ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2017 года по МПК F01D11/08 F01D1/08 F01D25/30 

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и авиационному двигателестроению и может быть использовано в технических объектах, где в качестве источника энергии целесообразно использовать высокотемпературную высокооборотную центростремительную турбину малой мощности с небольшим объемным расходом рабочего тела.

Известна конструкция, предназначенная для уменьшения утечек рабочего тела [1], включающая в себя рабочее колесо центростремительной турбины с покрывным диском. Между корпусом турбины и покрывным диском для уменьшения утечек установлено бесконтактное лабиринтное уплотнение, представляющее собой совокупность кольцевых выступов (уплотнительных гребней), расположенных на роторе и статоре таким образом, что выступы перекрывают друг друга и образуют лабиринт. За счет гидравлического сопротивления, создаваемого лабиринтом, расход рабочего тела через зазоры заметно снижается.

Данная конструкция имеет ряд существенных ограничений для ее использования в высокотемпературных высокооборотных радиально-осевых турбинах. Наличие покрывного диска существенно повышает напряжения в материале рабочего колеса, вызванные центробежными силами и неравномерным тепловым расширением.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция центробежной турбины, предназначенной для минимизации зазоров между корпусом и лопаточным аппаратом рабочего колеса [2], принятая за прототип. Конструкция включает в себя радиально-осевое рабочее колесо и корпус (статор), покрытый с внутренней стороны специальным мягким материалом, обладающим такими механическими свойствами, что при соприкосновении с лопатками колеса происходит его быстрый износ без повреждения лопаточного аппарата колеса. Таким образом, в процессе работы турбины устанавливается минимально возможный зазор между ротором и статором в проточной части.

Однако использование данной конструкции имеет ряд существенных ограничений. Она может быть использована без ущерба для надежности только в том случае, если предполагаемая толщина слоя мягкого материала, истираемого в процессе приработки ротора и статора, не превышает 0,1-0,3 миллиметра, что характерно для турбин с жестким валом (работающим с частотой вращения ниже первой критической) и умеренных тепловых расширений рабочего колеса.

Для высокооборотной турбины изготовить вал жестким часто не представляется возможным. При прохождении критической частоты амплитуда прецессии может достигать значительной величины, что приведет к чрезмерной нагрузке на лопаточный аппарат рабочего колеса при выработке большой толщины (более 0,5 мм) истираемого слоя на корпусе и аварийной ситуации.

Зазор между лопаточным аппаратом рабочего колеса и корпусом по условию надежности (во избежание задевания ротора о статор на всех рабочих и переходных режимах) должен быть не менее 1-1,5 мм, при этом относительная величина зазора составляет =0,05-0,07 (, где δ - зазор, - высота лопатки по выходной кромке) (см. чертеж).

Данная проблема особенно актуальна для высокооборотных турбин небольшой мощности, где в качестве опор используют магнитные подшипники или подшипники с газовой смазкой, которые обладают заметно большей податливостью по сравнению с шариковыми подшипниками или подшипниками жидкого трения.

Ротор турбины на таких опорах при прохождении резонансных частот в процессе его разгона и останова может достигать значительных амплитуд прецессии, что может привести к задеванию ротора о статор и возникновению аварийной ситуации.

Для высокотемпературных центростремительных турбин значительные тепловые деформации рабочего колеса турбины не позволяют уменьшить зазоры в проточной части до приемлемой величины. Использование покрывного диска также неприемлемо вследствие дополнительных напряжений из-за центробежных сил и неравномерности нагрева и расширения материала покрывного диска и лопаток.

В целях повышения эксплуатационной надежности целесообразно увеличить зазор между рабочим колесом и статором до значений, гарантирующих безаварийную работу турбины.

Известно, что наибольшее влияние на КПД центростремительной турбины оказывают потери энергии с выходной скоростью. Минимального значения они достигают при осевом направлении потока (при отсутствии закрутки). Увеличение зазоров из соображения надежности приводит к столь существенному увеличению потерь с утечками рабочего тела, что в общей сумме потерь они становятся определяющими.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении утечек рабочего тела через зазор между лопатками рабочего колеса и корпусом и, следовательно, к повышению КПД турбины.

Для обеспечения технического результата предлагается центростремительная турбина, содержащая корпус, радиально-осевое рабочее колесо турбины, снабженное лопаточным аппаратом. На корпусе на выходе рабочего тела из лопаточного аппарата радиально-осевого рабочего колеса выполнен кольцевой выступ, перекрывающий зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса. Расстояние между выходной кромкой лопаток рабочего колеса и выступом на корпусе центростремительной турбины не превышает величину зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом центростремительной турбины. Кольцевой выступ со стороны выхода рабочего тела может быть выполнен с плоской поверхностью, расположенной по нормали к набегающему потоку рабочего тела.

Турбина конструктивно состоит из двух основных элементов: ротора и статора (корпуса), между которыми в процессе работы не должно быть контакта.

Так как в проточном тракте обязательно имеют место зазоры между ротором и статором (корпусом), то в процессе расширения рабочего тела возникают протечки в эти зазоры в обход основного потока, совершающего полезную работу.

