ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ ТУРБИНА
CENTRIPETAL TURBINE

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 низким объемным расходом рабочего тела, включая турбокомпрессоры для наддува двигателей внутреннего сгорания и микроэнергетику.
Изобретение предназначено для повышения экономичности центростремительных турбин малой мощности, в которых высота рабочих лопаток из-за низкого объемного расхода рабочего тела и требований к надежности приводит к увеличенному зазору между периферией лопаток и корпусом до величины не менее 5-7% от высоты выходной кромки рабочей лопатки.
Турбина состоит из двух основных элементов - ротора и статора (корпуса), между которыми в процессе работы не должно возникать контакта. При расширении и изменении направления движения рабочего тела в проточном тракте с разных сторон рабочей лопатки возникает перепад давления, благодаря которому совершается механическая работа. При этом некоторая часть потока, протекающая в пространстве зазора между лопатками и корпусом, не совершает полезной работы, что вызывает потери с утечкой рабочего тела. Очевидно, что потери тем больше, чем больше величина относительного зазора.
В целях увеличения экономичности турбины целесообразно минимизировать указанный зазор, однако это не всегда представляется возможным из-за требований к эксплуатационной надежности (для исключения задевания ротора о статор на всех режимах работы).
Для решения задачи повышения экономичности турбины известна конструкция, описанная в авторском свидетельстве СССР №1574967, опубликованном 30.06.1990 г., которая состоит из корпуса и рабочего колеса с покрывным диском. Для уменьшения утечек между корпусом и покрывным диском расположены лабиринтные уплотнения, предназначенные для уменьшения потерь. Однако данную конструкцию невозможно использовать для высокотемпературных и высокооборотных турбин, так как покрывной диск существенно увеличивает уровень напряжений в материале рабочего колеса из-за центробежных сил и тепловых деформаций.
Для повышения экономичности также известна центростремительная турбина, включающая направляющий аппарат, корпус и рабочее колесо турбины с бандажом на выходной (осевой) части лопаточного аппарата (авторское свидетельство СССР №641130, опубликовано 05.01.1979). Причем для уменьшения концевых потерь и повышения КПД турбины над бандажом выполнена кольцевая выемка, а выходная часть лопаток имеет положительную перекрышу по отношению к корпусу. Расположение бандажа в специальной выемке не допускает его срывного обтекания и уменьшает концевые потери в периферийной зоне лопаток. Наличие надбандажных уплотнений уменьшает потери с утечкой рабочего тела в пространстве между корпусом и бандажом. Данная конструкция является вариантом рабочего колеса с покрывным диском, роль которого выполняет бандаж, расположенный на том участке проточной части колеса, где его влияние наиболее эффективно.
Однако известная конструкция обладает всеми ограничениями, характерными для рабочего колеса с покрывным диском, то есть она вызывает дополнительные нагрузки на лопаточный аппарат колеса вследствие увеличенных центробежных сил (влияние дополнительной массы). Наличие бандажа также негативно отражается на надежности турбины при высокой температуре рабочего тела (и материала рабочего колеса) из-за напряжений, вызванных тепловыми деформациями. Следовательно, данная конструкция не может быть использована для высокотемпературных и высокооборотных центростремительных турбин.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является центростремительная турбина, раскрытая в патенте РФ №2612309, опубл. 06.03.2017. Известная турбина содержит корпус, радиально-осевое рабочее колесо, снабженное лопаточным аппаратом, причем в 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. Как показали результаты 3D численного моделирования, для достижения гарантированного эффекта повышения экономичности конструкции прототипа необходима тщательная оптимизация геометрии лопаточного аппарата рабочего колеса с учетом влияния зазора и выступа на профиль выходной скорости (эффект достигается только при минимизации суммарных потерь от утечек через зазор и с выходной скоростью из рабочего колеса). Данная особенность конструкции требует большого объема расчетных исследований и дополнительных проработок.
Задача предлагаемого изобретения - создание новой центростремительной турбины, отличающейся повышенной эффективностью.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) турбины.
Для достижения технического результата предлагается центростремительная турбина, содержащая направляющий аппарат, корпус и радиально - осевое рабочее колесо с лопаточным аппаратом. Причем на выходной части каждой из рабочих лопаток лопаточного аппарата выполнен выступ, при этом на внутренней поверхности корпуса напротив выступов на выходных частях рабочих лопаток выполнен кольцевой уступ, при этом величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом постоянна.
На выходе из радиально - осевого рабочего колеса турбины поток меняет направление от центростремительного к осевому и происходит отклонение потока в сторону, противоположную вращению колеса. При этом часть потока, обладающая наибольшей кинетической энергией, устремляется в зазор между корпусом и периферийными кромками лопаток рабочего колеса, что вызывает потери. Очевидно, что сокращение потерь с утечками рабочего тела через зазор приведет к росту КПД турбины.
Эффект повышения КПД достигается за счет того, что энергия протекающего в зазоре потока направляется на совершение полезной работы при повороте этого потока на выступах, выполненных на выходных частях рабочих лопаток рабочего колеса. Минимально необходимая величина зазора между ротором и корпусом, а именно между периферией лопаточного аппарата и корпусом, определяется условиями надежности (исключение возможности задевания ротора о корпус), поэтому для наиболее выгодного соотношения экономичности и надежности величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом должна быть постоянной.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 показано меридиональное сечение лопаточного аппарата радиально - осевого рабочего колеса центростремительной турбины.
На фиг. 2 укрупненно показан участок I, выделенный на фиг. 1, в масштабе 5:1.
Центростремительная турбина содержит направляющий аппарат 1, корпус 2 и радиально - осевое рабочее колесо 3 с лопаточным аппаратом, при этом на выходной части каждой из рабочих лопаток 4 лопаточного аппарата выполнен выступ 5, а на внутренней поверхности корпуса напротив выступов 5 выполнен кольцевой уступ 6, при этом величина зазора δ между периферией лопаточного аппарата рабочего колеса 3 и корпусом 2 постоянна.
Центростремительная турбина работает следующим образом.
Рабочее тело (газ) подается в полость (на чертеже не показана) перед направляющим аппаратом 1, представляющим собой совокупность каналов, образованных сопловыми лопатками. Рабочее тело натекает на сопловые лопатки направляющего аппарата 1 в радиальном направлении от периферии к центру.
В межлопаточных каналах направляющего аппарата 1 поток рабочего тела расширятся, ускоряется и отклоняется в тангенциальном направлении в сторону вращения радиально - осевого рабочего колеса 3 с лопаточным аппаратом. После чего поток газа попадает в межлопаточное пространство радиально - осевого рабочего колеса 3 и в зазор δ между корпусом 2 и рабочими лопатками 4 лопаточного аппарата.
Выступы 5, каждый из которых выполнен на выходной части рабочей лопатки 4 лопаточного аппарата, в совокупности с уступом 6, выполненном на внутренней поверхности корпуса 2 напротив выступов 5, способствуют отклонению рабочего тела, попавшего в зазор между корпусом 2 и рабочим колесом 3, и направлению его в межлопаточное пространство, где он вместе с основным потоком рабочего тела совершает полезную работу. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить суммарные потери (по выходной скорости и утечкам через зазор) и повысить КПД турбины примерно на 2-3%.