Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины



Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины

Владельцы патента RU 2658168:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) (RU)

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использована в паротурбинных приводах, транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания. Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит внутренний корпус, наружный корпус, неподвижные лопатки, подвижные лопатки, поворотный механизм, при этом подвижные лопатки имеют полки, на наружной поверхности которых со стороны корыта подвижной лопатки закреплены цапфы, опирающиеся на внутренний и наружный корпуса, а поворотный механизм содержит зубчатое кольцо, выполненное с возможностью вращения, и зубчатые сектора, причем зубчатый сектор каждой подвижной лопатки расположен на продолжении одной из полок подвижной лопатки. Также раскрыто устройство турбины и способ работы турбины. Технический результат заключается в повышении экономичности турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов за счет обеспечения изменения углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата, а также повышение надежности турбины за счет упрощения конструкции механизма регулирования и сокращения количества уплотнений. Кроме того, обеспечивается уменьшение гидравлических потерь в сопловом аппарате и достигается более эффективная работа соплового аппарата на номинальном режиме и режиме частичных нагрузок. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использована в паротурбинных приводах, транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания.

Известен регулируемый направляющий аппарат турбомашины (Авторское свидетельство СССР №1645570, опубл. 1978 г.), который содержит наружную и внутреннюю обечайки с фигурными прорезями в которых установлены с возможностью перемещения пластинчатые лопатки, связанные с приводом. Привод выполнен в виде обоймы, установленной на шлицах на валу с возможностью осевого перемещения, шарнирно соединенных с обоймой рычагов с грузами, подшипника и связанной с ним втулки, подпружиненной относительно внутренней обечайки, причем лопатки закреплены на наружной поверхности втулки.

При запуске турбомашины с увеличением частоты вращения вала грузы под действием центробежной силы посредством рычагов смещают обойму по шлицам вала. Обойма передает усилие через подшипник втулке, и пластинчатые лопатки перемещаются в прорезях и принимают обусловленную конфигурацией последних форму. Жесткость пружин ограничивает перемещение лопаток. При дальнейшем увеличении частоты вращения вала в результате соответствующего перемещения лопаток угол закрутки потока на входе в рабочее колесо возрастает.

При снижении частоты вращения вала центробежная сила, действующая на грузы, уменьшается, втулка и обойма под действием пружин удаляются от колеса, лопатки перемещаются в прорезях, и угол закрутки потока на входе в колесо уменьшается.

Недостатками этого технического решения являются сложность устройства для регулирования направления потока на входе в рабочее колесо турбины, низкий коэффициент полезного действия ступени из-за плохой аэродинамики профиля подвижной лопатки. Отсутствует возможность принудительного регулирования направляющего аппарата.

Известны конструктивные решения регулируемого соплового аппарата газотурбинного двигателя (Патент США №4497171, опубл. 05.02.1985 г.), один из вариантов которых содержит в проточной части, между наружным и внутренним корпусами, неподвижные сопловые лопатки и, закрепленные на вращающемся диске рабочие лопатки. В наружном корпусе имеется полость, в которой располагаются подвижные лопатки, которые, при необходимости, с помощью поворотного механизма, вводятся в проточную часть радиально к продольной оси газотурбинного двигателя. Поворотный механизм состоит из ведущего зубчатого кольца, ведомых шестерен с внутренней резьбовой втулкой и резьбовых шток-цапф подвижных лопаток.

Недостатками этого технического решения являются сложность конструкции устройства для регулирования соплового аппарата турбины, большие габариты наружного корпуса и необходимость обеспечения герметичности наружного корпуса в местах прохода шток-цапф каждой подвижной лопатки. При разных углах установки подвижной и неподвижной лопаток соплового аппарата, неполное погружение подвижной лопатки в проточную часть будет характеризоваться низким к.п.д. турбины.

Известен также регулируемый сопловой аппарат (Патент США №5620301, опубл. 15.04.1997 г.), содержащий поворотные лопатки с осями вращения, которые проходят через корпус. На противоположной лопатке стороне ось крепится к зубчатому сектору. Сектор приводится в движение ведущим зубчатым кольцом. Сектор имеет торцевые поверхности ограничивающие, вместе с упором, разворот сектора.

Недостатком этого технического решения является необходимость обеспечения герметичности наружного корпуса в местах прохода осей вращения поворотных лопаток. При повороте лопатки от оптимального положения уменьшается к.п.д. турбиной ступени.

