Периферийное устройство для снижения утечек теплоносителя

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в необандаженных ступенях паровых и газовых турбин. Периферийное уплотнение необандаженных турбинных ступеней, содержащее на внешнем обводе винтовые канавки в области радиального зазора необандаженной турбинной ступени. В периферийной зоне необандаженных турбинных ступеней установлены кольцевые электромагниты шлицевого типа, генерирующие в область радиального зазора электромагнитное поле в частотном диапазоне от 10⁹ до 10¹³ Гц, а винтовые канавки выполнены под углом 75° к оси турбомашины. Достигается снижение утечек теплоносителя через радиальный зазор турбинных ступеней необандаженного типа и генерируемой при этом вибрации и звуковой энергии. 5 ил.

 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в необандаженных ступенях паровых и газовых турбин.

В периферийной области необандаженной рабочей решетки турбинной ступени течения имеют явно выраженный трехмерный характер. Попадая в область внешнего обвода ступени, энергоноситель разделяется на основной межлопаточный поток, периферийный (в зоне радиального зазора между основным межлопаточным потоком и поверхностью внешнего обвода ступени) и щелевой (в пространстве между периферийной торцевой поверхностью рабочих лопаток и наружным обводом) потоки, обладающие высокой энергией. Взаимодействие у вершины рабочих лопаток щелевого, периферийного и основного потоков вызывает развитие у выпуклой поверхности лопаток вихревого слоя, который, закручиваясь в спираль, образует ядро вращающейся рабочей среды. Нестационарность входящего в рабочее колесо потока способствует неустойчивости течения в пограничном слое у периферии рабочей решетки и образованию местных срывных вихревых дорожек. В этих условиях движение газа сопровождается значительными потерями энергии, генерацией вибрационных процессов и мощного звукового давления.

Известно уплотнение радиального зазора турбомашины, содержащее установленное в корпусе кольцо, на обращенной к лопаткам поверхности которого выполнены кольцевые канавки, отличающиеся тем, что с целью повышения эффективности работы путем уменьшения концевых протечек теплоносителя уплотнение снабжено охватывающим кольцо вибратором, выполненным в виде пьезокерамического цилиндра с нанесенными на его внутренней и наружной поверхностях электродами, закрепленными по внутренней поверхности в кольце, а по торцам на корпусе (см. а.с. СССР, №1471661, кл. F01D 11/08, 1996). Недостатком данного устройства является дополнительное потребление энергии и создание вибронагрузки на элементы турбомашины, что может вызвать их резонанс.

Для снижения утечек рабочего тела может быть использовано надроторное устройство компрессора, содержащее ребра, расположенные в дополнительной кольцеобразной полости в корпусе компрессора, расположенной над рабочей лопаткой ступени компрессора и сообщающейся с проточной частью компрессора, под углом к продольной оси компрессора, оснащенное ребрами, которые расположены под одинаковым углом к поверхности, обращенной в сторону проточной части, в дополнительной кольцеобразной полости, соединены с ней в единое целое и имеют клинообразное заострение на концах (см. RU №2282754, кл. F04D 27/02, 2006). Недостатком данного устройства является его недостаточная эффективность в сравнении с предлагаемым конструктивным вариантом.

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для снижения утечек теплоносителя через радиальный зазор турбинных ступеней необандаженного типа и генерируемой при этом вибрации и звуковой энергии.

Данная задача достигается тем, что периферийное уплотнение необандаженных турбинных ступеней, содержащее винтовые канавки, находящееся в области радиального зазора необандаженной турбинной ступени, отличающееся тем, что в периферийной зоне необандаженных турбинных ступеней установлены кольцевые электромагниты шлицевого типа, генерирующие электромагнитное поле в частотном диапазоне от 10⁹ до 10¹³ Гц, а винтовые канавки выполнены под углом 75° к оси турбомашины.

Данное изобретение предлагает создание на внешнем обводе рабочего колеса винтовых профильных канавок, обеспечивающих эффект "запирания" потока у периферии.

Дополнительно уменьшить интенсивность высокотурбуленного вихревого течения на внешнем обводе рабочих лопаток при высоких числах Рейнольдса возможно за счет ламинаризации потока - снижения уровня анизотропии жидкости в периферийном пограничном слое.

Для формирования изотропной формы течения энергоносителя в области радиальных зазоров рабочих колес турбин следует организовать внешнее воздействие на молекулы газа в пограничном слое переменным магнитным полем с частотным диапазоном от 10⁹ до 10¹³ Гц, что адекватно частоте их собственных колебаний.

