ВЕНЕЦ ТУРБИНЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ (ВТПЭ)-А (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК F01D9/04 F01D5/00 

Изобретение используется в области проектирования и конструкции газовых, паровых других турбин лопаточных машин повышенной эффективности.

Существующие газовые турбины достигли определенного предельного уровня КПД. Дальнейшее повышение их эффективности возможно при изменении конструкции самой решетки.

Обосновать предлагаемый способ изменения конструкции венца турбины (ВТ) можно следующим образом.

Применяем теорему о моменте количества движения в лопаточной машине, используем уравнение Эйлера, связывающее мощность ступени турбины N (или удельную работу турбины L_T) и скорость рабочего тела на выходе из сопловой и рабочей решеток

N=G(c_1u·u₁-c_2u·u₂), L_T=N/G=(c_1u·u₁-c_2u·u₂), смотри [1]

где G - расход рабочего тела через турбину;

c_1u - проекция выходной абсолютной скорости с₁ рабочего тела из сопловой решетки на направление фронта решетки, то есть на вектор окружной скорости u₁ на входе в рабочее колесо;

c_2u - проекция выходной абсолютной скорости c₂ рабочего тела из рабочей решетки на направление фронта решетки, то есть на вектор окружной скорости u₂ на выходе из рабочего колеса.

Чтобы обеспечить работу L_T при расходе G, необходимо получить окружные составляющие скорости c_1u, c_2u при любой температуре и давлении потока газа в турбине, а также при выходных углах α₁ и β₂ из сопловой и рабочей решеток, то есть получить необходимые скорости c₁ и c₂. Расход G в лопаточном венце турбины определяется самым узким местом межлопаточного канала венца - горлом a_г, расположенным в месте выходной кромки профиля лопатки и начале косого среза, смотри (1) фиг.1, где показано течение газа в межлопаточном канале венца турбины. Поток газа, двигаясь в межлопаточном канале от горла к выходному сечению, расширяясь от горла а_г к а₁≥а_г+r+r₂ - ширине потока в выходном сечении венца (здесь: r - радиус выходной кромки; r₂ - радиус окружности, вписанной в профиль в месте касания горла спинки лопатки), теряет при этом скорость. Кроме этого, скорость потока падает еще больше из-за расширения проточной части по высоте в меридиональном сечении и угла отклонения в косом срезе. В существующих конструкциях турбин высота венца турбины увеличивается в меридиональном сечении от входа к выходу, в редких случаях она остается постоянной и никогда не уменьшается к выходу из венца, что связано с уменьшением плотности рабочего тела вдоль тракта турбины, смотри [1]. При достижении в горле решетки первого критического перепада давления при скорости потока газа λ_г=1 и G_г1 через решетку существует некоторое предельное значения λ^*<λ_г≤1 в выходном сечении решетки. В конструкциях современных турбин, начиная со значения λ^*, получить дозвуковой поток газа в выходном сечении решетки λ_вых=λ₁ в диапазоне λ^*<λ_вых≤1 невозможно. Такую скорость имеет только осредненный поток, состоящий из сверхзвуковой и дозвуковой составляющих. Расчетные оценки показывают, что повышение приведенной скорости λ_вых в выходном сечении венца выше предельного λ^* (λ_вых>λ^*) может дать значительный экономический эффект за счет снижения температуры газа перед турбиной (понижение температуры газа Т^* _г перед турбиной уменьшает критическую скорость звука и при той же скорости c₁ на выходе из венца повышает приведенную скорость λ_вых=с₁/а_кр>λ^*). Снижение температуры газа перед турбиной при обеспечении одной и той же мощности турбины приводит к снижению расхода топлива и тем самым увеличивает КПД двигателя.

На основании изложенного встает задача устранения потери скорости в косом срезе и дополнительного уменьшения потерь, связанных с поворотом потока в решетке турбины.

Решением задачи устранения потери скорости после горла в выходном сечении лопаточного венца турбины ВТ может быть способ построения конструкции венца турбины повышенной эффективности (ВТПЭ) со следующими мероприятиями:

- в отличие от существующих венцов турбины ВТ, у которых в меридиональном сечении высота лопатки увеличивается от входа к выходу или постоянна, в венцах турбины ВТПЭ межлопаточный канал турбинной решетки разделяют на два участка: первый участок поворота потока рабочего тела, где изменяют высоту меридиональных обводов канала на всем первом участке (то есть высоту либо увеличивают, либо уменьшают, но при этом высота проточной части канала венца ВТПЭ больше высоты канала венца ВТ в соответствующем месте канала) или оставляют высоту постоянной либо на всем первом участке, либо на его части, изменяя при этом высоту на оставшихся части или частях первого участка, где понижена скорость обтекания профиля лопатки при повороте потока по сравнению с обычным венцом ВТ, и создают второй участок разгона потока с дополнительным поворотом или без него межлопаточного канала, с уменьшением высоты меридиональных обводов решетки, площади проходного сечения межлопаточного канала до определенной границы, связанной с горловым сечением или поверхностью в закрученных лопатках (в отдельных случаях это может быть условное горловое сечение, что поясняется ниже), после которой изменяют высоту канала так, чтобы обеспечить увеличение площади проходного сечения, при этом высота может уменьшаться, но с другой скоростью изменения высоты, быть постоянной или увеличиваться, а за фронтальным выходным сечением венца устанавливают сверху на периферии и снизу у втулки проточной части кольцевые выступы - козырьки;

- формируют горловое, самое узкое, сечение межлопаточного канала турбинной решетки ВТПЭ (у решетки ВТ горловое сечение находится в начале косого среза) на втором участке разгона решетки, где существует множество возможных местоположений горлового сечения, в том числе подмножество из области местоположений вблизи фронтального выходного сечения решетки, смотри (4) фиг.3, включающей в себя, в том числе, местоположение горлового сечения, когда условный центр или центр условного горлового сечения, смотри (14) фиг.3, расположен на поверхности фронтального выходного сечения турбинного венца (условное горловое сечение не совпадает, а только пересекается с фронтальным выходным сечением, смотри ниже определение условного горлового сечения и центра), то есть на втором участке разгона потока у венца существует множество возможных местоположений размещения горлового сечения межлопаточного канала в зависимости от конструктивной реализации венца, смотри фиг.2, 3, 4.

