РЕГУЛИРУЕМАЯ ПАРЦИАЛЬНАЯ ТУРБОМАШИНА

Полезная модель относится к машиностроению в области регулирования турбомашин с частичным облопачиванием рабочего колеса.
Известна осевая парциальная турбина с частичным облопачиванием рабочего колеса, т.е. содержащая лопатки только на части окружности рабочего колеса. (Авторское свидетельство №1420190, F01D 1/04, опубл. 1988 г.)
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является регулируемая парциальная турбомашина с частичным облопачиванием рабочего колеса, содержащая сопловой аппарат с соплами по всей его окружности, рабочее колесо, рабочие лопатки которого установлены на части диска, а также кожух, установленный соосно с рабочим колесом с возможностью совместного вращения и подключенный к механизму перемещения, выполненный по меньшей мере из двух соединенных между собой секторов, охватывающих рабочее колесо со стороны входных и выходных кромок рабочих лопаток по всей высоте последних, и установленный с возможностью перемещения в окружном направлении относительно рабочего колеса под воздействием управляющего сигнала от автоматического, или иного регулирующего устройства. (Авторское свидетельство. №1724898, F01D 1/02, опубл. 1994 г.)
У турбины с частичным облопачиванием рабочего колеса все лопатки одинаковы и в процессе регулирования мощности последовательно перекрываются кожухом, изменяя число лопаток, обтекаемых потоком рабочего тела. При таком способе регулирования мощность изменяется путем изменения расхода рабочего тела через ступень при неизменных параметрах рабочего тела перед ступенью турбины, поэтому менять профиль сопловых или рабочих лопаток нет необходимости.
Однако КПД таких турбомашин на переменных режимах может быть оптимальным только при условии неизменности теплоперепада на ступень, т.е. при неизменных параметрах рабочего тела. Это объясняется тем, что все лопатки рабочего колеса имеют одинаковые геометрические параметры, а изменение мощности происходит за счет изменения расхода рабочего тела через ступень при перекрытии кожухом части межлопаточных каналов рабочего колеса.
1
1
1
1
1
Если же на переменных режимах работы турбомашины меняются параметры рабочего тела, то изменяются и треугольники скоростей турбинной ступени. На Фиг. 1 показано как при неизменном угле установки сопел α изменение параметров рабочего тела приводит к изменению величин абсолютных и относительных скоростей потока c и w и, как следствие, к изменению угла входа потока на рабочие лопатки β. При неизменных геометрических параметрах лопаток рабочего колеса изменение угла входа потока β приводит к увеличению потерь кинетической энергии от нерасчетного обтекания лопаток рабочего колеса и соответствующему падению КПД турбины.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности турбомашин с частичным облопачиванием рабочего колеса на переменных режимах путем снижения потерь кинетической энергии потока от нерасчетного обтекания лопаток рабочего колеса.
Для решения технической задачи предлагается конструкция парциальной турбомашины изменяемой геометрии, в которой геометрические параметры рабочего колеса соответствуют текущему режиму работы турбины.
Поставленная задача решается тем, что в известной регулируемой парциальной турбомашине содержащей сопловой аппарат с соплами по всей его окружности, рабочее колесо, рабочие лопатки которого установлены на части диска, кожух, выполненный, по меньшей мере, из двух соединенных между собой секторов, охватывающих рабочее колесо со стороны входных и выходных кромок рабочих лопаток по всей высоте последних, и установленный соосно с рабочим колесом с возможностью совместного вращения и перемещения в окружном направлении относительно рабочего колеса, и подключенный к механизму перемещения согласно полезной модели рабочее колесо выполнено по крайней мере, с двумя секторами рабочих лопаток, причем, каждый сектор внутри себя содержит лопатки равных геометрических параметров, отличающихся от геометрических параметров рабочих лопаток другого сектора различными углами наклона входных и выходных кромок и пропускной способностью межлопаточных каналов, а поворотный кожух установлен с возможностью менять положение под воздействием управляющего сигнала, при этом частично или полностью закрывается ранее открытый сектор рабочего колеса и частично или полностью открывается сектор с лопатками других геометрических параметров, соответствующих изменившимся параметрам рабочего тела.