В целях увеличения экономичности турбины целесообразно минимизировать указанные зазоры, однако это не всегда представляется возможным, так как из-за требований к эксплуатационной надежности (для исключения задевания ротора о корпус) на всех режимах работы приходится увеличивать зазор между лопатками рабочего колеса ротора и корпусом. Увеличенный зазор, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям и снижению КПД турбины.

Структура потока рабочего тела в межлопаточном пространстве рабочего колеса центростремительной турбины имеет следующую особенность: часть потока, обладающая наибольшей скоростью, сосредоточена у периферии лопаточного аппарата, т.е. в районе зазора между лопатками и корпусом.

На выходе из рабочего колеса ротора поток меняет направление от центростремительного к осевому и происходит резкое отклонение потока в сторону, противоположную вращению колеса за счет формы рабочих лопаток. При этом часть потока, обладающая наибольшей кинетической энергией, устремляется в зазор между корпусом и выходными кромками рабочего колеса ротора. Очевидно, что сокращение утечек рабочего тела через зазор приведет к увеличению КПД турбины.

Эффект уменьшения утечек в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что кольцевой выступ на корпусе на выходе рабочего тела создает гидравлическое сопротивление потоку рабочего тела в районе зазора у выходных кромок лопаточного аппарата и вызывает его отклонение в межлопаточное пространство, где поток совершает полезную работу.

Кольцевой выступ отстоит на некотором расстоянии от выходных кромок лопаток и имеет такие размеры, чтобы перекрыть зазор между корпусом турбины и рабочими лопатками. Со стороны потока рабочего тела выступ может иметь плоскую поверхность, расположенную по нормали к набегающему потоку рабочего тела.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом.

Чертеж - показано меридиональное сечение центростремительной турбины. На чертеже изображены: 1 - корпус, 2 - радиально - осевое рабочее колесо, 3 - ротор, 4 - кольцевой выступ, 5 - выходная кромка лопаточного аппарата радиально-осевого рабочего колеса, 6 - сопловой аппарат.

Центростремительная турбина работает следующим образом.

Рабочее тело (газ) подается в полость (на чертеже не показана) перед сопловым аппаратом 6, представляющим собой совокупность каналов, образованных сопловыми лопатками. Рабочее тело натекает на сопловые лопатки 6 в радиальном направлении от периферии к центру.

В межлопаточных каналах соплового аппарата 6 поток рабочего тела расширятся, ускоряется и отклоняется в тангенциальном направлении в сторону вращения радиально-осевого рабочего колеса 2. После чего поток газа попадает в межлопаточное пространство радиально - осевого рабочего колеса 2 и в зазор δ между корпусом и лопаточным аппаратом рабочего колеса.

Кольцевой выступ, выполненный на корпусе 1 на выходе рабочего тела из лопаточного аппарата, создает гидравлическое сопротивление потоку рабочего тела, попавшего в зазор, и способствует отклонению его в межлопаточное пространство, где он вместе с основным потоком рабочего тела совершает полезную работу.

Расчеты (численные эксперименты) с использованием программного комплекса ANSYS показали, что наличие кольцевого выступа, перекрывающего зазор на выходе из радиально-осевого рабочего колеса, если относительный зазор составляет =0,05-0,07, позволяет уменьшить суммарные потери (по выходной скорости и утечкам через зазор) и повысить КПД турбины примерно на 2%.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1574967 от 30.06.90 г.

2. Патент США №5,975,845 от 02.11.1999 г.

Изобретение относится к энергетическому, транспортному и авиационному двигателестроению и может быть использовано в технических объектах, где в качестве источника энергии целесообразно использовать высокотемпературную высокооборотную центростремительную турбину с небольшим объемным расходом рабочего тела. Предлагается центростремительная турбина, содержащая корпус, радиально-осевое рабочее колесо турбины, снабженное лопаточным аппаратом. На корпусе центростремительной турбины на выходе рабочего тела из лопаточного аппарата радиально-осевого рабочего колеса выполнен кольцевой выступ, перекрывающий зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса. Расстояние между выходной кромкой лопаточного аппарата и выступом на корпусе центростремительной турбины не превышает величину зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом центростремительной турбины. Со стороны выхода рабочего тела кольцевой выступ может быть выполнен с плоской поверхностью, расположенной по нормали к набегающему потоку рабочего тела. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении утечек рабочего тела через зазор между лопатками рабочего колеса и корпусом и, следовательно, к повышению КПД турбины. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Центростремительная турбина, содержащая корпус, радиально-осевое рабочее колесо турбины, снабженное лопаточным аппаратом, отличающаяся тем, что на корпусе на выходе рабочего тела из лопаточного аппарата радиально-осевого рабочего колеса выполнен кольцевой выступ, перекрывающий зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса, а расстояние между выходной кромкой лопаток рабочего колеса и выступом на корпусе центростремительной турбины не превышает величину зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом центростремительной турбины.

2. Центростремительная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что кольцевой выступ со стороны выхода рабочего тела выполнен с плоской поверхностью, расположенной по нормали к набегающему потоку рабочего тела.