Двухконтурная турбина заднего хода Советский патент 1993 года по МПК F01D1/30 

cpue.f

Изобретение относится к судостроительной промышленности и может быть использовано на судах гражданского флота и кораблях Военно-Морского Флота в качестве турбины заднего хода (ТЗХ) газотурбинного двигателя.

В настоящее время на судах применяются отдельно стоящие ТЗХ, находящиеся на одном валу с турбином переднего хода (ТПХ). В последнее время в СПБ Машпро- ект разработана, изготовлена и проходит доводочные испытания двухконтурная реверсивная газовая турбина, у которой ТПХ расположена в первом (нижнем) ярусе, а одноступенчатая ТЗХ - во втором (верхнем) контуре, причем рабочая лопатка ТЗХ расположена на первой рабочей лопатке ТПХ.

Основным недостатком этих турбин является наличие потерь на трение и вентиляцию ТЗХ при работе двигателя на переднем ходу. Рассмотрим структурную формулу потерь на трение и вентиляцию

Мтр.в. к.Рку1ГЛ.С.,

где k - коэффициент, зависящий от геометрии облопачивания, числа ступеней ТЗХ и условий на входе и выходе из турбины;

FK - кольцевая площадь рабочего колеса ТЗХ;

у - удельный вес среды, в которой вращается облопачивание турбины;

L) - окружная скорость облопачивания ТЗХ при работе двигателя на переднем хоДУКак следует из формулы (1), одним из путей уменьшения потерь на трение и вентиляцию является уменьшение скорости вращения U. Этот путь широко используется как при проектировании реверсивных турбин с отдельными ТЗХ, так и при проектировании двухконтурных реверсивных турбин.

Другим путем уменьшения потерь на трение и вентиляцию, как следует из формулы (1), является уменьшение кольцевой площади облопачивания F. При этом необходимо иметь в виду, что для того, чтобы не усложнять конструкцию двигателя, ТЗХ должна проектироваться на полный расход газа,

Очевидно, что такое уменьшение возможно лишь до значения

с- irУТро

гк.мин - « р / ч-,

гоо ГП q лся)

где q(a ) 1.0 - относительный расход газа через ТЗХ;

G, Too. Poo - параметры газа на входе в ТЗХ (расход, полная температура, давление);

m - постоянный коэффициент, завися- щий от физических констант рабочего тела.

В ряде случаев это уменьшение получается незначительным по сравнению с кольцевой площадью ТПХ. Можно записать

f

к.тпх

1

( Пс.мин)тзх Q (лса }тпх

(2)

55

Поскольку для турбин, работающих с .;. показателем адиабаты k 1,4, наиболее распространенные значения (Дса ) тпх 0,4-0,6, то соответствующее значение fa 1,25, т.е. таким путем можно максимум на 25% снизить кольцевую площадь ТЗХ по сравнению 2Q с кольцевой площадью ТПХ.

Очевидно, что рассмотренный путь уменьшения FKТЗХ за счет величины осевых отверстий, по которому идут при проектировании одноконтурных ТЗХ, оказывается не- 2jr достаточно эффективным, так как при больших осевых скоростях необходимо создать развитое затурбинное устройство для восстановления давления, а уменьшение FK получается довольно незначительным. 2Q Изобретение позволяет получить более существенное уменьшение кольцевой площади FK ТЗХ, а следовательно, и мощности трения и вентиляции при прочих равных условиях.

«с Суть предлагаемого способа состоит не в увеличении осевых скоростей, а в их уменьшении. При этом происходит одновременное увеличение кольцевой площади ТЗХ вследствие уменьшения геометриче- 4Q ских углов облопачивания и КПД ТЗХ, причем КПД до определенного предела растет быстрее, чем Р. Это свойство позволяет найти оптимальную величину уменьшения осевой скорости. Так как КПД ТЗХ увеличите вается, то для получения заданной мощности уже не требуется всего расхода газа и появляется возможность часть газа направить в стеклянный перепускной контур, рас- положенный над ТЗХ. Оставшийся газ gQ проходит через ТЗХ и совершает полезную работу, причем для пропуска этого газа требуется значительно меньшая кольцевая площадь, чем у одноконтурной ТЗХ для пропуска всего расхода газа.

Как показали расчеты, в диапазоне мощностей заднего хода до 40% от мощности переднего хода возможно существенное уменьшение кольцевой площади ТЗХ. Поскольку большая мощность судам не требуется, то изобретение позволяет в больиинстве случаев получить при прочих равных условиях уменьшение кольцевой пло- цади ТЗХ, а следовательно, и потерь иощности на трение и вентиляцию. Это, в :вою очередь, приводит к повышению сум- иарной экономичности двигателя и к снижению удельного расхода топлива,

Теоретические предпосылки создания двухконтурных турбин заднего хода состоят э следующем.

В связи с тем. что при изменении относительной осевой скорости Дса происходит эдновременное изменение как КПД турби- 1Ы, так и кольцевой площади, то, по-видимому, можно найти такое оптимальное жачение (Дса )opt, при котором будет получена заданная мощность заднего хода при минимальном значении кольцевой площади.

Уравнение работы на окружности коле-- :а:

Lu U(Cicos а + W2COS /32 - U)

или LU U(A cia0cos 0:1+ Я W 2

I 00

Зо COS fa - U ),

де а0 юсть;

V.

2q

р у - критическая скоk + 1

Toix - температура торможения в относительном движении.

