КОЛЕСО РАДИАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к радиально-осевым центростремительным турбинам устройства турбокомпрессора, применяемых в газотурбинных двигателях энергосиловых установок, предназначенных для выработки электричества. Предлагаемое устройство может быть использовано при создании конструкции турбокомпрессора.
Известно радиальное колесо турбины (патент РФ на изобретение RU 2485324 C2, F01D 5/04, опубл. 20.11.2012), которое содержит ступицу и расположенные на ней множество турбинных лопаток с постоянным интервалом и с формированием в указанной задней поверхности дугообразных углублений.
Недостатком данной схемы является невозможность осуществления охлаждения корневой части лопаток турбины; относительно большая масса, ограничивающая диапазоны рабочих частот.
Известно радиальное колесо турбины (патент US 6942460 B2, F01D 5/14, опубл. 17.01.2003), содержащее диск с расположенным на ней множеством турбинных лопаток с постоянным интервалом и с формированием волнообразного гребешка на периферии диска колеса турбины.
Недостатком данной схемы является невозможность осуществления охлаждения корневой части лопаток турбины; относительно большая масса, ограничивающая диапазоны рабочих частот.
Наиболее близким техническим решением является конструкция радиального колеса турбины (патент US 7481625 B2, F01D 5/04, опубл. 27.01.2009), содержащая ступицу и расположенные на ней множество турбинных лопаток изготовленных за одно целое, организующие дугообразные каналы, снабженные щелью на внутренней поверхности дугообразного канала входного участка.
Недостатком данной схемы является невозможность осуществления охлаждения корневой части лопаток турбины на выходе из дугообразного канала; относительно большая масса, ограничивающая диапазоны рабочих частот.
Технической задачей предполагаемого технического решения является повышение энергетических характеристик турбины и ресурса работы колеса турбины.
б
б
c
Технический результат достигается тем, что конструкция колеса турбины изготовленное за одно с валом и содержит множество турбинных лопаток, расположенных на диске с постоянным интервалом и с формированием дугообразного канала по ходу движения газа, причем радиус дугообразного канала задан как отрезок в множестве сечений между осью вращения и внутренней поверхностью дугообразного канала, а радиус пера лопатки задан как отрезок между осью вращения и торцем пера каждой из множества турбинных лопаток. На задней стороне колеса турбины сформированы полости, боковые стенки которых являются геометрическим продолжением поверхностей корытца и спинки лопаток колеса турбины, передняя стенка полости, снабженная цилиндрическим каналом, является эквидистантой к внутренней поверхности дугообразного канала, а боковые поверхности полости сходятся и образуют ребро, наклоненное под углом γ к оси вращения колеса турбины. Ось цилиндрического канала однозначно задается в пространстве относительно оси вращения колеса турбины углами α, β. Параметры рабочего колеса турбины должны удовлетворять следующим соотношениям: толщина передней h и боковых h стенок - h=(0,03-0,06)D, h=(0,02-0,06)D соответственно, диаметр цилиндрического канала - d=(0,005-0,01)D, радиус скругления ребер - r=(0,1-l,2)d, углы α, β, задающие пространственное положение оси цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины - α=1°-15°, β=1°-15° соответственно, угол, задающий положение оси вращения колеса турбины и ребра, организованного при пересечении двух боковых поверхностей внутренней полости - γ=0°-45°, где D - диаметр рабочего колеса турбины.
Предлагаемое техническое решение позволяет повысить энергетические характеристики турбины и ресурс работы колеса турбины, за счет облегчения рабочего колеса турбины при сохранении прочности колеса турбины, путем выполнения на тыльной стороне рабочего колеса турбины полостей, боковые стенки которых являются геометрическим продолжением поверхностей корытца и спинки лопаток колеса турбины, передняя стенка полости, снабженная цилиндрическим каналом, является эквидистантой к внутренней поверхности дугообразного канала, а боковые поверхности полости сходятся и образуют ребро, наклоненное под углом у к оси вращения колеса турбины, а также за счет
б
б
c
охлаждения корневой части лопатки на выходе из колеса, путем выполнения оси цилиндрического канала в передней стенки полости однозначно задающимся в пространстве относительно оси вращения колеса турбины углами α, β, при этом параметры рабочего колеса турбины должны удовлетворять следующим соотношениям: толщина передней h и боковых h стенок - h=(0,03-0,06)D, h=(0,02-0,06)D соответственно, диаметр цилиндрического канала - d=(0,005-0,01)D, радиус скругления ребер - r=(0,l-l,2)d, углы α, β, задающие пространственное положение оси цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины - α=1°-15°, β=1°-15° соответственно, угол, задающий положение оси вращения колеса турбины и ребра, организованного при пересечении двух боковых поверхностей внутренней полости - γ=0°-45°, где D - диаметр рабочего колеса турбины.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1, фиг. 2 изображен изометрический вид рабочего колеса турбины с спереди и сзади соответственно, на фиг. 3, фиг. 4 изображен вид рабочего колеса турбины сзади и спереди соответственно, на фиг. 5, фиг. 6 изображены вид сбоку и разрез рабочего колеса соответственно.
Рабочее колесо турбины, представленное в разрезе (фиг. 6), встраивающееся в турбокомпрессор, содержит множество турбинных лопаток 1, формирующие дугообразные каналы 2 по ходу движения газа, расположенные на диске 3 с постоянным интервалом и изготовлены за одно целое с валом 4. Причем радиус дугообразного канала задан как отрезок в множестве сечений между осью вращения и внутренней поверхностью дугообразного канала, а радиус пера лопатки задан как отрезок между осью вращения и торцем пера каждой из множества турбинных лопаток.
c.
