Сопловой аппарат турбины высокого давления. Устройство и работа турбокомпрессоров различного типа и назначения

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Ключевые слова

Регулируемый сопловой аппарат, силовая турбина, Variable area nozzles for turbine stage, power turbine

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье представлен обзор основных преимуществ использования регулируемого соплового аппарата в силовой турбине ГТУ. Описан принцип действия и влияние поворота лопаток на эффективность турбины. Определены задачи, которые нужно решить для успешного применения РСА в силовой турбине приводных ГТУ.

Текст научной статьи

В научно-технической литературе довольно часто упоминается о регулировании газотурбинных установок с помощью поворота лопаток соплового аппарата силовой турбины . Однако имеющиеся теоретические сведения и экспериментальные данные не достаточны для более полного описания его преимуществ. Именно это обстоятельство, наряду с техническими сложностями, определяет скептическое отношение к использованию РСА у отечественных производителей. В зарубежной практике турбостроения, напротив, установки с регулируемым сопловым аппаратом давно и успешно применяются. Регулирование поворотом лопаток РСА помогает более эффективно эксплуатировать двигатель на частичных нагрузках , способствует увеличению маневренности и приспособляемости к переменным погодным условиям, приводит к снижению расхода топлива. Поворот лопаток соплового аппарата турбины позволяет : регулировать расход газа через турбину; изменять формы треугольников скоростей (это снижает потери в лопаточных решетках на нерасчетных режимах); перераспределять работу между ступенями турбины и каскадами. Использование регулируемого соплового аппарата в силовой турбине, как второго регулирующего фактора (помимо топливного клапана), при разных программах регулирования позволяет эксплуатировать двигатель в широком диапазоне режимов без существенного снижения КПД и с минимальным расходом топлива. Это особенно актуально для ГПА, которые часто работают при переменной нагрузке. В описан принцип изменения расхода рабочего тела, как при использовании РСА в первой ступени силовой турбины, так и в промежуточной и последней ступенях. Из приведенных расчетов видно, что для изменения расхода достаточно осуществить поворот лопатки СА первой ступени на определенный угол, тем самым изменив площадь проходного сечения СА. Если же РСА используется в промежуточной, либо последней ступени ССТ, то для такого же изменения расхода, потребуется поворачивать лопатки СА на больший угол, т.е. до тех пор, пока проходное сечение не изменится настолько, что перепад давления в первой ступени будет соответствовать требуемому изменению расхода. Как следствие - работа ступеней с большими углами атаки и меньшими внутренними КПД (Рисунок 1). Исходя из этого, и принимая во внимание то, что в настоящее время чаще применяются двух- и трехступенчатые силовые турбины, более эффективным будет применение РСА в первой ступени силовой турбины. Рис. 1 - Сравнение регулирования двухступенчатой турбины поворотом лопаток РСА: I - регулируется первый СА; II - регулируется второй СА Преимуществами установки РСА в первой ступени являются: изменение расхода рабочего тела не требует значительного изменения угла установки сопловых лопаток, что приводит к небольшому падению эффективности ступени и турбины; поворот лопаток соплового аппарата первой ступени не вызывает изменение степеней понижения давления в последующих ступенях; более активное влияние поворота сопловых лопаток первой ступени на характеристики турбины газогенератора и возможность изменения (поддержания) ее параметров. При повороте сопловых лопаток турбинной ступени происходит изменение угла α1, а значит - угла атаки при натекании потока на рабочие лопатки и внутреннего КПД ступени. В проанализировано влияние прикрытия либо раскрытия лопаток соплового аппарата на преобразование формы треугольников скоростей, изменение степени реактивности и удельной работы. Кроме качественного анализа, в научно-технической литературе практически не представлены количественные соотношения, отражающие влияние изменения угла α1 на характеристики ступени турбины. При уменьшении угла выхода из соплового аппарата снижение степени реактивности происходит на всех диаметрах турбины, что приводит к уменьшению внутреннего КПД ступени. Особенно сильно КПД начинает снижаться, после того как степень реактивности в корне уменьшается до нуля или становится отрицательной. Следовательно, диапазон регулирования в сторону прикрытия РСА ограничивается значением угла α1, при котором ρ близка к нулю. Регулирование турбины с помощью РСА приводит к перераспределению работы между ступенями (или перераспределению степеней понижения давления πТ*). Это явление рассматривается в связи с изменением характеристик ступени (Рисунок 2). Рис. 2 - Распределение степени понижения давления по ступеням Из рисунка следует, что при раскрытии СА ступени турбины и Gпр = const (если расход газа через турбину ограничивается каким-либо проходным сечением) происходит резкое уменьшение ее мощности. Таким образом, применение регулируемого соплового аппарата в силовой турбине ГТУ обладает неоспоримыми преимуществами - стабильная работа установки на переменных режимах, снижение расхода топлива на 4% в среднем за год , более высокие значение КПД на переменных режимах работы, по сравнению с регулированием только топливным клапаном. Однако, остается еще ряд проблем, которые требуют более детального решения: 1) При помощи экспериментов установить количественные изменения основных параметров турбин компрессора и силовой. 2) Разработать методику профилирования лопаток, слабо чувствительных к углам входа потока α1. 3) Создать эффективную программу регулирования двигателя, которая позволит динамически изменять положение РСА ССТ, и ВНА компрессора. 4) Разработать надежную конструкцию системы поворота СА, которая обеспечит работу установки на протяжении всего срока эксплуатации.