На фиг.1…8 показаны венцы ВТ и ВТПЭ с элементами геометрии венцов.

Фиг.1 - течение газа в межлопаточном канале венца турбины ВТ.

Фиг.2 - сравнение меридиональных обводов венцов ВТ и ВТПЭ.

Фиг.3 - сравнение сечений межлопаточных каналов и профилей обычной лопатки ВТ и лопатки ВТПЭ.

Фиг.4 - вариант венца ВТПЭ.

Фиг.5 - меридиональное сечение соплового и рабочего колеса радиально-осевой турбины с ВТ и ВТПЭ.

Фиг.6 - сечение межлопаточного канала рабочего колеса радиально-осевой турбины с ВТ и ВТПЭ.

Фиг.7 - меридиональное сечение соплового и рабочего колеса радиально-центробежной турбины с ВТ и ВТПЭ.

Фиг.8 - показано меридиональное сечение соплового и рабочего колеса радиальной турбины с ВТ и ВТПЭ.

На фиг.1…8 цифрами показаны следующие элементы решеток:

1 - горло венца турбины ВТ с вписанной в межлопаточный канал окружностью; 2 - фронтальное, выходное сечение венца турбины ВТ; 3 - профиль лопатки венца турбины ВТ; 4 - область фронтального выходного сечения и возможных местоположений горла венца турбины ВТПЭ; 5 - фронтальное, выходное сечение венца турбины ВТПЭ; 6 - профиль лопатки венца турбины ВТПЭ; 7 - кольцевые выступы-козырьки, окружающие проточную часть турбины на выходе из венца ВТПЭ; 8 - обводы проточной части венца осевой или радиальной турбины ВТ; 9 - обводы проточной части венца осевой или радиальной турбины ВТПЭ, 10 - лопаточная стенка расширенного межлопаточного канала, 11 - условная газовая стенка расширенного межлопаточного канала, 12 - последнее сечение расширенного межлопаточного канала, 13 - узкое место сечения межлопаточного канала ВТПЭ, совпадающее с горловой поверхностью только в частном случае; 14 - оптимальное и наиболее эффективное горловое сечение межлопаточного канала венца ВТПЭ с вписанной окружностью; 15а - меридиональный разрез соплового аппарата радиальной или радиально-осевой турбины ВТ; 15б - сечение межлопаточного канала соплового аппарата радиальной или радиально-осевой турбины; 16а - меридиональный разрез соплового аппарата радиальной или радиально-осевой турбины с мероприятиями ВТПЭ; 16б - сечение межлопаточного канала соплового аппарата радиальной или радиально-осевой турбины с мероприятиями ВТПЭ; 17 - рабочее колесо радиально-осевой турбины; 18 - сопловой аппарат радиально-центробежной турбины; 18а - меридиональное сечение соплового аппарата радиально-центробежной турбины; 18б -сечение межлопаточного канала соплового аппарата радиально-центробежной турбины; 19а - меридиональное сечение соплового аппарата радиально-центробежной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 19б - сечение межлопаточного канала соплового аппарата радиально-центробежной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 20 - рабочее колесо радиально-центробежной турбины; 20а - меридиональное сечение рабочего колеса (венца) радиально-центробежной турбины; 20б - сечение межлопаточного канала рабочего колеса (венца) радиально-центробежной турбины; 21а - меридиональное сечение рабочего колеса (венца) радиально-центробежной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 21б - сечение межлопаточного канала рабочего колеса (венца) радиально-центробежной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 22а - меридиональное сечение рабочего колеса (венца) радиальной турбины; 22б - сечение межлопаточного канала рабочего колеса (венца) радиальной турбины; 23а - меридиональное сечение рабочего колеса (венца) радиальной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 23б - сечение межлопаточного канала рабочего колеса (венца) радиальной турбины с мероприятиями ВТПЭ; 24 - выходное устройство радиальной турбины.

При формировании горлового сечения межлопаточного канала в области фронтального выходного сечения, то есть в области косого среза венца, смотри (4) фиг.3, расширяем понятие межлопаточного канала путем построения канала таким образом, что часть горлового сечения межлопаточного канала имеет твердую стенку в виде пера лопатки смотри (10) фиг.1, 3, поверхностей вращения, образованных меридиональными обводами проточной части решетки вокруг оси турбины и кольцевых выступов за фронтальным выходным сечением решетки, а часть условную газовую стенку -граничную поверхность по газовому потоку, совпадающую с осредненными границами струй, сходящих с противоположной стенки канала (применение условной осредненной границы сечения обусловлено тем, что из-за смешения потоков газа, истекающих из двух соседних межлопаточных каналов, граница между этими потоками газа становится размытой и исчезает по мере удаления от выходной кромки пера лопатки, усредняя, например, зону смешения соседних каналов с учетом угла отклонения потока в косом срезе и по приблизительному постоянству расхода рабочего тела через один межлопаточный канал), то есть истекающей из одного межлопаточного канала и определяемую законами механики газа, смотри (11) фиг.1, 3. Считаем газовую стенку частью условного проходного сечения расширенного межлопаточного канала. Условную продолжительность межлопаточного канала вместе с твердой и газовой стенками определяем до последнего сечения, нормального потоку рабочего тела и формирующего расширенный межлопаточный канал, следуя по направлению движения потока рабочего тела вплоть до конца профиля лопатки, являющейся твердой стенкой межлопаточного канала, смотри (12) фиг.1, 3. В конструкции лопатки ВТПЭ изменяется влияние и значимость косого среза на параметры турбинной решетки, поскольку скорость потока рабочего тела в межлопаточном канале будет иметь максимальное значение в фронтальном сечении решетки или где-то в области косого среза, а отклонение потока в косом срезе можно легко компенсировать дополнительным поворотом на первом участке венца ВТПЭ поворота потока, учитывая, что скорость обтекания профиля на нем существенно меньше, чем в венцах ВТ, и что мало скажется на профильных потерях. Если отсутствует один из кольцевых выступов - козырьков или даже оба, или длина козырьков недостаточна, чтобы быть длиннее относительно выходного фронтального сечения крайних точек отдельных сечений расширенного межлопаточного канала по высоте лопатки, то расширением межлопаточного канала являются и осредненные условные границы истечения струй с периферийной и втулочной образующих поверхностей межлопаточного канала после выходного фронтального сечения, коротких козырьков венца. Далее, в описании изобретения, где употребляется термин «межлопаточный канал», имеется в виду, что это расширенный межлопаточный канал. Расширенный межлопаточный канал показан на обычном турбинном венце ВТ (10, 11, 12, фиг.1) и таким же образом он определяется для расширенного межлопаточного канала венца ВТПЭ(10, 11, 12, фиг.3).

