Сопловой аппарат турбины

Полезная модель относится к турбинам, которые широко применяются в теплоэнергетике, судостроении. Кроме того, турбины используют в составе системы жизнеобеспечения для аппаратов, применяемых в авиации и космонавтике, в мобильных электростанциях, т.е. в тех областях техники, где предъявляют жесткие требования к мобильности и массогабаритным показателям.
В парциальных микротурбинах нашли широкое применение сопловые аппараты с коническими осесимметричными соплами (см. Емин О.Н., Зарицкий С.П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. М., Машиностроение, 1975 г., стр. 16, рис. 19).
Такие сопловые аппараты просты в технологическом отношении и имеют минимальные газодинамические потери в осесимметричном сопле и приемлемые аэродинамические характеристики для отдельных областей применения.
Расширению области применения противодействуют два свойства осесимметричных сопел:
- выходное сечение таких сопел на плоскости косого среза имеет вид эллипса и плохо согласуется с прямоугольным входным сечением каналов рабочего колеса турбины;
высота лопатки ограничивает степень расширения сопла и вынуждает использовать сложные в конструктивном исполнении многосопельные сопловые аппараты.
В качестве ближайшего аналога принят сопловой аппарат турбины, содержащий сопло, имеющее разгонный участок и выходной участок, сообщенные между собой посредством критического сечения, причем выходное сечение сопла на плоскости косого среза выполнено обтекаемой формы и имеет средний радиус изгиба, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины (см. патент РФ 2433280, МПК F01D 9/02, F01D 1/04, дата публикации 10.11.2011).
Недостатком ближайшего аналога является низкая эффективность работы соплового аппарата из-за излома в критическом сечении, в котором происходит изменение конфигурации потока рабочего тела при его движении в направлении от разгонного участка до выходного участка, на это тратится дополнительная энергия и, как следствие, возникают дополнительные газодинамические потери.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка конструкции соплового аппарата с повышенным коэффициентом скорости и КПД.
Поставленная задача решается тем, что в сопловом аппарате турбины, содержащем сопло, имеющее разгонный участок и выходной участок, сообщенные между собой посредством критического сечения, причем выходное сечение сопла на плоскости косого среза выполнено обтекаемой формы и имеет средний радиус изгиба, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины, короткая и длинная стенки выходного участка соединены между собой посредством боковых стенок, ограничивающих по радиусу выходной участок, причем короткая стенка выходного участка с примыкающей стенкой разгонного участка выполнены соосными, а продольная ось длинной стенки выходного участка ориентирована под острым углом к продольной оси противолежащей короткой стенки выходного участка.
Кроме того, выходное сечение сопла на плоскости косого среза выполнено в виде фигурной щели, продольные стороны которой образованы боковыми стенками и выполнены в форме дуг, ограничивающих по радиусу выходной участок, и сопряжены с торцами, которые образованы короткой и длинной стенками и выполнены в форме дуг с радиусом, равным радиусу критического сечения.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении коэффициента скорости соплового аппарата из-за следующих факторов:
- соединение короткой и длинной стенок выходного участка, которые имеют форму дуг, посредством боковых стенок, ограничивающих по радиусу выходной участок, определяют форму выходного сечения соплового аппарата, которая хорошо согласуется с прямоугольным входным сечением рабочей решетки колеса турбины, степень расширения потока рабочего тела в сопле не ограничивается высотой лопатки;
- соосность стенки разгонного участка с примыкающей к ней короткой стенкой выходного участка способствует прямолинейному движению потока рабочего тела вдоль них, что минимизирует газодинамические потери кинетической энергии;
- ориентация короткой и длинной стенок выходного участка относительно друг друга, а также их выполнение в форме дуг приводит к плавному увеличению площади проходного сечения в направлении от критического сечения до плоскости косого среза, что позволяет улучшить условия обтекания рабочего колеса и, как следствие, повысить КПД.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность отличительных признаков предлагаемой полезной модели обеспечивает повышение коэффициента скорости соплового аппарата и его КПД.
На фиг. 1 изображен вертикальный разрез соплового аппарата турбины.
На фиг. 2 изображен вид сопла со стороны косого среза.
На фиг. 3 изображено выходное сечение сопла на плоскости косого среза.
На чертежах показаны разгонный 1 и выходной 2 участки сопла, критическое сечение 3, косой срез 4 сопла, короткая 5, длинная 6 и боковые 7 стенки выходного участка 2 соответственно, продольная ось 8 длинной стенки 6 выходного участка 2, продольная ось 9 короткой стенки 5 выходного участка 2.
Сопло содержит разгонный 1 и выходной 2 участки, сообщенные между собой посредством критического сечения 3.
Стенка разгонного участка 1 с примыкающей короткой стенкой 5 выходного участка 2 выполнена соосной.
Продольная ось 8 длинной стенки 6 выходного участка 2 ориентирована под острым углом к продольной оси 9 противолежащей короткой стенки 5 выходного участка 2, и они расположены в одной вертикальной плоскости.
Короткая 5 и длинная 6 стенки выходного участка 2 соединены между собой посредством боковых стенок 7, ограничивающих по радиусу выходной участок.
Выходное сечение сопла на плоскости косого среза 4 выполнено в виде фигурной щели, продольные стороны которой образованы боковыми стенками 7 и выполнены в форме дуг, ограничивающих по радиусу выходной участок, и сопряжены с торцами, которые образованы короткой 5 и длинной 6 стенками и выполнены в форме дуг с радиусом, равным радиусу критического сечения 3.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В сопловой аппарат подают рабочее тело со стороны разгонного участка 1.
В разгонном участке 1 поток рабочего тела увеличивает свою скорость до скорости звука в критическом сечении 3.
После критического сечения 3 рабочее тело расширяется на выходном участке 2 до выходного сечения сопла на плоскости косого среза 4 и приобретает скорость выше скорости звука.
Расширение происходит за счет увеличения площади проходного сечения канала от критического сечения 3 до выходного сечения сопла на плоскости косого среза 4 из-за равномерного увеличения ширины боковых стенок 7 выходного участка.
При этом лоток расширяется от короткой стенки 5 к длинной стенке 6, в результате происходит лучшее, по сравнению с аналогами, формирование потока рабочего тела.
Заявляемое устройство позволяет повысить коэффициент скорости соплового аппарата турбины благодаря конструкции выходного участка и формированию оптимальной структуры потока, что улучшит условия обтекания рабочего колеса и положительно скажется на КПД.