Центростремительная турбина
CENTRIFUGAL 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 малой мощности с небольшим объемным расходом рабочего тела.
Известна конструкция, предназначенная для уменьшения утечек рабочего тела [1], включающая в себя рабочее колесо центростремительной турбины с покрывным диском. Между корпусом турбины и покрывным диском для уменьшения утечек установлено бесконтактное лабиринтное уплотнение, представляющее собой совокупность кольцевых выступов (уплотнительных гребней), расположенных на роторе и статоре таким образом, что выступы перекрывают друг друга и образуют лабиринт. За счет гидравлического сопротивления, создаваемого лабиринтом, расход рабочего тела через зазоры заметно снижается.
Данная конструкция имеет ряд существенных ограничений для ее использования в высокотемпературных высокооборотных радиально-осевых турбинах. Наличие покрывного диска существенно повышает напряжения в материале рабочего колеса, вызванные центробежными силами и неравномерным тепловым расширением.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является конструкция центробежной турбины, предназначенной для минимизации зазоров между корпусом и лопаточным аппаратом рабочего колеса [2], принятая за прототип. Конструкция включает в себя радиально-осевое рабочее колесо и корпус (статор), покрытый с внутренней стороны специальным мягким материалом, обладающим такими механическими свойствами, что при соприкосновении с лопатками колеса происходит его быстрый износ без повреждения лопаточного аппарата колеса. Таким образом, в процессе работы турбины устанавливается минимально возможный зазор между ротором и статором в проточной части.
Однако использование данной конструкции имеет ряд существенных ограничений. Она может быть использована без ущерба для надежности только в том случае, если предполагаемая толщина слоя мягкого материала, истираемого в процессе приработки ротора и статора, не превышает 0,1-0,3 миллиметра, что характерно для турбин с жестким валом (работающим с частотой вращения ниже первой критической) и умеренных тепловых расширений рабочего колеса.
Для высокооборотной турбины изготовить вал жестким часто не представляется возможным. При прохождении критической частоты амплитуда прецессии может достигать значительной величины, что приведет к чрезмерной нагрузке на лопаточный аппарат рабочего колеса при выработке большой толщины (более 0,5 мм) истираемого слоя на корпусе и аварийной ситуации.
Зазор между лопаточным аппаратом рабочего колеса и корпусом по условию надежности (во избежание задевания ротора о статор на всех рабочих и переходных режимах) должен быть не менее 1-1,5 мм.
Данная проблема особенно актуальна для высокооборотных турбин небольшой мощности, где в качестве опор используют магнитные подшипники или подшипники с газовой смазкой, которые обладают заметно большей податливостью по сравнению с шариковыми подшипниками или подшипниками жидкого трения.
Ротор турбины на таких опорах при прохождении резонансных частот в процессе его разгона и останова может достигать значительных амплитуд прецессии, что может привести к задеванию ротора о статор и возникновению аварийной ситуации.
Для высокотемпературных центростремительных турбин значительные тепловые деформации рабочего колеса турбины не позволяют уменьшить зазоры в проточной части до приемлемой величины. Использование покрывного диска также неприемлемо вследствие дополнительных напряжений из-за центробежных сил и неравномерности нагрева и расширения материала покрывного диска и лопаток.
В целях повышения эксплуатационной надежности целесообразно увеличить зазор между рабочим колесом и статором до значений, гарантирующих безаварийную работу турбины.
Известно, что наибольшее влияние на КПД центростремительной турбины оказывают потери энергии с выходной скоростью. Минимального значения они достигают при осевом направлении потока (при отсутствии закрутки). Увеличение зазоров из соображения надежности приводит к столь существенному увеличению потерь с утечками рабочего тела, что в общей сумме потерь они становятся определяющими.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении утечек рабочего тела через зазор между лопатками рабочего колеса и корпусом и, следовательно, к повышению КПД турбины.
Для обеспечения технического результата предлагается центростремительная турбина, состоящая из корпуса и рабочего колеса с лопаточным аппаратом. На внутренней поверхности корпуса в месте смены направления потока рабочего тела с радиального на осевое выполнен кольцевой выступ. Лопатки рабочего колеса в меридиональном сечении повторяют форму внутренней поверхности корпуса, а зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса выполнен постоянным. Касательная линия к внутренней поверхности корпуса, в месте смены направления потока рабочего тела в меридиональном сечении может образовывать с осью турбины угол в пределах 20-30 градусов. Кольцевой выступ может быть выполнен с плоской поверхностью, расположенной по нормали к набегающему потоку рабочего тела.
