.

В парциальных малорасходных турбинах нашли широкое применение сопловые аппараты с коническими осесимметричными соплами (см., например, Емин О.Н., Зарицкий С.П. «Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами», Москва, Машиностроение, 1975 г., стр.16, рис.19).

Такие сопловые аппараты просты в технологическом отношении и имеют минимальные газодинамические потери в осесимметричном сопле и приемлимые аэродинамические характеристики для отдельных областей применения.

Расширению области применения противодействуют два свойства осесимметричных сопел:

- выходное сечение таких сопел на плоскости косого среза имеет вид эллипса и плохо согласуется с прямоугольным входным сечением каналов рабочего колеса турбины;

- высота лопатки ограничивает степень расширения сопла и вынуждает использовать сложные в конструктивном исполнении многосопельные сопловые аппараты.

Известны также сопловые аппараты с соплами прямоугольного сечения, выходные сечения которых лучше согласуются с прямоугольными входными сечениями рабочих решеток колеса турбины и способны реализовать высокие степени расширения газового потока. В частности, известен сопловой аппарат, содержащий сопло прямоугольного сечения, включающее разгонный и выходной участки, в котором выходное сечение сопла по косому срезу имеет средний радиус, равный среднему радиусу рабочих решеток колеса, проекция продольной оси симметрии разгонного участка на плоскость соплового аппарата размещена по касательной к окружности, образованной средним радиусом турбинной ступени (см. патент РФ №2232902 с приоритетом от 05.07.2002 г., МПК (7) F01D 9/02 - прототип изобретения). В сравнении с осесимметричными соплами сопла прямоугольного сечения менее технологичны и имеют повышенные газодинамические потери.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является минимизация недостатков соплового аппарата.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в создании соплового аппарата, обладающего только полезными свойствами известных конструктивных решений.

Поставленная задача решается тем, что в сопловом аппарате осевой турбины, содержащем сопло, имеющее разгонный участок и выхлопной участок, в котором выходное сечение сопла на плоскости косого среза имеет средний радиус, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины, в отличие от прототипа, разгонный участок выполнен из осесимметричного сопла и изогнутого расширяющегося канала, ширина которого постоянна и равна диаметру выходного сечения осесимметричного сопла, а высота канала выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения осесимметричного сопла до максимального значения на выходном участке соплового аппарата, при этом ось осесимметричного сопла выполнена по касательной к окружности среднего радиуса изгиба расширяющегося канала, выходное сечение осесимметричного сопла не превышает высоты лопаток рабочей решетки турбины, а поверхность расширяющегося канала образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями со средним радиусом изгиба, равным среднему радиусу выходного сечения сопла на плоскости косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями, диаметр которых равен диаметру выходного сечения осесимметричного сопла.

Заявленное исполнение соплового аппарата активной турбины реализует положительные свойства осесимметричных сопел (простота и технологичность, минимальные газодинамические потери в сопле) и сопел прямоугольного сечения (выходное сечение хорошо согласуется с прямоугольным входным сечением рабочей решетки колеса турбины, степень расширения газового потока в сопле не ограничивается высотой лопатки) при минимизации их недостатков (овальное выходное сечение на плоскости косого среза и ограничение степени расширения высотой лопатки (осесимметричные сопла), меньшая технологичность и повышенные потери в соплах прямоугольного сечения).

На фиг.1 показано поперечное сечение турбины.

На фиг.2 дана развертка по сечению А-А.

На фиг.3 показано сечение Б-Б сопла.

Сопловой аппарат содержит сопло 1, имеющее разгонный участок 2 и выходной участок 3, в котором выходное сечение 4 сопла на плоскости косого среза 5 имеет средний радиус изгиба R_ср.из, равный среднему радиусу R_ср рабочей решетки 6 колеса 7 турбины.

Разгонный участок 2 сопла выполнен из осесимметричного сопла 8 с критическим сечением d_кр и выходным сечением d₁ и изогнутого расширяющегося канала 9, ширина которого h_c постоянна и равна диаметру выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8, а высота В канала 9 выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8 до максимального значения на выходном участке 3 соплового аппарата.

Ось осесимметричного сопла 8 выполнена по касательной 10 к окружности среднего радиуса изгиба R_ц.ср.из расширяющегося канала 9, выходное сечение d₁ осесимметричного сопла 8 не превышает высоты h_л лопаток рабочей решетки 6 турбины, а поверхность расширяющегося канала 9 образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями 11 и 12 со средним радиусом изгиба R_ц.ср.из, равным среднему радиусу R_ср.из выходного сечения на плоскости 5 косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями 13 и 14, диаметр которых равен диаметру выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8.

Во время работы соплового аппарата активной турбины от источника повышенного давления подается газ в сопло 1, который разгоняется в разгонном участке 2 и через выходной участок 3 поступает на рабочие решетки 6 колеса 7, приводя ее во вращение.

При течении газового потока в разгонном участке 2 газодинамические потери минимальны и определяются потерями на трение.

Использование заявленного соплового аппарата позволит повысить КПД активной турбины.

Сопловой аппарат активной турбины содержит сопло, имеющее разгонный участок и выходной участок, в котором выходное сечение сопла на плоскости косого среза имеет средний радиус изгиба, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины. В сопле разгонный участок выполнен из осесимметричного сопла и изогнутого расширяющегося канала. Ширина канала постоянна и равна диаметру выходного сечения осесимметричного сопла. Высота канала выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения осесимметричного сопла до максимального значения на выходном участке соплового аппарата. Ось осесимметричного сопла выполнена по касательной к окружности среднего радиуса изгиба расширяющегося канала. Выходное сечение осесимметричного сопла не превышает высоты лопаток рабочей решетки турбины. Поверхность расширяющегося канала образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями со средним радиусом изгиба, равным среднему радиусу выходного сечения сопла на плоскости косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями, диаметр которых равен диаметру выходного сечения осесимметричного сопла. Достигается простота и технологичность, минимальные газодинамические потери в сопле, степень расширения газового потока в сопле не ограничивается высотой лопатки. 3 ил.

Сопловой аппарат активной турбины, содержащий сопло, имеющее разгонный участок и выходной участок, в котором выходное сечение сопла на плоскости косого среза имеет средний радиус изгиба, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины, отличающийся тем, что в нем разгонный участок выполнен из осесимметричного сопла и изогнутого расширяющегося канала, ширина которого постоянна и равна диаметру выходного сечения осесимметричного сопла, а высота канала выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения осесимметричного сопла до максимального значения на выходном участке соплового аппарата, при этом ось осесимметричного сопла выполнена по касательной к окружности среднего радиуса изгиба расширяющегося канала, выходное сечение осесимметричного сопла не превышает высоты лопаток рабочей решетки турбины, а поверхность расширяющегося канала образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями со средним радиусом изгиба, равным среднему радиусу выходного сечения сопла на плоскости косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями, диаметр которых равен диаметру выходного сечения осесимметричного сопла.