Турбины

лопаточный венец, ограниченный поверхностями, образованными полками по торцам лопаток, неподвижно закреплённый в корпусе турбины. В С. а. т. происходит расширение газа, при котором потенциальная сжатого горячего газа преобразуется в кинетическую, поэтому его давление и температура уменьшаются, а скорость потока увеличивается. Кроме того, газовый поток закручивается по направлению вращения рабочего колеса. Межлопаточные каналы соплового аппарата турбины имеют уменьшающуюся по потоку газа площадь проходного сечения, на выходе из каналов поток, как правило, достигает около- или сверхзвуковой скорости. Газодинамическая эффективность работы С. а. т. оценивается коэффициентом скорости (отношение действительной скорости истечения газа из С. а. т. к адиабатической скорости), равным 0,96-0,98. В современных высокотемпературных газовых турбинах лопатки и торцовые поверхности С. а. т. охлаждаются изнутри воздухом, причём наиболее интенсивно - сопловой аппарат первой ступени. Утечки охлаждающего воздуха по стыкам торцовых полок сопловых лопаток ухудшают тепловое состояние лопаток и снижают газодинамический эффективность С. а. т. Уплотнения на его внутренних торцевых поверхностях препятствуют перетеканию газа под лопаточными венцами.
Во многих конструкциях С. а. т. через полые сопловые лопатки проходят силовые стойки опоры турбины и коммуникации масляной системы. Лопатки С. а. т. изготовляются из жаропрочных жаростойких сплавов методом литья по выплавляемым моделям.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "Сопловой аппарат турбины" в других словарях:

сопловой аппарат турбины Энциклопедия «Авиация»

сопловой аппарат турбины - Конструктивная схема соплового аппарата турбины. сопловой аппарат турбины — лопаточный венец, ограниченный поверхностями, образованными полками по торцам лопаток, неподвижно закреплённый в корпусе турбины (см. рис.). В С. а. т. происходит… … Энциклопедия «Авиация»

Сопловой аппарат паровой турбины - 7. Сопловой аппарат паровой турбины Неподвижный элемент ступени паровой турбины, предназначенный для преобразования энергии рабочего тела в кинетическую и придания выходящему потоку заданного направления Источник: ГОСТ 23269 78: Турбины… …