Для качественной оценки геометрии турбинного венца определим проходное сечение расширенного межлопаточного канала таким образом, что считаем проходным сечением, в случае незакрученной лопатки небольшой высоты - сечение нормальное средней линии межлопаточного канала в меридиональном сечении венца, а в плоскости развертки сечения межлопаточного канала (сделанного по осесимметричной средней линии в меридиональном сечении венца) нормальное средней линии канала. Здесь и далее под средней линией в каком-либо сечении межлопаточного канала или обводов проточной части, полученных меридиональным сечением периферийных и втулочных осесимметричных поверхностей, понимаем сглаженную линию, проходящую через центры вписанных в канал окружностей. Для длинных и закрученных лопаток проходное сечение или поверхность строится нормально осесимметричным, идеализированным линиям тока в меридиональном сечении и идеализированным линиям тока в межлопаточном канале венца, построенным в виде плоской развертки по осесимметричным, идеализированным линиям тока, смотри [1]. Оба эти варианта проходного сечения называем одним термином: «проходное сечение межлопаточного канала венца». Горловое, самое узкое, сечение межлопаточного канала венца будет частным случаем проходного сечения, и определим горловое сечение как наименьшее по площади проходное сечение расширенного межлопаточного канала, перед которым площадь проходного сечения больше (или равна в отдельных случаях горловому сечению) горлового, а после горлового любое проходное сечение имеет большую площадь.

Такое определение проходного сечения является приближением к реальному проходному сечению межлопаточного канала венца, возникающему при обтекании венца рабочим телом, и служит только для оценки конструкции венца ВТПЭ.

В описании изобретения понятие «горловое, самое узкое, сечение межлопаточного канала» имеет обобщенную трактовку и применяется к расширенному межлопаточному каналу, так как в отдельных случаях ряд проходных сечений такого канала будут иметь условную газовую стенку и горловое сечение здесь будет являться условным горловым, самым узким, сечением, а в других случаях при формировании горлового, самого узкого сечения межлопаточного канала все границы будут твердые, расположенные на стенках лопаток, периферийных и втулочных обводов проточного канала решетки и не иметь границ по газу (например, сверхзвуковая решетка), то оба этих случая объединяем в одно обобщенное понятие горла. Обобщенное понятие горлового сечения позволяет нагляднее и проще объяснить и привязать максимальную осредненную скорость к фронтальному выходному сечению турбинного венца и обеспечить непрерывность рассмотрения параметров в расширенном межлопаточном канале. В закрученных лопатках горловое сечение может быть горловой поверхностью сложной формы и подразумевается, что горловое сечение объединяет собой и простейшее плоское сечение и сложную горловую, закрученную поверхность.

Под центром горлового сечения понимаем либо условный центр тяжести горловой поверхности, либо условный центр давления на горловую поверхность, либо некоторую точку, получаемую путем оптимизации и являющуюся целевой функцией при определении максимальной, осредненной скорости на фронтальной выходной поверхности венца и тому подобное в зависимости от метода, с помощью которого предполагается размещать горловое сечение относительно поверхности фронтального выходного сечения венца, используя для этого одну точку - условный центр сечения для привязки горлового сечения к фронтальному выходному сечению венца.

Высоту проточной части межлопаточного канала привязываем к средней плоской линии между обводами межлопаточного канала в меридиональном сечении, образующей среднюю осесимметричную поверхность. Для простых, малозакрученных или незакрученных лопаток это средняя линия - приблизительно прямая, образующая коническую или цилиндрическую поверхность. Для закрученной лопатки это идеализированная, построенная по осесимметричной средней линии тока в меридиональном сечении канала осесимметричная поверхность. У расположенного в этой осесимметричной поверхности сечения межлопаточного канала строится средняя линия канала. Высотой расширенного межлопаточного канала в любой точке средней линии сечения канала и высотой проточной части венца определим отрезок прямой, нормальный к средней осесимметричной поверхности (прямая в этом случае проходит через ось турбины) в этой точке и пересекающийся (или касающийся) своими концами с осесимметричными поверхностями обводов канала на втулке и периферии. Высоту определяем по средней линии, так как в одном проходном сечении высота в отдельных точках пересечения со средней осесимметричной поверхностью будет разная. Отсюда следует, что высота нормальна к образующей линии средней осесимметричной поверхности в плоскости, проходящей через ось турбины и точку, в которой измеряется высота проточной части венца на средней линии канала и на средней осесимметричной поверхности. Высотой меридиональных обводов межлопаточного канала назовем отрезок, нормальный образующей средней осесимметричной поверхности (средней линии обводов межлопаточного канала) и пересекающий (или касающийся) своими концами образующих втулочных и периферийных осесимметричных поверхностей. Необходимо отметить равенство высоты межлопаточного канала вдоль средней линии на средней осесимметричной поверхности и высоты меридиональных обводов канала в меридиональном сечении, так как любую высоту канала, находящуюся на прямой, проходящей через ось турбины, легко повернуть вокруг оси турбины на некоторый угол до меридиональной плоскости и она совпадет с высотой меридиональных обводов. Таким образом меридиональные обводы решетки формируются по высоте на средней линии межлопаточного канала и наоборот. Поэтому встречающиеся в описании термины: «высота межлопаточного канала», «высота меридиональных обводов канала» и тому подобное - идентичны.

