Турбина с устройством для уплотнения радиального зазора Советский патент 1992 года по МПК F01D11/08 

Изобретение относится к двигателест- роению и может использоваться в турбонасосных системах подачи компонентой топлива жидкостных ракетных двигателей.

Целью изобретения является повышение экономичности турбины на всех режимах ее работы

На фиг.1 изображена турбина с устройством для уплотнения радиального зазора, продольный разрез, на фиг.2 - внутренняя поверхность бандажного кольца с направляющими каналами для сбора утечек газового потока; на фиг.З - сечение А-А на фиг.1.

Турбина с устройством для уплотнения радиального зазора (фиг. 1) содержит корпус 1. в кольцевой проточке 2 которого закреплено бандажное кольцо 3. охватывающее рабочие лопатки 4. На всей внутренней по: верхности бандажного кольца 3 выполнены направляющие каналы 5 для сбора утечек газового потока каналы 5 имеют непрерывную протяженность от входных кромок рабочих лопа/гок 4 до их хвостовой части. Форма каналов 5 соответствует траектории абсолютного движения частиц газа на расчетном режиме, а их глубина и ширина определяются из условия устойчивости газовых вихрей в каналах 5 на этом режиме. Для простоты изготовления каналы 5 могут быть выполнены шевронного профиля (фиг 2).

Турбина снабжена генератором 6 синусоидальных электрических сигналов, фазос- двигающим устройством 7 и группой пьезокерамических элементов 8 с нанесенными на их поверхности электродами 9. Электроды 9 соединены с генератором 6 синусоидальных электрических сигналов через фазосдвигающее устроство 7 (фиг.З). Пьезокерамические элементы 8, выполненные, например, в форме секторных пластин, расположены равномерно по окружности в кольцевой проточке 2 корпуса 1 и закреплены на внешней стороне бандажного кольца

И

2

2

Ч 4Ь

3. Конструктивно бандажное кольцо 3 и пье- зокерамические элементы 8 образуют замкнутый волновод, в котором возбуждаются колебания типа бегущей волны. Для этого средняя длина волновода выбирается кратной целому числу длины волны тА, ,2.,.; расстояние по дуге окружности между центрами смежных электродов (или элементов 8) - кратным целому нечетному числу Я/4, а разность фаз колебаний, возбуждаемых пьезокерамическими элементами, - кратной нечетному числу nil, При подаче на соседние пьезокерамические элементы 8 от генератора 6 через фазосдвигающее устройство 7 синусоидальных напряжений со сдвигом фаз t/ oci в бандажном кольце 3 возбуждаются продольные бегущие волны упругих деформаций fi. Стационарная бегущая волна с характеристическими параметрами ( fmi, ад, ) устанавливается в бандажном кольце 3 при равенстве амплитуд упругих деформаций |mi и их частот колебаний ад (р0 - сдвиг фаз между упругими деформациями Јi). Положительным направлением распространения волны считаем направление, противоположное направлению вращения рабочего колеса турбины. Реверс волны обеспечивается изменением на 180°. Бегущая волна в положительном направлении представляется как результат суперпозиции положительных волн возбуждаемых каждым пьезокерамическим элементом 8.

Обеспечение работы бандажного кольца 3 в условиях высоких температур может быть достигнуто путем выбора жаропрочного и жаростойкого материала, в том числе и керамического, а также, в случае необходимости, организацией его-охлаждения. Снижение термических напряжений пьезоке- рамических элементов 8 достигается путем использования замкнутого волновода, при котором исключена возможность прямого контакта пьезокерамических элементов 8 с высокотемпературным рабочим телом, а также путем размещения пьезокерамических элементов 8 с внешней стороны бандажного кольца 3, которое снижает тепловые потоки.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально направление течения газа в пограничном слое определяется лишь разностью давлений на корытце и спинке лопаток, что приводит к перетечкам рабочего тела через концы лопаток. На расчетном режиме, когда волновод отключен, газовый поток, попадая в направляющие каналы 5 для сбора утечек газового потока на бандажном кольце 3, получает закрутку и образует вихри, которые локализуются в этих каналах 5. Направление вращения вихрей, получивших закрутку в плоскость бандажного кольца 3, способствует, согласно теореме Кельвина, вращению рабочего колеса турбины. Таким образом, момент, обеспечивающий вращение рабочего колеса, определяется суммарным моментом, создаваемым

0 основным газовым потоком, и моментом, создаваемым вращением вихрей газовых перетечек через концы рабочих лопаток 4, Устойчивость вращения газовых вихрей обеспечивает высокую экономичность уст5 ройства на расчетном режиме работы агрегата.

При переходе на нерасчетный режим работы, например, вследствие увеличения скорости вращения ротора турбины, вклю0 чается волновод путем подачи высокочастотного синусоидального электрического сигнала от генератора 6 через фазосдвигающее устройство 7 на электроды 9 пьезокерамических элементов 8, которые в

5 результате обратного пьезоэффекта и суперпозиции волн возбуждают в бандажном кольце 3 стационарно бегущую волну, распространяющуюся в положительном направлении. Амплитуда волны может

0 регулироваться величиной подаваемого напряжения. Высокочастотный волновод создает тяговое усилие в окружном направлении за счет сложного движения частиц пьезокерамических элементов 8, пере5 мещающихся по кусочно-эллиптической траектории. Дополни-ельное тяговое усилие, воздействуя на траекторию движения газовых частиц, позволяет сохранить направление вектора завихренности потока

0 газовых перетечек через концы рабчоих лопаток 4 в области направляющих каналов 5 для сбора утечек газового потока и, следовательно, повысить экономичность устройства на нерасчетных режимах.

5 Если скорость вращения ротора ниже расчетной, то в бандажном кольце 3 возбуждается стационарно бегущая волна, распространяющаяся в отрицательном направлении, что достигается путем сдвига фаз подаQ ваемого электрического сигнала на 180°. Формул а изо бретен и я Турбина с устройством для уплотнения радиального зазора, содержащая корпус с размещенным в нем охватывающим рабо5 чие лопатки бандажным кольцом, имеющим на его внутренней поверхности по всей поверхности направляющие каналы для сбора утечек газового потока, отл и ч ающа я- с я те, что, с целью повышения экономичности турбины на нсех режимах ее работы, она

снабжена генератором синусоидальных электрических сигналов, фазосдвигающим устройством и группой пьезокерамических элементов с нанесенными на их внешние поверхности и электродами, соединенными

с генератором синусоидальных электрических сигналов через фазосдвитающее устройство, при этом пьезокерамические элементы установлены равномерно по внешней поверхности бандажного кольца.

Использование1 двигателестроение. в частности в турбонасосных системах подачи компонентов топлива жидкостных ракетных двигателей Сущность изобретения охватывающее рабочие лопатки бандажное кольцо с направляющими каналами для сбора утечек газового потока установлено в корпусе турбины и образует с установленными равномерно по ее внешней поверхности пьезо- керамическими элементами замкнутый волновод. На нерасчетных режимах работы волновод создает дополнительное тяговое усилие в окружном направлении для сохранения направления вектора завихренности потока газовых перетечек и области упомянутых каналов, что позволяет использовать энергию перетечек для вращения рабочего колеса турбины. 3 ил.

U $

9u2.J

Риг.2