Осевая турбина

Область техники.
Заявленная полезная модель относится к турбомашиностроению и может быть применена конструкции одноступенчатой активной осевой турбины или первой ступени многоступенчатой турбины, содержащей сопловой аппарат с осесимметричными соплами и одновенечное рабочее колесо с лопатками, входные и выходные углы которых равны.
Уровень техники.
Известны сопловые аппараты, содержащие сопла прямоугольного сечения, включающие разгонный и выходной участки (Паровые и газовые турбины, М.А. Трубилов и др., Москва, Энергоатомиздат, 1985, с. 55, рис. 2.25; авторское свидетельство SU 1216376 А).
Недостатком известных сопловых аппаратов с соплами прямоугольного сечения является то, что они обладают недостаточно высокой эффективностью. Это связано с вторичными течениями, вызываемыми поперечным градиентом давления. Градиент возникает в результате криволинейного движения потока в разгонной части сопел. Под действием градиента давления частицы под действием центробежных сил приобретают поперечную составляющую скорости, в результате чего появляется вторичный вихрь, который снижает эффективность сопла, кроме этого, негативное влияние на работу сопел оказывает неравномерное распределение эпюры скорости потока при его переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости и при выходе в косой срез.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является турбинная ступень SU 1076603 А, сопловой аппарат которой содержит кольцо и выполненные в нем тангенциальные сопла, каждое из которых имеет круглое поперечное сечение, прямолинейную ось, расположенную под углом к торцам кольца, и входной участок в виде цилиндра с плоским кольцевым основанием, на входа потока выполнена угловая расточка, поверхности которой образованы двумя соосными кольцу однополостными гиперболоидами, образующая одного из которых расположена на пересечении цилиндра с плоскостью, проходящей через ось сопла параллельно оси кольца, а образующая другого - параллельно указанной плоскости и касательно к основанию цилиндра.
Недостатками данного устройства являются неоправданная сложность входных частей соплового аппарата и большие потери кинетической энергии на выходе из соплового аппарата, в осевом зазоре, на входе в рабочее колесо, что приводит к снижению экономичности турбинной ступени.
Раскрытие полезной модели.
Задачей заявленной полезной модели является разработка надежного и экономичного устройства.
Технический результат заявленной полезной модели направлен на повышение внутреннего КПД устройства.
Технический результат заявленной полезной модели достигается благодаря тому, что осевая турбина содержит сопловой аппарат с осесимметричными соплами, имеющими прямые оси, являющимися образующими линейчатого однополостного гиперболоида вращения, входные и выходные участки сопел в виде цилиндров с плоскими кольцевыми основаниями и рабочее колесо с лопатками, входные и выходные углы которых равны, отличающаяся тем, что входные цилиндрические участки сопел ограничены торцевой, радиусной и цилиндрической поверхностями, касательными к окружностям оснований входных участков сопел, горло, рассмотренного гиперболоида, расположено на среднем диаметре в плоскости входных кромок периферийных неудлиненных профилей лопаток рабочего колеса, лопатки рабочего колеса имеют удлиненные входные кромки, ограниченные торцевой, радиусной и конусной поверхностями, торцевая поверхность переходит в конусную в месте ее пересечения с поверхностью рассмотренного гиперболоида, конусность задается касанием конусной поверхности радиусных кромок не удлиненных периферийных профилей лопаток рабочего колеса, радиус скругления торцевой и конической поверхностей равен радиусу сопла на выходе, выходные поверхности соплового аппарата эквидистантны на величину осевого зазора соответствующим ограничивающим поверхностям кромок лопаток рабочего колеса.
Краткое описание чертежей.
Заявленная полезная модель поясняется фигурами:
фиг. 1 - общий вид осевой турбины,
фиг. 2 - вид в разрезе осевой турбины.
1 - кольцо;
2 - тангециальные сопла;
3 - прямолинейная ось сопла;
4, 5 - торцы кольца соплового аппарата;
6 - поперечное сечение однополостного гиперболоида вращения;
7 - лопатки рабочего колеса;
8 - рабочее колесо;
9 - кромки периферийных неудлиненных профилей лопаток рабочего колеса;
10 - входной участок сопла;
11 - плоское кольцевое основание сопла;
12 - кольцевая поверхность соплового аппарата;
13 - торцевая поверхность на выходе из соплового аппарата;
14 - конусная поверхность на выходе из соплового аппарата;
15 - входные кромки лопаток рабочего колеса;
16 - ограничительная торцевая поверхность кромки лопаток рабочего колеса;
17 - ограничительная конусная поверхность кромки лопаток рабочего колеса;
18 - радиусная поверхность соплового аппарата;
19 - ограничительная радиусная поверхность лопаток рабочего колеса;
20 - радиусная поверхность на входе в сопловой аппарат.
Осуществление полезной модели.
Турбина состоит из соплового аппарата с осесимметричными соплами и рабочего колеса с лопатками.
1
Сопловой аппарат осевой турбины содержит кольцо 1 и выполненные в нем тангенциальные сопла 2, каждое из которых имеет круглое поперечное сечение, прямолинейную ось 3, расположенную под углом α к торцам 4 и 5 кольца 1, принадлежащие однополостному гиперболоиду вращения с поперечными сечениями 6, горло которого находится на среднем диаметре лопаток 7 рабочего колеса 8 в плоскости входных кромок периферийных неудлиненных профилей 9, и входной участок 10 в виде цилиндра с плоским кольцевым основанием 11, причем входные участки сопел 10 ограничены торцом 4 и кольцевой поверхностью 12, торец 4 и кольцевая поверхность 12 обеспечивают минимально возможное расстояние от основания 11, поверхности скруглены радиусом, обеспечивающим аналогичное расстояние от основания 11, на выходе сопла 2 ограничены торцевой 13 и конусной 14 поверхностями.
Рабочее колесо 8 состоит из диска и рабочих лопаток 7, причем входные кромки 15 удлинены и ограничены торцевой 16 и конусной 17 поверхностями, точка пересечения поверхностей расположена на гиперболах 6, поверхности 16 и 17 скруглены радиусом, равным выходному радиусу сопла 2, поверхность 19, поверхности 13, 14 и радиусная поверхность 18 соплового аппарата эквидистантны поверхностям 16, 17 и 19 рабочего колеса 8.
При работе турбины входной кольцевой патрубок, поверхности 4, 12 и 20 и сопла соплового аппарата формируют течение, близкое к прямолинейным линиям тока, соответствующим расположению осей 3 сопел 2. Поверхность 12 пересекает входные участки 10 сопел 2, предельно укорачивая их и образуя входные отверстия минимального периметра, что обеспечивает равномерность потока по сечению отверстия и оптимальные условия обтекания острых кромок разделительных перемычек.
При таком выполнении уменьшаются потери во входных участках 10 сопел 2 и уменьшается неравномерность потока, что повышает экономичность соплового аппарата.
Установка сопел 2 соплового аппарата с расположением горла гиперболоида, поперечные сечения 6, на среднем диаметре лопаток 7 рабочего колеса 8 в плоскости входных кромок периферийных неудлиненных профилей 9 и конусно-торцевое ограничение соплового аппарата и лопаток рабочего колеса обеспечивают минимизацию потерь кинетической энергии в сопловом аппарате за счет уменьшения косых срезов сопел, в осевом зазоре - за счет уменьшения длины свободного расширения струи рабочего тела, в рабочем колесе - за счет отсутствия радиальных составляющих скорости, направленных к периферии.
Заявленное устройство дополнительно повышает надежность за счет снижения эрозионного износа рабочих лопаток, за счет профилирования входных кромок рабочих лопаток.