Границей, связанной с горловым сечением, считаем совокупность геометрических элементов венца, отделяющих характерные части венца на до и после горлового сечения. В граничные элементы входят:

- граничная высота и соответствующая ей на средней линии граничная точка пересечения горлового сечения со средней линией канала на средней осесимметричной поверхности, которые разделяют высоты межлопаточного канала и среднюю линию канала на до и после горла;

- граничная высота пересекает осесимметричные поверхности втулочного и периферийного обводов межлопаточного канала венца в двух граничных точках и проходящие через эти две граничные точки плоскости, нормальные оси турбины пересекают осесимметричные поверхности обводов венца по двум граничным кольцам, разделяющих осесимметричные поверхности втулочных и периферийных обводов проточной части на условные части до горла и после горла.

После этой границы изменение высоты вдоль расширенного межлопаточного канала и соответствующие этой высоте меридиональные обводы проточной части венца должны обеспечивать увеличение площади проходного сечения.

Упрощенно, учитывая закрутку турбинной лопатки по высоте, определяем область фронтального выходного сечения решетки, где расположено множество возможных, в зависимости от конструкции венца, местоположений горлового сечения по принадлежности точки пересечения горловой поверхности со средней линией в сечении межлопаточного канала средней осесимметричной поверхностью этой области. Точка пересечения должна принадлежать этой области, если она располагается внутри окружности с центром на пересечении средней линии межлопаточного канала и фронта выходного сечения решетки. По-другому область включает в себя косой срез венца ВТПЭ, считая по средней линии канала от его начала до последнего сечения расширенного межлопаточного канала, смотри (4), фиг.3. Отдельные части горлового сечения могут не входить в указанную область, достаточно, чтобы входила эта точка пересечения горлового сечения со средней линией межлопаточного канала.

Для обеспечения переноса горла в требуемое местоположение с учетом закрутки пера лопатки по высоте и чтобы реализовать различные конструктивные варианты венца ВТПЭ, необходимо применить следующие принципы построения турбинной решетки:

- турбинные венцы ВТПЭ, где на первом участке поворота рабочего тела в межлопаточном канале высота межлопаточного канала увеличивается (в этом варианте могут быть и небольшие участки с одинаковой высотой), относим к основному, базовому классу венцов ВТПЭ, смотри, фиг.2. Эти венцы могут применяться в турбинах любого вида и предназначения;

- венцы, где высота межлопаточного канала уменьшается или постоянна в части участка или на целом первом участке, а на участке разгона потока высота обводов проточной части уменьшается вплоть до границы, связанной с горловым сечением, относим к специальному классу венцов ВТПЭ, смотри фиг.4. Этот вариант применяется на первом сопловом аппарате: после камеры сгорания, после переходного канала к свободной турбине или при переходе к турбине следующего каскада газотурбинного двигателя, смотри, фиг.2, фиг.4. В этом варианте выигрыш в потерях получается за счет длительного и плавного подвода рабочего тела в переходном канале к венцу ВТПЭ или после камеры сгорания и меньших потерь при повороте на первом участке поворота венца, где скорость при повороте меньше, чем в базовом варианте, смотри фиг.2;

- кроме уменьшения высоты проточной части за фронтальным сечением венца устанавливают кольцевые выступы - козырьки сверху и снизу проточной части меридионального сечения венца, своими внутренними обводами продолжающие меридиональные обводы венца турбины после фронтального выходного сечения венца и помогающие расположить горловое сечение в требуемом месте с учетом условных газовых стенок расширенного межлопаточного канала;

- в некоторых особых вариантах конструкции решетки требуется отсутствие кольцевых выступов - козырьков после фронтального сечения решетки или наличие только одного из двух, сверху на периферии или снизу у втулки проточной части, что может снизить эффективность такой конструкции решетки и величину максимальной скорости потока в фронтальном выходном сечении венца. В конструкции с одним козырьком, либо сверху на периферии, либо снизу у втулки проточной части венца, либо без козырьков перенос горлового сечения к фронтальной выходной поверхности венца будет затруднен. Перенос горла можно осуществить, увеличивая скорость уменьшения высоты проточной части венца вблизи фронтального выходного сечения венца, чтобы компенсировать появляющийся угол расширения струи, сходящей после фронтального сечения там, где отсутствует козырек, и являющейся условной границей расширенного межлопаточного канала и аналогично в других случаях. Очевидно, что при такой компенсации увеличиваются гидравлические потери и теряется часть эффективности венца ВТПЭ;

- темп или скорость уменьшения высоты межлопаточного канала венца на втором участке вдоль оси турбины до границы, связанной с горловым сечением, смотри фиг.2, 4, должен быть выше, чем соответствующее увеличение ширины проточной части вдоль межлопаточного канала (если такое расширение имеется) с учетом изменения ширины по высоте в плоских развертках сечений лопаток межлопаточного канала при пересечении их с идеализированными осесимметричными поверхностями тока, и должен обеспечивать уменьшение площади проходного сечения межлопаточного канала вплоть до горлового сечения, смотри фиг.3;