б
б
На тыльной стороне колеса турбины организованы полости 5, боковые стенки 6, 7 (фиг. 2) которых являются геометрическим продолжением поверхностей спинки 8 и корытца 9 лопаток (фиг. 5) колеса турбины соответственно, передняя стенка 10 (фиг. 2) полости 5, снабженная цилиндрическим каналом 11, является эквидистантой к внутренней поверхности 12 дугообразного канала, а боковые поверхности 6, 7 полости сходятся образуют ребро 13, наклоненное под углом у к оси вращения колеса турбины. Внутренние ребра 14 (фиг. 2) полости 5 снабжены радиусом скругления rОсь 15 цилиндрического канала 11 однозначно задается в пространстве относительно оси вращения 16 колеса турбины углами α, β. Параметры рабочего колеса турбины должны удовлетворять следующим соотношениям: толщина передней h и боковых h стенок - h=(0,03-0,06)D, h=(0,02-0,06)D соответственно,
c
диаметр цилиндрического канала - d=(0,005-0,01)D, радиус скругления ребер - r=(0,1-l,2)d, углы α, β, задающие пространственное положение оси цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины - α=1°-15°, β=1°-15° соответственно, угол, задающий положение оси вращения колеса турбины и ребра, организованного при пересечении двух боковых поверхностей внутренней полости - γ=0°-45°, где D - диаметр рабочего колеса турбины.
Поток газообразного рабочего компонента подается на рабочее колесо турбины через агрегат подачи (не показано на фиг.), и проходя через множество дугообразных каналов, организованных лопатками колеса турбины, воздействует на стенки дугообразных каналов, тем самым приводя колесо турбины во вращение. Тыльная сторона, установленной в турбокомпрессоре (не показано на фиг.) турбины, обдувается холодным газообразным компонентом, подающимся через каналы герметизирующего устройства (не показано на фиг.). Холодный газообразный компонент, проходя через полости, организованные на тыльной стороне колеса турбины, поступает в цилиндрические каналы, расположенные в передней стенке полости, проходя которые, поступает в дугообразный канал рабочего колеса турбины и охлаждает тем самым корневую часть лопаток на выходе из колеса турбины. Равномерное охлаждение корневой части лопаток на выходе из колеса турбины обеспечивается расчетным положением цилиндрического канала, его длиной и угловым наклоном цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины. Охлаждение корневой части лопаток на выходе из колеса турбины необходимо для повышения температуры рабочего газообразного компонента, которое влияет на энергоэффективность работы колеса турбины. Масса и геометрические особенности колеса турбины определяют ее динамические характеристики, которые в свою очередь определяют резонансные частоты, от которых будет зависеть оптимальные режимы работы колеса турбины и турбокомпрессора в целом.
б
б
c
Для обеспечения повышения энергетических характеристик турбины и ресурса работы колеса турбины геометрические параметры рабочего колеса турбины должны удовлетворять следующим соотношениям: толщина передней h и боковых h стенок - h=(0,03-0,06)D, h=(0,02-0,06)D соответственно, диаметр цилиндрического канала - d=(0,005 - 0,01)D, радиус скругления ребер - r=(0,1-l,2)d, углы α, β, задающие пространственное положение оси цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины - α=1°
-15°, β=1°-15° соответственно, угол, задающий положение оси вращения колеса турбины и ребра, организованного при пересечении двух боковых поверхностей внутренней полости - β=0°-45°, где D - диаметр рабочего колеса турбины.
б
c
Однозначный подбор геометрических параметров таких, как h, h, d, D, r, α, β, γ, зависит от мощности турбокомпрессора, частоты вращения колеса турбины, свойств газообразного компонента и обеспечивает повышение энергетических характеристик турбины и ресурса работы колеса турбины.
б
б
c
С помощью предлагаемого колеса турбины решена поставленная задача по повышению энергетических характеристик турбины и ресурса работы колеса турбины, за счет облегчения рабочего колеса турбины при сохранении прочности колеса турбины, путем выполнения на тыльной стороне рабочего колеса турбины полостей, боковые стенки которых являются геометрическим продолжением лопаток колеса турбины, передняя стенка полости, снабженная цилиндрическим каналом, является эквидистантой к внутренней поверхности дугообразного канала, а боковые поверхности полости сходятся и образуют ребро, наклоненное под углом у к оси вращения колеса турбины, а также за счет охлаждения корневой части лопатки на выходе из колеса, путем выполнения цилиндрического канала в передней стенки полости, определяющимся однозначно расположением в пространстве относительно оси вращения колеса турбины углами α, β, при этом параметры рабочего колеса турбины должны удовлетворять следующим соотношениям: толщина передней h и боковых h стенок - h=(0,03-0,06)D, h=(0,02-0,06)D соответственно, диаметр цилиндрического канала - d=(0,005 - 0,01)D, радиус скругления ребер - r=(0,1-l,2)d, углы α, β, задающие пространственное положение оси цилиндрического канала относительно оси вращения колеса турбины - α=1°-15°, β=1°-15° соответственно, угол, задающий положение оси вращения колеса турбины и ребра, организованного при пересечении двух боковых поверхностей внутренней полости - γ=0°-45°, где D - диаметр рабочего колеса турбины.