Так как для ТЗХ Т0о TOIX, а наиболее целесообразны значения Дс1 .0, и Принимая cti , получим

гLo гРк2 т Гиг,1 L-u

где FKI - кольцезая площадь одноконтурной ТЗХ;

5FK2 кольцевая площадь двухконтурной

ТЗХ или

F,c2

10 „.JU lA

ТТГЗсГ соз сгГ- Uo 7 Uo sin «1

(5)

г

Здесь U Uo, так кзк все двухконтурные и одноконтурные ТЗХ должны иметь окружную скорость, соотве-тствующую заданному значению L0.

Выражение для Ркз для всех случаев, когда Lu, показывает, что представляется возможным уменьшить кольцевую площадь зэ счет избыточной мощности путем сокращения высоты лопатки и уменьшения расхода газа, необходимого для получения заданной мощности заднего хода. Избыточный расход газа при зтом должен перепускаться через специальный перепускной контур, расположенный над ТЗХ (см. фиг, 1).

Из формулы (5) видно, что величина кольцевой площади дзухконтурных ТЗХ является функцией требуемой работы, угла л. и параметров газа. Поскольку работа и параметры газа являются заданными, их можно принять постоянными. Тогда величина Рк2мин определяется путем нахождения экстремума для выражения (5):

Lu U(2a0cosai - U).

Величина кольцевой площади Т

с G RА

Р -

PooGslnai slnai G VfoTR

POO FK sin a G R

||де G -H- - относи расход; А - . .

I roo м

l Пусть - величина заданной (ЗХ, причем

No ТЗХ

G

г|де N0T3X - заданная мощность заднего хо/ИДля всех случаев, когда Lo Lu, где Lu вычисляется по формуле (3), можно записать выражение для кольцевой площади двух- онтурной ТЗХ.

dai

2 з cos 2 on - b cos at

(a sin 2 «i - b sin a; }2

-4 .

(4)

40

где ci Lo.A; a 2aoU0; b - Do .

Тогда eosa-j -- -д- ± Yf 5 f + 1

О 3 1Ч о а Г 9

«1 opt arccos Q-- ± Vr A. f +Т 4 8 а 2

Величина РК2мин определяете ; следующим образом:

COS Ол opt -: UoT) U0

Рк2мян FK17

На фиг.2 приведены результаты расчетов по определению значения площади двухконтурнойТЗХ для различных значений относительной мощности заднего хода на параметры газа, типичные для газовых турбин открытого цикла:

Роо 2,4 кг/см2; Too 760 К; G- 100 кг/с.

Как видно из фиг.2, применение двух- коитурных ТЗХ является целесообразным,

kf - коэффициентом площатак как позволяет существенно уменьшить кольцевую площадь, а следовательно, и уровень потерь мощности на трение и вентиляцию при заданном уровне мощности заднего хода по сравнению с одноконтурными ТЗХ. При этом сравниваемые одноконтурные ТЗХ имеют минимально возможную кольцевую площадь для данной мощности. На фиг.2 огибающая кривая, расположенная на графике справа, характеризует значения кольцевых площадей одноконтурных ТЗХ. Назовем FKi

г к2мин ДИ.

Коэффициент kf позволяет оценить уменьшение величины потерь мощности на трение и вентиляцию двухконтурной ТЗХ.

На фиг.З приведена зависимость kf от угла сп и относительной мощности заднего

хода ТЗтзх, где Ытзх .

На фиг.З видно, что применение двухконтурной ТЗХ особенно целесообразно для относительных мощностей заднего хода порядка 10-30% от мощности переднего хода, хотя возможно получение снижения потерь мощности на трение и вентиляцию и для значений Мтзх 40-50%.

Следует отметить конструктивную простоту изобретения, а также то, что при применении двухконтурной ТЗХ практически не увеличиваются вес и габариты двигателя.

На фиг.1 Приведена схема двухконтур- . ной ТЗХ; на фиг.2 и 3 - результаты расчетов по определению эффективности изобретения.

Двухконтурная ТЗХ (фиг.1) состоит из собственно ТЗХ 1 и перепускного контура 2.

расположенного над ТЗХ 1, ТЗХ 1 состоит из рабочих лопаток 3, размещенных на разделительных полках 4, выполненных заодно с рабочей лопаткой 5 ТПХ, и сопловой лопатки 6. Для уменьшения перетечек между кон- турами переднего и заднего хода выполнено торцовое лабиринтное уплотнение 7, Перепускной контур 2 представляет собой кольцевой канал, расположенный

между наружным корпусом турбины 8 и обе чайкой 9. Внутри канала размещены стойки 10, предназначенные для крепления обечайки и соплового аппарата ТЗХ к наружному корпусу турбины.

При работе турбины на заднем ходу часть газа поступает в ТЗХ, где совершает полезную работу, а часть газа поступает в перепускной контур и дросселируется, не совершая работы. По выходе из ТЗХ и перепускного контура газ поступает в соответствующее выхлопное устройство.

Применение двухконтурной ТЗХ возможно как для двухконтурных реверсивных турбин, так и для отдельно стоящих ТЗХ. В

последнем случае лопатки ТЗХ крепятся не на лопатках ТПХ, а в. соответствующих дисках.

Формула изобретения Двухконтурная турбина заднего хода, например, для судовых газотурбинных установок, содержащая сопловые аппараты и рабочие колеса, образующие основной контур, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения на режиме прямого хода потерь мощности на трение и вентиляцию, предусмотрен соединяющий полости перед турбиной и за турбиной канал для перепуска части газа мимо основного контура за тур- бину.

0 fo 20 30 YO $0 . 60 70 SO 40

-

Ф. 2

7fo 6,o

0 0,t 0,2 4 0,4 Oj 0,6 0,7 0,S 0.9

ФыЗ

Г3