- изменить соответствующим образом с учетом закрутки лопатки размеры хорд профилей в сечениях по высоте лопатки, чтобы сформировать горловое сечение в требуемом месте межлопаточного канала, учитывая при этом, что профиль лопатки ВТПЭ на втором участке разгона после поворота межлопаточного канала имеет дополнительное удлинение по сравнению с лопатками ВТ;

- на втором участке венца высота канала уменьшается до границы, в том числе граничной высоты, и эта высота может не быть наименьшей в меридиональном сечении канала, но после которой происходит излом периферийных и втулочных образующих меридионального сечения канала с целью увеличения площади проходных сечений расширенного межлопаточного канала после горлового сечения;

- если венец работает со сверхзвуковыми скоростями на выходе из венца или как вариант реализации дозвукового венца, то на втором участке разгона венца высота канала уменьшается до границы, связанной с формированием горлового сечения. После построения горлового сечения канала высота проточной части может продолжать уменьшаться, но с меньшим темпом уменьшения вдоль оси турбины или быть постоянной, или увеличиваться, чтобы после горлового сечения обеспечить увеличение площади проходного сечения межлопаточного канала, фиг.3. То есть после этой границы, связанной с горлом, на втором участке венца высота канала должна изменяться таким образом, чтобы обеспечить увеличение площади проходного сечения расширенного межлопаточного канала;

- оптимальным и наиболее эффективным для получения максимальной осредненной скорости потока рабочего тела в фронтальном выходном сечении венца для дозвуковой или трансзвуковой турбинных решеток определяем местоположение горлового сечения, когда центр горлового сечения расположен на поверхности фронтального выходного сечения турбинного венца, при этом имея в виду, что максимальная скорость во фронтальном выходном сечении будет в месте пересечения горловой поверхности с фронтальным выходным сечением и она уменьшается тем значительнее, чем дальше находится точка на фронтальном выходном сечении от горловой поверхности. Наилучший вариант будет, когда горловое сечение пересекает фронтальную выходную поверхность, где-то в середине между выходными кромками межлопаточного канала, смотри (14), фиг.3. В закрученных по высоте лопатках горловое сечение, как сказано выше, представляет собой поверхность сложной формы и необходимо разместить ее относительно фронтального выходного сечения таким образом, чтобы получить максимальную осредненную скорость на фронтальной выходной поверхности турбинного венца. Центр сечения будет иметь условный характер из-за сложности получения решения, но очевидно, что это решение существует, когда горловое сечение пересекает фронтальную выходную поверхность венца в области фронтального выходного сечения венца (4), фиг.3;

- способ формирования меридиональных обводов осевых турбин может с успехом быть применен и для радиальных решеток турбин, где к участку поворота в окружном направлении добавляют поворот в меридиональном сечении, и далее следует участок разгона потока с уменьшением высоты обводов колеса. На фиг.5, 6, 7, 8 изображены несколько вариантов радиальных турбин, в том числе: радиально-осевая, фиг.5, 6, радиально-центробежная, фиг.7, радиальная, фиг.7 обычной конструкции венцов ВТ и с мероприятием ВТПЭ. В радиальных турбинах высота приблизительно нормальна к средней линии канала в меридиональном сечении (или некоторой другой линии, выбранной по каким-либо установкам), также как и для осевых турбин, у которых имеется угол между осью турбины и направлением потока рабочего тела в меридиональном сечении. В радиальных турбинах используется то же уравнение Эйлера, которое после преобразования следующее:

,

где c₁, w₁, u₁ - абсолютная, относительная и окружная скорости на входе в ступень,

c₂, w₂, u₂ - абсолютная, относительная и окружная скорости на выходе из ступени.

В центростремительной турбине член положителен и является более существенной величиной, превосходящей два других члена уравнения. В центробежной турбине этот член отрицателен, что и является главным преимуществом центростремительной турбины над центробежной. Однако при одинаковых значениях L_T в центробежной и центростремительной турбинах скорости на входе и выходе в проточной части центростремительной турбины значительно меньше. Применение мероприятия ВТПЭ с переносом горлового сечения в фронтальное выходное сечение в центробежной турбине, смотри фиг.7, может дать больший эффект, чем в центростремительной турбине, смотри фиг.5, 6, 8. Чередуя рабочие венцы только радиальной (23а), фиг.8, или венцы только центробежной турбин (21а), фиг.7, с разными направлениями вращения и с разными направлениями обхода потоком газа (по часовой или против часовой) лопаток в венцах можно реализовать венцы с ВТПЭ для создания турбин типа Юнгстрема;

- рассматривая наиболее общий случай построения венца ВТПЭ, можно допустить, что, например, для сверхзвуковых решеток с большим расширением горловое сечение можно разместить на втором участке разгона потока до косого среза межлопаточного канала венца ВТПЭ, вне области фронтального выходного сечения. Таким образом, вся область возможных местоположений формируемого горлового сечения включает весь второй участок разгона рабочего тела, который, в свою очередь, включает область возможных местоположений горлового сечения вблизи фронтального выходного сечения, которая, в свою очередь, включает наиболее оптимальное местоположение горлового сечения, когда центр его находится на поверхности фронтального выходного сечения;

- кроме изменения обводов меридионального сечения решетки, требуется принципиально новый профиль лопатки решетки, смотри фиг.3. Меридиональные обводы рабочего колеса турбины, формирующие межлопаточный канал венцов ВТПЭ, образуются либо специальными бандажными полками, либо рабочее колесо выполняется цельным, то есть лопатки, и образующие меридионального обвода рабочего колеса турбины составляют единое целое с диском или частью диска. Для существенного снижения потерь в венце ВТПЭ по сравнению с венцами ВТ необходима оптимизация профиля лопатки ВТПЭ по высоте и, особенно, у втулки и на периферии венца из-за сложных линий тока рабочего тела в меридиональном сечении.