Сопловой аппарат ступени турбины - 107. Сопловой аппарат ступени турбины СА D. Leitkranz der Turbinenstufe E. Nozzle diaphragme of turbine stage F. Distributeur de l’étage de turbine Неподвижный лопаточный венец, устанавливаемый перед рабочим колесом турбины ГТД и предназначенный… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Элемент паровой или газовой турбины (См. Турбина); состоит из расположенных по окружности спрофилированных сопловых (направляющих) лопаток, в каналах между которыми происходит расширение пара (газа) и превращение его потенциальной энергии … Большая советская энциклопедия

регулируемый сопловой аппарат ступени турбины - регулируемый сопловой аппарат РСА Сопловой аппарат турбины ГТД с изменяемой в процессе работы турбины площадью проходного сечения межлопаточных каналов. [ГОСТ 23851 79] Тематики двигатели летательных аппаратов Синонимы регулируемый сопловой… … Справочник технического переводчика

Регулируемый сопловой аппарат ступени турбины - 108. Регулируемый сопловой аппарат ступени турбины Регулируемый сопловой аппарат РСА D. Verstellbarer Leitkranz der Turbinenstufe E. Variable area nozzles of turbine stage F. Distributeur à calage variable de l’étage de turbine Сопловой аппарат… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

температура на входе в сопловой аппарат - 3.95.2 температура на входе в сопловой аппарат (nozzle inlet temperature): Среднемассовая по потоку температура торможения горячего газа, поступающего на лопатки направляющего аппарата первой ступени турбины после того, как охлаждающий воздух,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Аппарат (паровой турбины) сопловой - Сопловой аппарат паровой турбины Неподвижный элемент ступени паровой турбины, предназначенный для преобразования энергии рабочего тела в кинетическую и придания выходящему потоку заданного направления Смотреть все термины ГОСТ 23269 78. ТУРБИНЫ… … Словарь ГОСТированной лексики

сопловой - см. сопло; а/я, о/е. С ые отверстия. Соплово/й аппарат турбины … Словарь многих выражений

Современныетурбокомпрессоры всех типов и назначений имеют сходное устройство. Основными их элементами являются турбина и компрессор, установленные на одном валу в отдельном от двигателя корпусе. На рис. 2…8 приведены принципиальные схемы и разрезы основных типов современных турбокомпрессоров.

Рис. 2. Принципиальная схема и разрез турбокомпрессора типа ТКР (совместная разработка Ивеко и Мотор-Сич): 1 – газоприёмная улитка; 2 – сопловой аппарат турбины; 3 – рабочее колесо турбины (вращающийся спрямляющий аппарат турбины); 4 – рабочее колесо турбины (радиальная часть лопаток); 5,6 –подшипники; 7 – колесо компрессора (вращающийся направляющий аппарат); 8 – колесо компрессора (радиальная часть лопаток); 9– лопаточный диффузор; 10 – улитка-воздухосборник; 11 – воздушный фильтр-глушитель

При работе турбокомпрессоров газы из выпускного коллектора двигателя поступают к сопловому аппарату турбины (см. рис.2,4,6). Их температура составляет 550...1250°С в зависимости от назначения турбокомпрессора и значения П к. Да­лее газы проходят через неподвижные лопатки соплового аппарата, через лопатки вращающе­гося рабочего колеса 2 и уходят через каналы газоотводного корпуса в газоотводящую систему двигателя. В осевых турбинах (см. рис. 6…8) сопловые аппараты обеспечивают увеличение скорости потока газов и изменение его направления. Для этого сопловой аппарат снабжён профилированными лопатками. Исключение составляют турбины малых размеров, где сопловой аппарат может выполняться в виде кольцевой щели без лопаток, поскольку для малых размеров их трудно выполнить с необходимым качеством.