В качестве прототипа выбран регулируемый сопловой аппарат турбины (Патент США №5683225, опубл. 04.11.1997 г.), который содержит сопловые лопатки, неподвижно закрепленные между внутренним и наружным корпусами. В наружном корпусе имеются прорези, через которые в проточной части соплового аппарата, со стороны корыта лопатки установлены подвижные заслонки, которые в проточной части имеют обтекаемый профиль, а внутри корпуса фланец и зубчатую рейку. Механизм перемещения заслонки имеет шестерню, закрепленную на стержне болта. К болту снаружи корпуса, крепится рычаг, обеспечивающий вращение болта от поворотного кольца.

Во время работы турбины на номинальном режиме заслонка находится в положении близком к входной кромке лопатки. В случае необходимости уменьшения мощности турбины вращается поворотное кольцо. При этом, через рычаг вращается болт с шестерней, перемещая через зубчатую рейку заслонку вдоль корыта лопатки к выходной кромке уменьшая площадь горла соплового аппарата.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции устройства для регулирования соплового аппарата турбины, большие габариты наружного корпуса и ненадежность из-за необходимости обеспечения герметичности наружного корпуса в местах установки болтов привода подвижных заслонок. Кроме того, размещение заслонки в проточной части соплового аппарата ухудшает аэродинамические характеристики турбины.

Задачей, на решение которой направлены заявленные изобретения, является устранение указанных недостатков прототипа.

Технический результат заключается в повышении экономичности турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов за счет обеспечения изменения углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата, а также повышение надежности турбины за счет упрощения конструкции механизма регулирования и сокращения количества уплотнений. Кроме того, обеспечивается уменьшение гидравлических потерь в сопловом аппарате и достигается более эффективная работа соплового аппарата на номинальном режиме и режиме частичных нагрузок.

Указанный технический результат достигается в регулируемом сопловом аппарате турбины, который содержит внутренний корпус, наружный корпус, неподвижные лопатки, подвижные лопатки, поворотный механизм, при этом подвижные лопатки имеют полки, на наружной поверхности которых со стороны корыта подвижной лопатки закреплены цапфы, опирающиеся на внутренний и наружный корпуса, а поворотный механизм содержит зубчатое кольцо, выполненное с возможностью вращения, и зубчатые сектора, причем зубчатый сектор каждой подвижной лопатки расположен на продолжении одной из полок подвижной лопатки.

Каждый зубчатый сектор может быть расположен на внешней стороне одной из полок.

По меньшей мере часть внутренней поверхности полок может быть выполнена таким образом, чтобы обеспечить безударное и безотрывное движение потока рабочего тела.

Высота подвижной лопатки вместе с полками может быть меньше высоты неподвижных лопаток.

Зазор δ между каждой из полок и соответствующим внутренним или наружным корпусами выбирается исходя из условия обеспечения работы соплового аппарата с учетом теплового расширения.

Турбина содержит регулируемый сопловой аппарат и систему управления турбиной. При этом зубчатое кольцо соплового аппарата соединено с приводом, выполненным с возможностью получения сигнала от системы управления турбиной.

Положение подвижных лопаток задается системой управления турбины путем поворота зубчатого колеса, воздействующего на зубчатые сектора, на заданную величину в зависимости от режима работы.

Система управления турбины содержит команды для перемещения подвижных лопаток на по меньшей мере три разные положения.

Три положения подвижных лопаток соответствуют режиму, при котором подвижные лопатки находятся в положении, соответствующем максимальному открытию проходного сечения соплового аппарата, режиму, при котором подвижные лопатки находятся в положении, соответствующем максимальному перекрытию проходного сечения и режиму частичной мощности, при котором подвижные лопатки находятся в положении между указанными положениями подвижных лопаток на двух других режимах.

Вышеуказанные признаки в совокупности также влияют на изменения расхода и угла выхода потока рабочего тела, при минимальных паразитных гидравлических потерях. Крепление поворотных лопаток не предполагает нарушения герметичности наружного корпуса турбины.

Изобретения поясняются чертежами, на которых изображены:

фиг. 1 - продольный разрез турбины;

фиг. 2 - разрез Б-Б на фиг. 1 в положении «открыто»;

фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1 в положении «частичная мощность»;

фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1 в положении «закрыто»;

фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 3.

Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит внутренний 1 (фиг. 1) и наружный 2 корпус, неподвижные лопатки 3 с входной кромкой 4, подвижные лопатки 5 с корытом 6, цапфы 7, полки 8, 9 с внутренними 10 и наружными 11 поверхностями, герметичный корпус 12 и поворотный механизм, включающий зубчатое кольцо 13 и зубчатые секторы 14. Обозначены направление движения потока рабочего тела РТ, высоты h и Н, зазоры δ, горло f. Показан регулируемый сопловой аппарат турбины в положениях «открыто» (фиг. 2), «частичная мощность» (фиг. 3) и «закрыто» (фиг. 4).

При этом цапфы 7 подвижной лопатки 5 закреплены на ее полках 8, 9 со стороны корыта 6 и опираются на внутренний 1 и наружный 2 корпус соплового аппарата со стороны входной кромки 4 неподвижной лопатки 3. Высота h подвижной лопатки 5 вместе с полками 8 и 9 меньше, на величину зазора 5, высоты Н неподвижных лопаток 3. Полки 8 и 9 выполнены в виде профильных фланцев. Полка 9 продлена за цапфу 7, где имеет зубчатый сектор 14. Зубчатый сектор 14 расположен на наружной поверхности 11 полки 9. Внутренние поверхности 10 полок 8, 9 выполнены профильными, с кривизной безударного и безотрывного направления потока рабочего тела на вход в сопловый аппарат. Взаимное расположение неподвижных лопаток 3 относительно цапф 7 и подвижных лопаток 5 определяют траекторию движения лопатки 5 по проточной части соплового аппарата турбины, с возможностью изменения его проходного сечения и угла выхода потока рабочего тела. При этом высота h и зазор 5 обеспечивают беспрепятственное движение подвижных лопаток 5 в проточной части соплового аппарата между лопатками 3, внутренним 1 и наружным 2 корпусом. При этом размер h меньше Н на величину зазора 8. Размер зазора 8 определяется из расчета тепловых расширений с учетом технологических отступлений в размерах деталей соплового аппарата.

Положение подвижных лопаток 5 задается системой управления турбины, с помощью поворотного устройства, имеющего электрический, пневматический или иной тип привода, и зубчатого кольца 13, расположенного внутри герметичного корпуса 12. Для выполнения режимов «открыто» (фиг. 2), «частичная мощность» (фиг. 3) и «закрыто» (фиг. 4) зубчатое кольцо 13 поворачивается на заданные величины и через расположенные на наружной поверхности 11 полок 9 зубчатые секторы 14, перемещает подвижные лопатки в нужное положение. При этом, профилирование внутренних поверхностей 10 полок 8, 9 обеспечивает движение потока рабочего тела на входе в сопловой аппарат с минимальными гидравлическими потерями.

В сравнении с известными устройствами, заявляемые устройства и способ обеспечивают более эффективную работу соплового аппарата на номинальном и частичных режимах работы турбины. Обеспечивается простота и надежность конструкции. Отсутствует необходимость обеспечения герметичности мест крепления подвижных лопаток соплового аппарата турбины.

1. Регулируемый сопловой аппарат турбины, содержащий внутренний корпус (1), наружный корпус (2), неподвижные лопатки (3), подвижные лопатки (5), поворотный механизм, отличающийся тем, что подвижные лопатки имеют полки (8, 9), на наружной поверхности которых со стороны корыта (6) подвижной лопатки (3) закреплены цапфы (7), опирающиеся на внутренний (1) и наружный (2) корпуса, а поворотный механизм содержит зубчатое кольцо (13), выполненное с возможностью вращения, и зубчатые сектора (14), причем зубчатый сектор (14) каждой подвижной лопатки (5) расположен на продолжении одной из полок (8, 9) подвижной лопатки (5).

2. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что каждый зубчатый сектор (14) расположен на внешней стороне одной из полок (8, 9).

3. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть внутренней поверхности (10) полок (8, 9) выполнена таким образом, чтобы обеспечить безударное и безотрывное движение потока рабочего тела.

4. Сопловой аппарат по п. 1, отличающийся тем, что высота подвижной лопатки (5) вместе с полками (8, 9) меньше высоты неподвижных лопаток (3).

5. Сопловой аппарат по п. 4, отличающийся тем, что зазор δ между каждой из полок (8, 9) и соответствующим внутренним (1) или наружным (2) корпусами выбирается исходя из условия обеспечения работы соплового аппарата с учетом теплового расширения.

6. Турбина, содержащая регулируемый сопловой аппарат по любому из предыдущих пунктов и включающая систему управления турбиной, отличающаяся тем, что зубчатое кольцо (13) соплового аппарата соединено с приводом, выполненным с возможностью получения сигнала от системы управления турбиной.

