Центробежно-осевая реактивная турбина

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к турбиностроению, и может быть использована в одноступенчатых турбодетандерных установках, как элемент конструкции ротора турбины.
Известна конструкция струйно-реактивной турбины (Патент Украины №97918, МПК F01D 1/00. Реактивна турбiна / Булат А.Ф., Чемерис I.Ф.; заявник та патентовласник iнститут геотехнiчноï механiки iм. М.С. Полякова НАН Украïни. - №201106516; заяв. 24.05.11; опубл. 26.03.12, Бюл. №6). Реактивная турбина содержит ротор с каналами подвода рабочего тела к соплам, причем каналы присоединены к узловой полости, расположенной на валу турбины. Каналы состоят из прямолинейного радиального участка, выход которого соединен со входом криволинейного участка, выход которого ориентирован по направлению вращения ротора турбины и соединен со входом сужающейся части сопла. Далее расширяющиеся части сопла закреплены с помощью резьбового соединения с криволинейными каналами, выпуклые стороны которых обращены в сторону вращения ротора турбины, при этом выходы расширяющихся частей сопла ориентированы против направления вращения ротора турбины. Части и сопла соединены хомутом. По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким аналогом.
0
opt
0
Недостатком устройства, принятого за прототип, является то, что бездисковая конструкция ротора имеет прочностные ограничения и не обеспечивает достаточно высокую предельную окружную скорость. Кроме этого, в заявленной конструкции при вращении каналов подвода возникают значительные потери кинетической энергии от вихреобразования и трения, а также не оптимального значения характеристического числа (u/C), где u - окружная скорость турбины, м/с, С - изоэнтропийная скорость истечения рабочего тела из сопел потокообразующего диска, м/с. Перечисленные недостатки существенно снижают экономичность (КПД) турбины.
0
opt
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание центробежно-осевой реактивной турбины дисковой конструкции с оптимальным значением характеристического числа (u/C), обеспечивающей высокие прочностные характеристики и увеличение КПД.
Технический результат - увеличение предельной окружной скорости турбины и снижение потерь кинетической энергии на вихреобразование и на трение при вращении рабочего колеса.
max
Центробежно-осевая реактивная турбина, содержащая потокообразующий и покрывной диски, причем потокообразующий диск выполнен с центральным обтекателем, криволинейными радиальными конфузорными каналами, расположенными с шагом b, где D - средний диаметр критического сечения сопла, м, z - максимальное число сопел,
max
и заканчивающимися тангенциальными соплами, установленными под углом α к плоскости вращения турбины, где α - геометрический угол выхода потока рабочего тела из тангенциальных сопел потокообразующего диска, изменяющийся в пределах от 1° до 89°, причем максимальное число сопел z равняется количеству криволинейных радиальных конфузорных каналов и определяется выражением:
max
кр
z =  , где D - средний диаметр критического сечения сопла, м, ε - степень парциальности турбинной ступени, d - ширина критического сечения сопла, м,
0
opt
0
D = , где n - частота вращения ротора турбины, об/мин, характеристическое число (u/C) находится в пределах от 0,15 до 0,45, u - окружная скорость турбины, м/с, C - изоэнтропийная скорость истечения рабочего тела из сопел потокообразующего диска, м/с;
кр
при этом отношение высоты критического сечения сопла ℓ к ширине критического сечения сопла d находится в пределах от 1 до 3, а покрывной диск выполнен с лабиринтовым уплотнением, расположенным на наружной стенке центрального осевого канала.
Выполнение потокообразующего и покрывного дисков оригинальной конструкции центробежно-осевой реактивной турбины обеспечивает увеличение предельной окружной скорости и высокие прочностные характеристики элементов турбин. Снижение потерь кинетической энергии на вихреобразование и на трение при вращении рабочего колеса достигается за счет выполнения криволинейных радиальных конфузорных каналов с переменной шириной, заканчивающихся тангенциальными соплами, установленными под углом α к плоскости вращения турбины. Геометрию конфузорных каналов подбирают таким образом, чтобы угол входа потока рабочего тела из каналов в сопла был минимальным: менее 90° и в идеале близким к 0°. Если угол входа потока из канала в сопло равен 90°, то образуются области срыва потока и завихрения, что приводит к существенным потерям кинетической энергии и снижению КПД турбины.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 изображен продольный разрез центробежно-осевой реактивной турбины, где 1 - потокообразующий диск, 2 - покрывной диск; 3 - криволинейные радиальные конфузорные каналы; 5 - тангенциальные сопла; 6 - лабиринтовое уплотнение; 7 - осевой канал; 8 - центральный обтекатель;
- на Фиг. 2 изображен потокообразующий диск 1, где 4 - соосные сквозные отверстия для стяжных болтов;
- на Фиг. 3 изображено сечение Б-Б периферийного участка с тангенциальным соплом 5 потокообразующего диска 1, которое наложено на развертку сечения А-А;
- на Фиг. 4 изображено сечение В-В потокообразующего диска 1.