1 – корпус компрессора (улитка-воздухосборник); 2 – колесо компрессора; 3 – втулки с гребнями (упорными пятами) для передачи осевого усилия; 4 – упорный подшипник; 5 – средний корпус; 6 – втулки опорных подшипников; 7 – ротор с турбинным колесом; 8 – корпус турбины (газоприёмная улитка)

В каналах рабочего колеса изменяются величина скорости потока, его направление, давление и температура газа. Высокоскоростной поток газов воздействует на лопатки рабочего колеса и сообщает им энергию, приводящую во вращение ротор турбокомпрессора. В современных турбокомпрессорах расширение газа обычно происходит как в сопловой, так и в рабочей решётках. Такие турбины называют реактивными. При этом рабочие лопатки, так же, как и сопловые, образуют сужающиеся межлопаточные каналы. В них относительная скорость потока растёт от входа в канал к выходу из него. Давление газов здесь снижается примерно в одинаковой пропорции на сопловом аппарате и на рабочем колесе.

Рис. 4. Схема одной ступени осевой газовой турбины: 1 – лопатки соплового аппарата; 2 – корпус турбины; 3 – лопатки рабочего колеса; 4 – диск колеса турбины; 5 – вал турбины

Элемент проточной части турбины, состоящий из ряда неподвижных лопаток (соплового аппарата для первой ступени и спрямляющих аппаратов для последующих ступеней) и вращающихся лопаток турбинного колеса, называется турбинной ступенью. Обычно для турбокомпрессоров применяют одну турбинную ступень, хотя известны конструкции и с двумя ступенями. Увеличение числа ступеней применяют для повышения КПД турбины, и это связано с ростом П к.

Радиальные турбины можно рассматривать как обращённый центробежный компрессор (см. рис. 1, поз. б, г , рис.2, 5). Схематически они идентичны, но течение газа противоположно течению воздуха. Кроме того, лопатки турбины и соплового аппарата образуют более широкий канал, чем у компрессора, и выполняются из жаропрочных материалов. У центростремительных турбин лопатки рабочего колеса образуют канал, направленный по радиусу в месте входа газа, а затем поворачивающий газ в осевом направлении перед выходом потока. Осевая часть лопаток имеет отгиб, обеспечивающий при работе турбины направление потока газа на выходе, близкое к осевому.

Рис. 5. Схема радиальной центростремительной турбины: 1 – сопловой аппарат; 2 – рабочее колесо; 3 – радиальная часть рабочей лопатки; 4 – осевая часть рабочей лопатки (вращающийся спрямляющий аппарат); 5 – газоприёмная улитка

Эта отогнутая часть носит название вращающегося спрямляющего аппарата. Принцип работы соплового аппарата и рабочего колеса таков же, как и в осевых турбинах. Аналогично осевым турбинам радиальные выполняются также реактивными, причём если осевые турбины иногда могут выполняться активными (газ расширяется только в сопловом аппарате), то радиальные турбины выполняют только реактивными, что объясняется необходимостью преодоления действия центробежных сил при работе ступени. При одинаковых значениях скоростей газа в колесе и при прочих равных условиях центростремительные турбины способны обеспечить больший выход энергии в ступени, чем осевые турбины, а значит, обеспечивают больший КПД. Это объясняется дополнительным влиянием в ступени центробежных сил, отсутствующих в той же мере в осевой ступени. Кроме того, при малых расходах газа размеры лопаток малы и становятся соизмеримыми с зазорами между лопатками и корпусом. В центростремительных турбинах соотношение зазоров и высот лопаток для названных условий более удачно, чем для осевых турбин. Указанные отличия сильнее проявляются в области малых мощностей двигателей и малых расходов газа, в связи с чем радиальные турбины в этой области более эффективны. Осевые турбины более технологичны, это позволяет обеспечивать высокий уровень чистоты рабочих поверхностей и уровень точности обеспечения заданных профилей. Они лучше компонуются в агрегате, и в области сравнительно высоких расходов газа эти качества сводит на нет преимущества радиальных турбин.