7. Способ работы турбины по п. 6, заключающийся в том, что положение подвижных лопаток задается системой управления турбины путем поворота зубчатого кольца (13), воздействующего на зубчатые сектора (14), на заданную величину в зависимости от режима работы.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что система управления турбины содержит команды для перемещения подвижных лопаток на по меньшей мере три разные положения.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что три положения подвижных лопаток соответствуют режиму, при котором подвижные лопатки (5) находятся в положении, соответствующем максимальному открытию проходного сечения соплового аппарата, режиму, при котором подвижные лопатки (5) находятся в положении, соответствующем максимальному перекрытию проходного сечения и режиму частичной мощности, при котором подвижные лопатки (5) находятся в положении между указанными положениями подвижных лопаток (5) на двух других режимах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для частичной компенсации осевого усилия действующего на осевой подшипник главных циркуляционных насосных агрегатов первого контура водоохлаждаемых реакторных установок, обеспечивая запуск электродвигателя насоса при полном давлении в контуре, а также для обеспечения благоприятных условий работы осевого подшипника на номинальной нагрузке.

Изобретение относится к насосам центробежным модульным, используемым для добычи жидкостей из скважин. Насос центробежный модульный содержит насосные модули с соединительными деталями, выполненными в виде вилки с кольцевыми проточками под стопорные полукольца.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к спрямляющим аппаратам компрессора газотурбинного двигателя. В спрямляющем аппарате компрессора газотурбинного двигателя, содержащем наружное кольцо, выполненное разборным и зафиксированное в составном корпусе, внутреннее кольцо и уплотнительное кольцо, выполненные разборными, лопатки, установленные в прорезях, выполненных по окружности в наружном и внутреннем кольцах соответственно, причем наружное и внутреннее кольца выполнены коническими относительно продольной оси компрессора газотурбинного двигателя, меньшие основания которых направлены в противолежащие стороны, согласно настоящему изобретению на участках лопаток, расположенных над наружным кольцом и под внутренним кольцом, выполнены поперечные прорези, в каждой из которых установлено по упругому элементу, контактирующему по обе стороны лопатки с наружной поверхностью наружного кольца или внутренней поверхностью внутреннего кольца соответственно, при этом любой из упругих элементов зафиксирован в поперечной прорези посредством установленного в ней стопорного элемента, контактирующего с его торцом.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в конструкциях уплотнительных узлов насосов, компрессоров и др. машин.

Группа изобретений относится к насосостроению, а именно к конструкции рабочего колеса для центробежного насоса, используемого для подачи как волокнистой суспензии, так и воды в напорный ящик машины для изготовления волокнистого полотна.

Изобретение относится к области турбостроения, а именно к способу изготовления рабочих колес центробежных компрессоров, в частности газотурбинных двигателей. Способ изготовления рабочего колеса из композиционных материалов, включающий раскрой слоев материала лопаток, при этом материал выходит за пределы контура лопатки со стороны корневого сечения на длину, большую длины дуги опорного кольца между соседними лопатками, а со стороны периферийного сечения на длину, большую длины дуги покрывного диска между соседними лопатками.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве центробежных насосов, в частности погружных насосов для перекачки воды и жидкого топлива.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при производстве центробежных насосов, в частности погружных насосов для перекачки воды и жидкого топлива.

Компрессорный узел турбомашины включает воздухозаборный канал, ступень сжатия воздуха, содержащую подвижное колесо компрессора и решетку предварительной закрутки, расположенную выше по потоку от подвижного колеса компрессора для регулирования скорости воздуха в воздушном потоке на входе подвижного колеса и содержащую множество лопаток с регулируемым углом установки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при изготовлении погружных центробежных насосов для добычи нефти. Рабочее колесо и/или направляющий аппарат ступени погружного центробежного насоса выполнены из гибкого материала, и внутри них сделаны каналы, заполненные жидкостью или газом под давлением.

Компрессорный узел турбомашины включает воздухозаборный канал, ступень сжатия воздуха, содержащую подвижное колесо компрессора и решетку предварительной закрутки, расположенную выше по потоку от подвижного колеса компрессора для регулирования скорости воздуха в воздушном потоке на входе подвижного колеса и содержащую множество лопаток с регулируемым углом установки.