Технический результат полезной модели - повышение экономичности парциальной турбомашины на переменных режимах, и достигается конструкцией, обеспечивающей снижение потерь кинетической энергии потока от нерасчетного обтекания лопаток рабочего колеса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на Фиг. 2 представлен разрез осевой турбины с одним из возможных устройств окружного перемещения вращающегося кожуха;
на Фиг. 3 представлен разрез А-А по фиг. 2;
на Фиг. 4 показано положение диафрагмы на рабочем колесе на номинальном режиме работы ступени;
на Фиг. 5 показано положение кожуха на режиме регулирования;
на Фиг. 6 представлена развертка ступени.
Парциальная турбомашина изменяемой геометрии содержит сопловой аппарат 1 с соплами, выполненными по всей его окружности, рабочее колесо 2, содержащее два облопаченных сектора, поворотный кожух 3, связанный с устройством окружного перемещения кожуха, которое содержит регулировочный поршень 4, штифт 5, скользящий по винтовому пазу, поршневую полость 6, пружину 7 и направляющие шпонки 8.
Турбомашина работает следующим образом:
Рабочее тело поступает в сопловой аппарат 1 и из него на лопатки рабочего колеса 2. после чего выбрасывается наружу. На номинальном режиме работы турбомашины поворотный кожух 3 занимает положение, при котором один из его секторов располагается на необлопаченной части диска рабочего колеса, а другой перекрывает лопаточный сектор с лопатками, имеющими геометрические параметры, отличающиеся от параметров лопаток открытого сектора. При изменении давления рабочего тела меняется величина управляющего сигнала, поступающего от измерительного органа регулирующего устройства на механизм окружного перемещения поворотного кожуха. В предлагаемом техническом решении возможно применение любого известного регулирующего устройства, обеспечивающего функцию окружного перемещения вращающегося кожуха с фиксацией его положения на рабочем колесе при отсутствии управляющего сигнала.
Для демонстрации принципа работы предлагаемого технического решения на фиг. 2 показана одна из возможных конструкций регулирующего устройства. Здесь управляющим сигналом является изменение давления рабочего тела в поршневой полости 6, соединенной с источником рабочего тела. Поршень 4, вращающийся синхронно с рабочим колесом благодаря скользящему шпоночному соединению, перемещается под воздействием изменившегося давления продольно по направляющим шпонкам 8 и своим штифтом 5 воздействует на поверхность винтового паза, выполненного во втулочной части кожуха 3. При этом кожух поворачивается относительно рабочего колеса в окружном направлении. Перемещаясь, сектор кожуха перекрывает межлопаточные каналы открытого сектора 9 рабочего колеса, как со стороны входа, так и со стороны выхода, одновременно открывая рабочие лопатки другого сектора 10 с геометрическими параметрами, отличными от геометрических параметров лопаток сектора 9. Поворот кожуха происходит до тех пор, пока сила давления рабочего тела на поршень не уравновесится силой сжатия пружины 7. При этом на рабочем колесе будут открыты те лопатки, геометрические параметры которых наиболее соответствуют новому режиму работы и обеспечивающие наименьший уровень потерь кинетической энергии от нерасчетного обтекания рабочих лопаток рабочего колеса при данных геометрических параметрах.
Направление перемещения кожуха изначально согласуется с отклонением давления рабочего тела в большую, или меньшую сторону от номинального. В этом случае положение поворотного кожуха на рабочем колесе, а следовательно, и открытый сектор лопаток, всегда будет соответствовать текущим параметрам рабочего тела перед турбиной.
Вывод:
Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность работы турбомашины за счет уменьшения потери кинетической энергии потока от нерасчетного обтекания лопаток рабочего колеса при изменении параметров рабочего тела.