max
Центробежно-осевая реактивная турбина состоит из потокообразующего диска 1 и покрывного диска 2. Потокообразующий диск 1 выполнен с криволинейными радиальными конфузорными каналами 3, расположенными с шагом b, где D - средний диаметр критического сечения сопла, м, z - максимальное число сопел, с центральным обтекателем 8. Криволинейные радиальные конфузорные каналы 3 переходят в тангенциальные сопла 5, установленными под углом α к плоскости вращения турбины, где α - геометрический угол выхода потока рабочего тела из тангенциальных сопел 5 потокообразующего диска 1. Угол α изменяется в пределах от 1° до 89°. Максимальное число сопел 5 равняется количеству криволинейных радиальных конфузорных каналов 3 и определяется выражением:
max
кр
z= , где D - средний диаметр критического сечения сопла, м, ε - степень парциальности турбинной ступени, d - ширина критического сечения сопла, м,
0
opt
0
D = , где n - частота вращения ротора турбины, об/мин, характеристическое число (u/C) находится в пределах от 0,15 до 0,45, u - окружная скорость турбины, м/с, C - изоэнтропийная скорость истечения рабочего тела из сопел потокообразующего диска, м/с.
кр
Отношение высоты критического сечения ℓ сопла 5 к ширине критического сечения сопла d находится в пределах от 1 до 3. Покрывной диск 2 выполнен с лабиринтовым уплотнением 6, расположенным на наружной стенке центрального осевого канала 7. Параметры конструктивных элементов турбины были подобраны авторами экспериментально.
Потокообразующий диск 1 может быть соединен с покрывным диском 2 с помощью стяжных болтов, шайб и гаек, расположенных в соосных сквозных отверстиях 4 дисков. Диски могут быть изготовлены из стали 45 или из другого материала с более высокой прочностью для повышения предельной окружной скорости. Выполнение лабиринтового уплотнения 6 на наружной стенке центрального осевого канала 7 несущего диска 2 обеспечивает снижение расхода рабочего тела помимо проточной части турбины за счет минимальной перетечки рабочего тела между вращающимися деталями ротора и статора вследствие меньшей площади зазора по диаметру между ними.
При работе заявляемой турбины поток рабочего тела проходит через центральный осевой канал 7 в покрывном диске 2 и затем распределяется в криволинейные радиальные конфузорные каналы 3 потокообразующего диска 1. Выполнение криволинейных радиальных конфузорных каналов 3 с переменной шириной позволяет снизить потери на трение и на вихреобразование за счет уменьшения областей срывов и завихрений потока при распределении по каналам, далее вдоль стенок каналов и на повороте к соплам 5, таким образом формируется ламинарный поток рабочего тела на выходе из осевого канала 7 и перед входом в сопла 5, вследствие чего потери входного давления становятся минимальными, что способствует получению максимальной степени понижения давления рабочего тела в турбине. Целесообразно выполнение турбины с криволинейными радиальными конфузорными каналами не менее четырех для равномерного распределения потока рабочего тела.
Затем поток рабочего тела попадает в тангенциальные сопла 5, расположенные под углом α к плоскости вращения турбины, за счет чего возникает крутящий момент, обеспечивающий увеличение полезной мощности N турбины:
кр
кр
N = M × n, где M - крутящий момент, Н/м, n - частота вращения ротора турбины, об/мин.
Заявляемая центробежно-осевая реактивная турбина была испытана на экспериментальном стенде для исследования малорасходных турбомашин в опытной установке ЭУ-20 на кафедре «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» СПбПУ. Скорость вращения от 3200 до 12800 об/мин. Давление рабочего тела (сжатого воздуха) на входе в турбину составляло величину от 320815 до 320798 Па. Степень понижения давления рабочего тела (сжатого воздуха) при прохождении через турбинную ступень составила величину от 3,23 до 3,33. Расход рабочего тела (сжатого воздуха) через рабочее колесо турбины составило величину от 0,331 до 0,409 кг/с; температура газа на входе в рабочее колесо турбины 338 К. По результатам испытаний при номинальной (расчетной) скорости вращения 12800 об/мин обеспечивается надежная работа центробежно-осевой реактивной турбины с максимальным КПД, достигающим 55,2 %.