Турбина вращает общий вал, на котором находится колесо компрессора. Воздух, находящийся в межлопаточных кана­лах колеса компрессора, вовлекается во враща­тельное движение и под действием центробеж­ных сил и перемещается от оси вращения к выходу из межлопаточного канала. Поскольку из вращающихся каналов колеса на его периферии происходит непрерывный отток воздуха, на входе в колесо возникает разрежение воздуха. Под действием разности давлений воздух поступает через каналы фильт­ра-глушителя на вход в колесо. Фильтр-глу­шитель (см. рис.6, б ) состоит из наружной сетки и фильтрующей набивки 8 из пористого материала, пропускающего воздух и улавлива­ющего различные частицы. Далее воздух про­ходит через щелевые каналы, образованные сис­темой дисков 9, установленных в кольцевом зазоре между стенкой входного конфузора 10 и входной частью конуса 11. Стенки этих дисков покрыты упругим звукопоглощающим матери­алом, воспринимающим энергию звуковых ко­лебаний воздушного потока на всасывании, после чего она преобразуется в теплоту, обес­печивая необходимое снижение уровня шума при работе компрессора. Из глушителя воздух поступает на входные кромки лопаток колеса компрессора 6. Эти кромки имеют отгиб в осевом направлении. Та часть лопаток, где выполнен этот отгиб, носит название вращающегося направляющего аппа­рата. Необходимость отгиба объясняется следу­ющим. Соударение движущихся частиц возду­ха и входных кромок лопаток происходит не по линии, параллельной оси ротора, а по линии вектора относительной скорости входа потока воздуха на колесо w 1 (рис.11). Вектор получает свое на­правление в результате сложения абсолютной скорости потока с 1а, имеющей осевое направ­ление, и окружной скорости кромок лопаток u 1 , направленной перпендикулярно оси вращения. Вектор скорости w 1 будет направлен как раз вдоль профиля отогнутой лопасти, который отгибом обес­печивает безударное поступление потока на вход колеса, снижая входные потери.

Рис. 6. Принципиальная схема турбокомпрессора типа ТК (серии NA/T фирмы МБД):

а - конструктивная схема; в - конструктивная схема фильтра-глушителя;

1 - сопловой аппарат турбины; 2 - колесо турбины; 3 - опорный подшипник; 4 - опорно-упорный подшипник; 5 - фильтр-глушитель; 6 - колесо компрессора; 7 - сетка; 8 - фильтрующая набивка; 9 – диски со звукопоглощающим покрытием; 10 - входной участок всасывающего воздушного канала; 11 - конусная направляющая вставка

Лопатки компрессора своими входными кромками загромождают подводящий канал, по которому воздух поступает на колесо. При консольном расположении колес (в ТК фирмы МБД) площадь поперечного сечения канала на входе может быть больше, чем при консольном расположении подшипников, которые загро­мождают входное сечение (в ТК фирмы АББ). Степень загромождения канала лопатками уве­личивается с уменьшением поперечного сече­ния подводящего канала при прочих равных условиях. Соответственно возрастают входные потери. Для уменьшения этих потерь применяют "вырезание" входных участков лопаток через одну там, где степень загромождения чрезмер­на (см. рабочее колесо на рис.9). Двигаясь под воздействием лопаток колеса, частицы воз­духа в межлопаточных каналах направляются по окружности и одновременно по радиусу. В результате движение частиц происходит по спирали и выход потока воздуха из колеса на­правлен по линии вектора с 2 (рис.12).

Рис. 7. Разрез турбокомпрессора типа ТК (серии NA/T фирмы МБД):

Рис.8. Принципиальная схема турбокомпрессора типа ТК (серии VTR фирмы АББ):

1 - сопловый аппарат; 2 - колесо турбины; 3 - опорный подшипник; 4 - опорно-упорный подшипник; 5 - фильтр-глушитель; 6 - колесо компрессора

Двига­ясь указанным образом, воздух выходит в сво­бодный канал, имеющий ширину, примерно равную высоте лопатки рабочего колеса на вы­ходе. Уже в процессе движения по каналам колеса происходит час­тичное преобразование кинетической энергии в потенциальную, что выражается в уменьше­нии скорости движения и повышении статичес­кого давления в потоке.