Компрессорный узел турбомашины включает воздухозаборный канал, ступень сжатия воздуха, содержащую подвижное колесо компрессора и решетку предварительной закрутки, расположенную выше по потоку от подвижного колеса компрессора для регулирования скорости воздуха в воздушном потоке на входе подвижного колеса и содержащую множество лопаток с регулируемым углом установки.

Регулируемый входной направляющий аппарат компрессора газотурбинного двигателя состоит из наружного корпуса, внутреннего кольца и расположенных между ними направляющих лопаток, состоящих из неподвижных стоек и поворотных закрылков.

Двухконтурный турбореактивный двигатель (1), в особенности для летательного аппарата, в котором циркулируют сверху по потоку вниз воздушные потоки, при этом турбомашина (1) проходит в осевом направлении и содержит внутренний корпус (11), межконтурный корпус (12) и наружный корпус (13).

Изобретение может быть использовано для конструирования узлов компрессора с регулируемым направляющим аппаратом, преимущественно для газотурбинного двигателя. Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины содержит двухопорные поворотные лопатки 1 с внутренними цапфами 4, размещенными между наружным корпусом 2 и разъемным кольцом 3, и фторопластовые втулки 6, каждая из которых контактирует с поверхностью внутренней цапфы 4 поворотной лопатки и ответным радиальным отверстием разъемного кольца 3.

Компрессор содержит поворотные статорные лопатки. Лопатка компрессора имеет аэродинамическую часть заданного профиля по существу в соответствии со значениями X, Y и Z декартовой системы координат, приведенными в масштабируемой таблице, которая выбрана из группы таблиц, состоящей из Таблиц 1-2, и в которой значения X, Y и Z декартовой системы координат являются безразмерными значениями, преобразуемыми в размерные расстояния путем умножения значений X, Y и Z декартовой системы координат на некоторое число, причем координаты X и Y представляют собой координаты, которые, будучи соединенными непрерывными дугами, определяют сечения профиля аэродинамической части на каждой высоте Z, при этом сечения профиля аэродинамической части на каждой высоте Z плавно соединены друг с другом с формированием полной формы аэродинамической части.

Изобретение относится к конструированию узлов компрессора с регулируемым направляющим аппаратом, преимущественно для газотурбинного двигателя. Регулируемый направляющий аппарат осевого компрессора турбомашины содержит двухопорные поворотные лопатки, размещенные между наружным корпусом и внутренним разъемным кольцом, а также фторопластовые втулки.

Изобретение относится к высоконапорным компрессорам газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Высоконапорный компрессор включает в себя консольные лопатки поворотного направляющего аппарата, установленные внешними цапфами в Г-образном кольцевом ребре наружного корпуса.

Управляющее устройство для управления поворотными лопатками турбомашины включает множество поворотных лопаток, ориентированных радиально относительно оси турбомашины, и кольцевой управляющий участок для управления поворотом лопаток.

Группа изобретений относится к насосному устройству (2), устанавливаемому коаксиально в трубе (3), и насосной системе (1), содержащей насосное устройство (2). Насосное устройство (2) включает осевой или радиально-осевой насос, содержащий направляющую трубку (7), расположенную вокруг участка рабочего колеса насосного устройства (2).

Соединительный опорный элемент 33, включающий две разделенные детали 34, 34, отделенные друг от друга, расположен в соединительном компоненте между хвостовой частью 21 лопатки, представляющей собой направляющую лопатку 20, и крепежным фланцем 31f, и две разделенные детали 34, 34 присоединены к хвостовой части 21 лопатки с обеих сторон в направлении толщины лопатки.

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использована в паротурбинных приводах, транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания. Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит внутренний корпус, наружный корпус, неподвижные лопатки, подвижные лопатки, поворотный механизм, при этом подвижные лопатки имеют полки, на наружной поверхности которых со стороны корыта подвижной лопатки закреплены цапфы, опирающиеся на внутренний и наружный корпуса, а поворотный механизм содержит зубчатое кольцо, выполненное с возможностью вращения, и зубчатые сектора, причем зубчатый сектор каждой подвижной лопатки расположен на продолжении одной из полок подвижной лопатки. Также раскрыто устройство турбины и способ работы турбины. Технический результат заключается в повышении экономичности турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов за счет обеспечения изменения углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата, а также повышение надежности турбины за счет упрощения конструкции механизма регулирования и сокращения количества уплотнений. Кроме того, обеспечивается уменьшение гидравлических потерь в сопловом аппарате и достигается более эффективная работа соплового аппарата на номинальном режиме и режиме частичных нагрузок. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх