Центростремительная турбина



Центростремительная турбина
Центростремительная турбина

 


Владельцы патента RU 2612309:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" (RU)

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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Конструкция турбомашины с теплообменником, интегрированным в выпускной газовоздушный тракт (10) потока горячих газов (1) турбомашины, отличающаяся тем, что элементы теплообмена (60, 60а-60i; 9), установленные в одном из элементов (11, 14, 14а, 14b, 15, 16, 16а, 16b, 18, 18а, 18с) выпускного газовоздушного тракта (10), выполнены с возможностью направлять часть потока горячих газов (1), проходящую через элементы теплообмена, с последующим использованием остаточной тепловой энергии указанной части потока горячих газов (1) для увеличения мощности на валу (30, 31) турбомашины (20, 20а, 20b), оставляя большую часть потока горячих газов (1) невозмущенной.

Изобретение относится к системам очистки от оксидов азота газов и может быть использовано для очистки выхлопных газов газотурбинных двигателей, например, газоперекачивающих агрегатов, газотурбинных электростанций.

Глушитель предназначен для снижения шума выхлопной струи пара. Глушитель состоит из верхней и нижней ступеней.

Концевые бандажи (411) на лопатках (419) последней ступени конденсационной паровой турбины (410) могут создавать значительное препятствие и образовывать завихрение у стенки паронаправляющей (423, 424) диффузора (300), что приводит к отрыву потока пара от указанной стенки паронаправляющей.

Диффузор (20), в частности, для осевого компрессора, предпочтительно стационарной газотурбинной установки. В диффузоре (20) кольцевой канал (17), имеющий первую площадь поперечного сечения, переходит в выходное пространство (21), имеющее вторую, большую площадь поперечного сечения вдоль оси (31) машины.

Выхлопной диффузор (10) для газовой турбины имеет расширяющийся в направлении выхода (20) диффузора проточный канал (22), в центре которого предусмотрен распространяющийся в осевом направлении направляющий аппарат (14).

Устройство выпуска отработавшего пара для модуля паровой турбины снабжено каналом (4а, 4b) для выпуска пара, ограниченным поверхностью (8а, 8b) диффузора (5а, 5b), направляющей пар, а также нижней стенкой (7а, 7b).

Выпускной патрубок (110) паровой турбины (10) содержит нижний выпускной патрубок (105), направляющую (24) для пара, отверстие (26) конденсатора, пластину (200) выпускного патрубка и внутренний канал (215).

Выпускное устройство (100) осевой паровой турбины содержит внутренний корпус (116) турбины и конденсатор (140) турбины, установленный ниже выпускного кожуха (121). Выпускной кожух (121) содержит верхний выпускной кожух (122) и нижний выпускной кожух (123) и обеспечивает двойной выпускной тракт (180, 190) к конденсатору (140) турбины.

Изобретение относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки механической, тепловой или электрической энергии. Выхлопное устройство энергетической установки содержит корпус, преобразующий горизонтальное движение потока выхлопных газов в вертикальное.

Уплотнительный узел применяется в ротационной машине. Ротационная машина содержит корпус статора, имеющий радиально внутреннюю поверхность, ограничивающую полость внутри указанного корпуса, и ротор, расположенный в указанной полости и отстоящий во внутреннем направлении от внутренней поверхности статора.

Уплотнительный узел для турбомашины содержит по меньшей мере одну дугообразную пластину, поджимающий элемент и по меньшей мере один сегмент уплотнительного кольца.

Настоящее изобретение предназначено для обеспечения перемещения крышки центробежного компрессора так, чтобы зазор между крышкой и лопастями колеса компрессора оставался постоянным и наименьшим.

Осевой компрессор (10) газотурбинного двигателя содержит корпус (12), который имеет внутреннюю стенку, образующую аэродинамическую базовую поверхность для канала для прохода газа, и в котором смонтировано рабочее колесо (14), имеющее радиальные лопатки (18).

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных на внутренних кольцевых элементах.

Изобретение относится к энергетике. В системе уплотнения зазора между двумя соседними, испытывающими тепловую и/или механическую нагрузку конструктивными элементами тепловой машины, в частности турбомашины или газовой турбины, включающей в себя уплотнение, которое установлено в проходящей поперек зазора, пересекающей зазор выемке, уплотнение по меньшей мере частично состоит из сплава с эффектом запоминания формы таким образом, что при превышении заданной предельной температуры его уплотнительные свойства изменяются.

Изобретение относится к энергетике. Турбина содержит первую внутреннюю стенку, вторую внутреннюю стенку, внутреннюю обшивку и защитный элемент.

Сборка обоймы турбины содержит опорную конструкцию обоймы и множество секторов обоймы, каждый из которых содержит единый элемент из композитного материала с керамической матрицей.

Турбина низкого давления, в которой с внутренней стороны корпуса установлено секторное разрезное кольцо с уплотняющей сотовой вставкой, расположенной со стороны верхней полки рабочей лопатки турбины.

Группа изобретений относится к уплотнительной технике. Уплотнительный узел (146) содержит первый гибкий уплотнительный компонент (136), расположенный в проходящей радиально внутрь зоне неподвижной части и находящийся во фрикционном контакте с поверхностью (142) вращающейся части.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть применено в энергетической отрасли, а также в автомобильной, судостроительной, авиационной и других транспортных отраслях.
Наверх