Рис.9. Разрез турбокомпрессора типа ТК (серии VTR фирмы АББ)

При дальнейшем движении по этому ка­налу воздух поступает на установленные в нем неподвижные лопатки. После прохождения участка с лопатками воздух собирается спиралевидным воздухо­сборником, охватывающим выход из участка с лопатками, и отводится в нагнетательный пат­рубок, откуда поступает к охладителю надду­вочного воздуха и далее в ресивер двигателя. Участок канала за колесом, не содержащий ло­паток, называется безлопаточным диффузором. Его продолжение, содержащее лопатки, называется лопаточным диффузором. Отводной спиралевидный канал называется улиткой. Движение воздуха в компрессоре сопровож­дается сложными процессами передачи и пре­образования энергии. В колесе воздух приоб­ретает кинетическую энергию.

Рис.10. Декомпозиция турбокомпрессора типа ТК с консольным расположением подшипников (подобного серии VTR фирмы АББ):

1 - воздухоприемный корпус с улиткой-воздухозборником, нагнетательным патрубком, воздухоподводящим каналом и корпусом подшипника; 2 - рабочее колесо; 3 - лопатки диффузора компрессора; 4 - газоотводный корпус; 5 - рабочее колесо осевой турбины; 6 - сопловой аппарат турбины; 7 - газоприемный корпус

Рис.11. Схема входа воздуха в каналы рабочего

а - расчетный режим; б - расход больше расчетного; в - расход меньше расчетного

Получение и преобразование энергии идут одновременно, в результате чего на выходе из колеса имеет место сочетание значительной части кинетической энергии и соответству­ющей части потенциальной энергии. Процесс преобразования энергии в колесе происходит в основном за счет изменения относительной ско­рости потока. Движение вдоль вектора относи­тельной скорости сопровождается постепенным увеличением площади сечения канала, нормаль­ного этому вектору. Такая форма канала называется диффузорной в относительном движении и обеспечивает замедление протекающего через нее потока.

Рис.12. Схема выхода воздуха из колеса компрес­сора и обтекания лопаток диффузора с треуголь­никами скоростей в сечении на его наружном диаметре: а – расчетный режим; б – расход больше расчетного; в - расход меньше расчетного

После выхода воздушного потока из рабо­чего колеса в результате последующего преоб­разования энергии его скорость на выходе из компрессора должна приблизиться по величи­не к скорости на входе, а давление - достигнуть заданного значения P к. Сразу за рабочим коле­сом воздушный поток поступает в безлопаточ­ный диффузор - расширяющийся в направле­нии движения ядра потока воздуха канал, в котором обеспечивается снижение его скорос­ти, что приводит к росту статического давле­ния и температуры воздуха.

Спиральное движение частиц воздуха, на­чатое в колесе, продолжается в безлопаточном диффузоре. Траектория частиц на этом участке в ядре потока близка к логарифмической спи­рали. Длина пробега частиц на единицу увели­чения площади сечения канала, нормального траектории движения, оказывается весьма зна­чительной. С увеличением размеров безлопа­точного диффузора в радиальном направлении повышается статическое давление в потоке, снижается скорость частиц воздуха и растут га­зодинамические потери пропорционально дли­не пробега частиц.

