Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины
TURBINE ADJUSTABLE GUIDE VANES AND METHOD OF THE TURBINE OPERATION

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.