Реализовать этот метод гашения виброакустической активности газа возможно созданием переменного магнитного поля. С этой целью в области радиального зазора турбинной ступени следует установить кольцевой электромагнит шлицевого типа.

Предлагаемое изобретение позволит ламинаризировать периферийный поток, уменьшив протечки рабочего тела через радиальный зазор и тем самым повысить эффективность работы турбины, значительно сократить уровень излучаемой звуковой энергии, исключить срывные явления в зоне периферийных радиальных зазоров необандаженных рабочих решеток, что повысит вибронадежность и экономичность турбомашин.

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано.

На фиг. 1 изображено периферийное уплотнение с винтовыми канавками на внешнем обводе рабочего колеса.

На фиг. 2 представлены профильные канавки винтового типа (вид Б на фиг. 1).

На фиг. 3 представлена схема течения рабочего тела внутри винтовой канавки.

На фиг. 4 представлена схема течения рабочего тела у внешнего обвода ступени, оснащенного винтовыми канавками, выполненными под углом α_к (75°) к оси машины (вид А на фиг. 1).

На фиг. 5 представлена зависимость КПД ступени от конструкции внешнего обвода.

Устройство для снижения утечек через радиальный зазор в (фиг. 1) необандаженной турбинной ступени, состоящей из направляющего аппарата 1 и рабочего колеса 2, представляет собой профильные канавки винтового типа 3 и установленный на внешнем обводе 4 компрессора кольцевой электромагнит шлицевого типа 5.

Устройство работает следующим образом: в процессе взаимодействия щелевого и основного потоков ядро вращающейся рабочей среды, попадая внутрь профильной канавки винтового типа 3 (фиг. 1, 2, 3), оказывает влияние на основной поток, протекающий у периферии под определенным углом к оси ротора, заставляет его смещаться в сторону межвенцевого зазора ступени, снижая тем самым величину периферийных утечек теплоносителя (фиг. 4).

Исследования эффективности работы такого вида уплотнительных устройств были выполнены на динамическом воздушном стенде с использованием моделей высоконагруженного турбинного отсека.

Испытания турбинных ступеней выполнялись при пяти углах наклона канавок уплотнения α_к рабочего колеса 2 (по отношению к оси машины) α_к=82°, 78°, 75°, 71° и 68° и величине радиального зазора δ=0,5 мм (фиг. 1).

Зависимость КПД ступени от конструкции внешнего обвода представлены на фиг. 5: 6 - для гладкого кольца; 7 - для кольца с винтовой канавкой при α_к=75°.

КПД исходного варианта турбинной ступени (с гладким периферийным кольцом) имел значение η_исх=0,82 на оптимальном режиме работы (фиг. 1, 5).

Исследования турбинного отсека при наличии винтовых канавок 3 на периферийном обводе позволили установить, что наибольшее увеличение КПД ступени получено при α_к=75°, где его прирост составил 0,8% (фиг. 5). В этих условиях зарегистрированы и минимальные уровни вибрации и шума, генерируемые в турбинном отсеке.

Для дополнительного снижения протечек рабочего тела и виброакустической активности ступени следует оснастить периферийный обвод конструкции кольцевым магнитным устройством 5 шлицевого типа с соответствующими электромагнитными характеристиками (фиг. 1).

Настройку магнитной системы следует производить в процессе доводки энергоблока при стендовых испытаниях турбинного отсека.

Таким образом, использование в необандаженных турбинных ступенях периферийных обводов, оснащенных винтовыми канавками с углом наклона 75° и электромагнитом, генерирующим магнитное поле частотой 10⁹…10¹³ Гц, позволит ламинаризировать течение в области радиальных зазоров рабочих колес, существенно повысить их экономичность и вибронадежность, значительно сократить уровень излучаемой звуковой энергии.

Периферийное уплотнение необандаженных турбинных ступеней, содержащее на внешнем обводе винтовые канавки в области радиального зазора необандаженной турбинной ступени, отличающееся тем, что в периферийной зоне необандаженных турбинных ступеней установлены кольцевые электромагниты шлицевого типа, генерирующие в область радиального зазора электромагнитное поле в частотном диапазоне от 10⁹ до 10¹³ Гц, а винтовые канавки выполнены под углом 75° к оси турбомашины.