Геометрия турбинного венца ВТПЭ позволяет получать максимальную скорость потока в горловом сечении, центр которого совпадает с фронтальным сечением решетки или смещен вместе с горловым сечением внутрь межлопаточного канала для получения сверхзвуковой скорости в сверхзвуковой решетке или вариантов дозвуковой решетки с какими-либо особенностями.

Увеличение скорости и значения числа λ_вых во фронтальном выходном сечении венца ВТПЭ больше, чем в исходном венце ВТ, не приводит к увеличению перепада давления в венце ВТПЭ. Чтобы скорость в результате термодинамического процесса в венце ВТПЭ увеличивалась при сохранении перепада давлений в венце π=P^* ₀/P₁, необходимо учитывать следующие особенности предлагаемого способа формирования геометрии и конструкции венца ВТПЭ.

Используя первый и второй законы термодинамики, можно провести преобразования и получить следующее выражение:

По второму закону термодинамики . , (ф.1), смотри (ф.7.12) [2] или [3],

где q - удельная теплота, подводимая к газу (q=q_a+q_r);

q_a - удельная теплота обмена с внешней средой;

q_r - удельная теплота трения, выделившаяся при течении газа в межлопаточном канале при адиабатическом процессе в венце (нет обмена теплом с внешней средой q_a=0);

u - удельная внутренняя энергия, Дж/кг;

р - давление газа, Па;

v - удельный объем, м³/кг;

i - удельная энтальпия, Дж/кг;

Т - абсолютная температура, К;

R - газовая постоянная, Дж/(кг·К);

с_р, c_v - удельные теплоемкости при процессах p=const, v=const;

s - удельная энтропия, Дж/(кг·К).

Процесс ускорения движения газа в лопаточном венце турбины можно представить на i-s диаграмме, фиг.9.

Проинтегрируем выражение (ф 1.)

где s₀, s₁ - удельная энтропия на входе и выходе из венца, Дж/(кг·К);

, - заторможенные давление и температура на входе в венец, Па, К;

P₁, T₁ - статические давление и температура на выходе из венца, Па, К.

Используем полученную формулу (ф.2) для сравнения термодинамических процессов, происходящих в венцах ВТ и ВТПЭ. Для этого вычтем из выражения для ВТ выражение ВТПЭ, учитывая, что давление на входе в венец р^* ₀ и статическое давление на выходе p₁ одни и те же для ВТ и ВТПЭ.

По второму закону термодинамики изменение энтропии ds=dq/T

или

где t - некоторый параметр в зависимости, от которого происходит подвод тепла трения и изменение статической температуры потока (например: если t - длина межлопаточного канала в решетке в условных единицах, длина межлопаточного канала ВТ соответствует t=0.65, а длина межлопаточного канала ВТПЭ t=1.0).

Если считать, что потери q_r в решетках ВТ и ВТПЭ одинаковы, то величина энтропии по формуле (ф.4) определяется распределением статической температуры в межлопаточном канале.

На фиг.10 представлены примеры изменения статической температуры T(t) вдоль межлопаточного канала в ВТ и ВТПЭ при условии, что начальная температура . На фиг.11 представлены изменения статической температуры T(t) вдоль межлопаточного канала в ВТ и ВТПЭ при условии, что начальная температура , .

Как видно на фиг.10 и 11, при одинаковой начальной температуре статическая температура в ВТПЭ выше, чем в ВТ, и как следует из (ф.4) значение подынтегрального выражения в интеграле энтропии ВТПЭ и всей энтропии Δs_втпэ меньше, чем энтропия Δs_ВТ в ВТ вдоль межлопаточного канала. Из термодинамического соотношения (ф.3) для ВТ тогда следует, что при положительной разности Δs_ВТ-Δs_ВТПЭ>0 необходимо, чтобы и правая часть выражения была положительна. Это обеспечивается, только если скорость с_1ВТПЭ>c_1ВТ.

Используя полученную закономерность и понижая температуру перед ВТПЭ до некоторого значения, можно добиться такого состояния термодинамического процесса в решетке, когда с_1ВТПЭ=с_1ВТ. Энтропия Δs_ВТПЭ, определяемая по (ф.4), в этом случае увеличивается, так как статическая температура в знаменателе подынтегрального выражения уменьшается по сравнению с исходной из-за меньшей начальной температуры в ВТПЭ. Следовательно, вся энтропия приближается к энтропии Δs_ВТ в ВТ, уменьшая разность Δs_ВТ-Δs_ВТПЭ до тех пор, пока не наступит баланс в уравнении (ф.3) и С_1ВТПЭ=c_1BT. Например, при , статическая температура в ВТПЭ в отдельных участках больше статической температуры в ВТ, а где-то меньше, и поэтому из (ф.4) значение энтропии ВТПЭ Δs_ВТПЭ на выходе из венца несколько меньше энтропии Δs_ВТ в ВТ вдоль межлопаточного канала. Из левой части термодинамического соотношения (ф.3) разность Δs_ВТ-Δs_ВТПЭ>0, что означает, что в правой части выражения должно быть

Расчетная оценка этого соотношения показывает, что при С_1ВТ=С_1ВТПЭ за счет того, что левая часть (ф.3) больше нуля и наступает равновесие левой и правой частей уравнения.