Турбина конструктивно состоит из двух основных элементов: ротора и статора (корпуса), между которыми в процессе работы не должно быть контакта.
Так как в проточном тракте обязательно имеют место зазоры между ротором и статором (корпусом), то в процессе расширения рабочего тела возникают протечки в эти зазоры в обход основного потока, совершающего полезную работу.
В целях увеличения экономичности турбины целесообразно минимизировать указанные зазоры, однако это не всегда представляется возможным, так как из-за требований к эксплуатационной надежности (для исключения задевания ротора о корпус) на всех режимах работы приходится увеличивать зазор между лопатками рабочего колеса ротора и корпусом. Увеличенный зазор, в свою очередь, приводит к дополнительным потерям и снижению КПД турбины.
Структура потока рабочего тела в межлопаточном пространстве рабочего колеса центростремительной турбины имеет следующую особенность: часть потока, обладающая наибольшей скоростью, сосредоточена у периферии лопаточного аппарата, т.е. в районе зазора между лопатками и корпусом.
На выходе из рабочего колеса ротора поток меняет направление от центростремительного к осевому и происходит резкое отклонение потока в сторону противоположную вращению колеса за счет формы рабочих лопаток. При этом часть потока, обладающая наибольшей кинетической энергией, устремляется в зазор между корпусом и выходными кромками рабочего колеса ротора. Очевидно, что сокращение утечек рабочего тела через зазор приведет к увеличению КПД турбины.
Эффект повышения экономичности достигается за счет уменьшения утечек рабочего тела через зазор между лопаточным аппаратом рабочего колеса и статором вследствие того, что кольцевой выступ препятствует движению газа в зазоре и вытесняет его в межлопаточное пространство, совершает полезную работу.
В зоне радиального движения рабочего тела утечкам препятствует сила Кориолиса, которая направлена против движения струек перетекающего газа и смещает их вдоль кромки лопатки вниз по потоку. Часть потока, попадающая в осевой зазор, не участвует в преобразовании энергии в рабочем колесе и вызывают потери с утечкой через зазор. Однако, на радиальном участке проточной части потери, вызванные утечками, не столь велики (из-за силы Кориолиса).
Выполнение угла γ в пределах 20-300 обеспечивает смену направления потока газа в межлопаточных каналах рабочего колеса в месте расположения выступа с радиального на осевое. Если угол γ>30°, то поток рабочего тела в месте расположения выступа будет иметь преимущественно радиальное направление, и влияние вытеснения утечек из зазора в межлопаточное пространство на КПД ступени будет незначительным; если угол γ<20°, то теряется значительная часть потока газа в зазоре, которая могла быть вытесненной выступом в межлопаточное пространство и совершить полезную работу.
После изменения направления потока на осевое газ, следуя форме межлопаточного канала, отклоняется в окружном направлении в сторону противоположную вращению. При этом поток газа в зазоре, не совершая полезной работы, устремляется к выходу из проточной части колеса.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором показано меридиональное сечение центростремительной турбины. На фигуре изображены: 1 - корпус, 2 - радиально - осевое рабочее колесо, 3 - ротор, 4 - кольцевой выступ, 5 - выходная кромка лопаточного аппарата радиально - осевого рабочего колеса, 6 - сопловой аппарат.
Центростремительная турбина работает следующим образом.
Рабочее тело (газ) подается в полость (на фигуре не показана) перед сопловым аппаратом 6, представляющим собой совокупность каналов, образованных сопловыми лопатками. Рабочее тело натекает на сопловые лопатки 6 в радиальном направлении от периферии к центру.
В межлопаточных каналах соплового аппарата 6 поток рабочего тела расширятся, ускоряется и отклоняется в тангенциальном направлении в сторону вращения радиально - осевого рабочего колеса 2. После чего поток газа попадает в межлопаточное пространство радиально - осевого рабочего колеса 2 и в зазор между корпусом и лопаточным аппаратом рабочего колеса.
Кольцевой выступ, выполненный на корпусе 1 в месте смены направления потока рабочего тела с радиального на осевое, создает гидравлическое сопротивление потоку рабочего тела, попавшего в зазор, и способствует отклонению его в межлопаточное пространство, где он вместе с основным потоком рабочего тела совершает полезную работу.
Расчеты (численные эксперименты) с использованием программного комплекса ANSYS показали, что наличие кольцевого выступа, перекрывающего зазор между корпусом и лопаточным аппаратом рабочего колеса, позволяет уменьшить суммарные потери (по выходной скорости и утечками через зазор) и повысить КПД турбины примерно на 2,5-3%.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1574967 от 30.06.90 г.
2. Патент США №5,975,845 от 02.11.1999 г.