Таким образом, в предлагаемой конструкции лопаточного венца, включая сопловой аппарат и рабочее колесо турбины, появляется возможность при одном и том же перепаде давления и одинаковой теплоте потерь q_r получить:

- при одинаковой заторможенной температуре T₁ на входе в турбины ВТ и ВТПЭ повышение скорости газа на выходе из венцов ВТПЭ (с_1ВТПЭ, с_2ВТПЭ и с_1uВТПЭ, с_2uВТПЭ), повышение мощности турбины N (смотри выше уравнение Эйлера), КПД турбины и двигателя за счет увеличения термического КПД цикла , где q₁ - удельная теплота, подведенная к двигателю (к единице массы), q₂ - удельная теплота, отведенная от двигателя, Δq - удельное тепло, использованное в двигателе для совершения полезной работы, или удельная работа цикла (единицы массы), эквивалентная мощности турбины Δq~N, то есть всей работы в промежуток времени Δt к Δt, T₁ - температура перед турбиной, смотри (ф.3.3), стр.45 [2]. Если T₁ одинакова для турбины ВТ и ВТПЭ, а мощность на турбине N увеличивается, то увеличивается и Δq~N и чем больше Δq, то тем выше КПД цикла двигателя (η_tВТПЭ>η_tВТ);

- при меньшей заторможенной температуре T₁ на входе в турбину ВТПЭ одинаковую скорость газа на выходе из венцов ВТ и ВТПЭ, одинаковую мощность N турбин ВТ и ВТПЭ. КПД турбины и термодинамический КПД двигателя повышается за счет понижения температуры рабочего тела перед турбиной ВТПЭ, используя одинаковое количество тепла как в турбине с ВТ, так и в турбине с ВТПЭ. Получаем: Если мощность N одинакова для турбины ВТ и ВТПЭ, то у них одинакова и Δq и тогда чем меньше Т₁ в турбине с ВТПЭ, то тем выше КПД двигателя с турбиной ВТПЭ (η_tВТПЭ>η_tВТ).

Конструкция венца ВТПЭ позволяет получить меньшие гидравлические потери и теплоту потерь q_r (q_rВТПЭ<q_rВТ), чем в венце ВТ, учитывая при повороте потока в венце ВТПЭ меньшую скорость обтекания профиля, перенос горла в выходное сечение турбинного венца и получить дополнительный выигрыш в КПД.

На фиг.12 показано изменение площади проходного сечения вдоль межлопаточного канала в ВТ и ВТПЭ, где видно, что горло в ВТПЭ смещается в выходное сечение, а в ВТ горло расположено перед косым срезом, не доходя до выходного сечения венца.

На фиг.13 показано изменение скорости газа в межлопаточном канале для ВТ и ВТПЭ в зависимости от относительной длины межлопаточного канала , которая в диапазоне от 0 до 1 одинакова для решеток ВТ и ВТПЭ,

где l_max - полная длина межлопаточного канала ВТ или ВТПЭ,

l - длина положения отдельного сечения от входного сечения межлопаточного канала.

Меридиональная проекция и три трехмерных вида решетки ВТПЭ представлены в примере на фиг.14.

Расчетные оценки показывают, что применение конструкции ВТПЭ на сопловом аппарате (СА) первой ступени турбины снижает температуру рабочего тела перед турбиной на ~ 50…100°С и более, что повышает КПД всего двигателя, смотри [2]. Перенос горла в выходное сечение венца для соплового аппарата и рабочих лопаток турбины может повысить КПД турбины на ~ 3…4%, улучшить термодинамический цикл и соответственно повысить КПД двигателя. Но в этом случае необходимо сочетать предлагаемую конструкцию турбины на все предстоящие и последующие венцы турбины, так как при пониженной температуре на входе в СА турбины на других традиционной конструкции венцах не будет хватать энергии для работы отдельных ступеней турбины.

Раскрытие изобретения

Заявлен способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ, отличающийся тем, что разделяют межлопаточный канал турбинной решетки на два участка: первый участок поворота межлопаточного канала, где изменяют высоту меридиональных обводов канала на всем первом участке или оставляют высоту постоянной либо на всем первом участке, либо на его части, изменяя при этом высоту на оставшейся части или частях первого участка, и второй участок разгона с дополнительным поворотом межлопаточного канала или без него, включающий косой срез межлопаточного канала, где уменьшают высоту меридиональных обводов канала по направлению к выходу из канала вплоть до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала, формируют горловое, самое узкое, сечение каждого межлопаточного канала турбинной решетки с учетом изменения ширины межлопаточного канала и закрутки лопатки по высоте межлопаточного канала, границы уменьшения высоты меридиональных обводов канала, связанной с горловым сечением на втором участке разгона, где расположено множество возможных местоположений горлового сечения, включающее, в том числе, область местоположений горлового сечения вблизи фронтального выходного сечения решетки, в том числе месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения турбинной решетки, за которым предпочтительно устанавливают кольцевые выступы - козырьки либо только сверху на периферии, либо только снизу у втулки, либо одновременно сверху на периферии и снизу у втулки проточной части венца.

Для основного класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала увеличивают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала по направлению от входа в венец к выходу из первого участка, допуская в отдельных случаях наличие постоянной высоты в части первого участка.

Для специального класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала монотонно уменьшают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала, допуская в отдельных случаях на части или на целом участке наличие постоянной высоты, то есть в меридиональном сечении исключают участки с увеличением высоты канала по направлению от входа до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.

Также заявлен способ конструирования венца радиальной турбинной решетки ВТПЭ, отличающийся тем, что применяют тот же способ построения межлопаточных каналов между направляющими лопатками колеса и меридиональных обводов решетки, что для осевых турбин с учетом дополнительного поворота в меридиональном сечении, то есть к участку поворота в окружном направлении, добавляют поворот в меридиональном сечении с увеличением высоты относительно средней линии канала и формируют самое узкое сечение межлопаточного канала на участке разгона или в области фронтального выходного сечения решетки, в том числе включая месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения радиальной турбинной решетки с уменьшением высоты канала до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.

Литература

1. Холщевников К.В. «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», Москва, «Машиностроение», 1986 г.

2. Под. ред. В.И.Крутова «Техническая термодинамика», третье издание, Москва, «Высшая школа», 1991 г.

3. Ривкин С.Л. «Термодинамические свойства газов», Москва, «Энергия», 1973 г.

Способы конструирования венца осевой или радиальной турбины повышенной эффективности (ВТПЭ), при которых разделяют межлопаточный канал турбинной решетки на два участка. Изменяют или нет высоту меридиональных обводов канала на всем первом участке поворота межлопаточного канала или его части. Второй участок разгона с дополнительным поворотом межлопаточного канала или без него включает косой срез межлопаточного канала, где уменьшают высоту меридиональных обводов канала по направлению к выходу из канала вплоть до границы, связанной с горловым сечением. После границы высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала. Формируют горловое, самое узкое, сечение каждого межлопаточного канала. На втором участке разгона расположено множество возможных местоположений горлового сечения, включающее месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения размещают на поверхности фронтального выходного сечения турбинной решетки. За выходным сечением предпочтительно устанавливают кольцевые выступы - козырьки на периферии, либо у втулки, либо одновременно на периферии и у втулки проточной части венца. Достигается повышение КПД за счет устранения потери скорости в косом срезе и уменьшения гидравлических потерь, связанных с поворотом потока в решетке турбины. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ (венца турбины повышенной эффективности), отличающийся тем, что разделяют межлопаточный канал турбинной решетки на два участка: первый участок поворота межлопаточного канала, где изменяют высоту меридиональных обводов канала на всем первом участке или оставляют высоту постоянной либо на всем первом участке, либо на его части, изменяя при этом высоту на оставшейся части или частях первого участка, и второй участок разгона с дополнительным поворотом межлопаточного канала или без него, включающий косой срез межлопаточного канала, где уменьшают высоту меридиональных обводов канала по направлению к выходу из канала вплоть до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала, формируют горловое, самое узкое, сечение каждого межлопаточного канала турбинной решетки с учетом изменения ширины межлопаточного канала и закрутки лопатки по высоте межлопаточного канала, границы уменьшения высоты меридиональных обводов канала, связанной с горловым сечением на втором участке разгона, где расположено множество возможных местоположений горлового сечения, включающее в том числе область местоположений горлового сечения вблизи фронтального выходного сечения решетки, в том числе месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения турбинной решетки, за которым устанавливают кольцевые выступы - козырьки либо только сверху на периферии, либо только снизу у втулки, либо одновременно сверху на периферии и снизу у втулки проточной части венца.

2. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ по п.1, отличающийся тем, что для основного класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала увеличивают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала по направлению от входа в венец к выходу из первого участка, допуская в отдельных случаях наличие постоянной высоты в части первого участка.

3. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ по п.1, отличающийся тем, что для специального класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала монотонно уменьшают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала, допуская в отдельных случаях на части или на целом участке наличие постоянной высоты, то есть в меридиональном сечении исключают участки с увеличением высоты канала по направлению от входа до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.

4. Способ конструирования венца радиальной турбинной решетки ВТПЭ, отличающийся тем, что применяют тот же способ построения межлопаточных каналов между направляющими лопатками колеса и меридиональных обводов решетки, что для осевых турбин по любому из пп.1-3 с учетом дополнительного поворота в меридиональном сечении, то есть к участку поворота в окружном направлении добавляют поворот в меридиональном сечении с увеличением высоты относительно средней линии канала и формируют самое узкое сечение межлопаточного канала на участке разгона или в области фронтального выходного сечения решетки, в том числе включая месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения радиальной турбинной решетки с уменьшением высоты канала до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.

5. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ, отличающийся тем, что разделяют межлопаточный канал турбинной решетки на два участка: первый участок поворота межлопаточного канала, где изменяют высоту меридиональных обводов канала на всем первом участке или оставляют высоту постоянной либо на всем первом участке, либо на его части, изменяя при этом высоту на оставшейся части или частях первого участка, и второй участок разгона с дополнительным поворотом межлопаточного канала или без него, включающий косой срез межлопаточного канала, где уменьшают высоту меридиональных обводов канала по направлению к выходу из канала вплоть до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала, формируют горловое, самое узкое, сечение каждого межлопаточного канала турбинной решетки с учетом изменения ширины межлопаточного канала и закрутки лопатки по высоте межлопаточного канала, границы уменьшения высоты меридиональных обводов канала, связанной с горловым сечением на втором участке разгона, где расположено множество возможных местоположений горлового сечения, включающее в том числе область местоположений горлового сечения вблизи фронтального выходного сечения решетки, в том числе месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения турбинной решетки.

6. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ по п.5, отличающийся тем, что для основного класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала увеличивают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала по направлению от входа в венец к выходу из первого участка, допуская в отдельных случаях наличие постоянной высоты в части первого участка.

7. Способ конструирования венца осевой турбины ВТПЭ по п.5, отличающийся тем, что для специального класса венцов ВТПЭ на первом участке поворота межлопаточного канала монотонно уменьшают высоту меридиональных обводов межлопаточного канала, допуская в отдельных случаях на части или на целом участке наличие постоянной высоты, то есть в меридиональном сечении исключают участки с увеличением высоты канала по направлению от входа до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.

8. Способ конструирования венца радиальной турбинной решетки ВТПЭ, отличающийся тем, что применяют тот же способ построения межлопаточных каналов между направляющими лопатками колеса и меридиональных обводов решетки, что для осевых турбин по любому из пп.5-7 с учетом дополнительного поворота в меридиональном сечении, то есть к участку поворота в окружном направлении добавляют поворот в меридиональном сечении с увеличением высоты относительно средней линии канала и формируют самое узкое сечение межлопаточного канала на участке разгона или в области фронтального выходного сечения решетки, в том числе включая месторасположение горлового сечения, когда центр горлового сечения межлопаточного канала размещают на поверхности фронтального выходного сечения радиальной турбинной решетки с уменьшением высоты канала до границы, связанной с горловым сечением, после которой высоту изменяют таким образом, чтобы увеличить площадь проходного сечения канала.