Снизить потери можно, заменив пологую траекторию движения частиц с большой дли­ной пробега на более крутую с меньшей дли­ной. Для этого устанавливаются лопатки лопаточного диффузора. Они встречают поток под углом, близким к набегающему, и плавно изме­няют траекторию по направлению ближе к ра­диальному. Потери, возникающие при обтека­нии лопаток, меньше, чем потери трения в эквивалентном варианте диффузора без лопа­ток. При выходе из лопаточного диффузора по­ток достигает скорости, примерно равной ско­рости на входе в колесо, а давление примерно равно P к. Далее поток поступает в улитку-воздухосборник (см. рис. 13, 14). В улитке частицы воздуха продолжают спи­ральную траекторию вокруг оси вращения ро­тора. Канал улитки в одной из точек окружности имеет разделительное ребро или язык, максимально приближенный к наружному диаметру диффузора. Этот элемент определяет положение начала (с одной стороны) и конца (со своей противоположной стороны) сбора воздуха, выходящего в улитку. Поскольку воздух из колеса и диффузоров выходит равномерно во все стороны окружности, то в улитке-воздухосборнике он накапливается пропорционально углу охвата, отсчитываемому от разделяющего ребра (языка). Соответственно в каждом последующем сечении улитки по углу охвата расход воздуха непрерывно увеличивается от нуля до полного расхода через компрессор.

Рис. 13. Схема улитки с симметричным сечением канала: D 4 – диаметр выхода из лопаточного диффузора; C u 5 – окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из лопаточного диффузора; θ – текущий угол охвата воздухосборником выходного канала из диффузора

Рис 14. Схема улитки с «заваленным» в сторону всасывания сечением

В этих условиях нарастающее пропорционально углу охвата сечение улитки обеспечи­вает примерно одинаковую скорость потока в окружном движении для всех точек окружнос­ти относительно центра вращения. Это обуслав­ливает примерное равенство давлений во всех точках указанной окружности, и на колесе не возникает дополнительное неуравнове­шенное радиальное усилие от давления воздуха, благодаря чему исключается дополнительное усилие на опорные подшипники вала ротора. Улитка может иметь поперечное сечение канала, симметричное относительно канала диффузора (см. рис. 13), но чаще канал улитки «заваливают» на сторону (см. рис. 14), при этом не только уменьшается габарит компрессора, но и улучшается газодинамика потока в улитке. Скорости воздуха на выходе и входе улитки обыч­но обеспечивают для расчётного режима достаточно близкими, исключая тем самым возможность преобразования энергии потока в ней. Эта возможность прин­ципиально существует и может обеспечивать­ся соответствующим подбором размеров сече­ний на входе и выходе. Однако улитка не является эффективным преобразователем энер­гии. Поэтому ее стараются не использовать в таком качестве, чтобы не снижать общий КПД компрессора.

Если оценивать каждый из элементов про­точной части как преобразователь энергии, то на первое место по КПД преобразования следует поставить колесо, за­тем лопаточный диффузор, далее безлопаточ­ный и в конце улитку.

Во время работы ТК ротор передает на под­шипники радиальное усилие от своего веса, а также усилия от несбалансированных масс эле­ментов обоих колес. Частота вращения роторов очень велика. Так, для больших типоразме­ров ТК она лежит в диапазоне 12000.. .75000 мин -1 . Для ТКР она достигает нескольких сотен тысяч оборотов в минуту. Такие условия требуют выполнения тщательной ста­тической и динамической балансировки рото­ра, а также применения подшипниковых опор специальной конструкции, способных гасить упругие колебания ротора при его работе. По­мимо радиальных усилий, подшипники воспри­нимают осевое усилие, направленное вдоль оси ротора. Оно возникает на колесе турбины, и для осевой турбины направлено по линии движения газа (от соплового аппарата), а для радиальной турбины – в сторону выхода газа. На колесе компрессора также создаётся осевое усилие, направленное в сторону всасывания. Усилие на колесе компрессора в основном обусловле­но разностью давлений по обе стороны колеса, когда со стороны всасывания имеется значи­тельная площадь, подверженная воздействию низкого давления, а с противоположной сторо­ны (поверхность заднего диска) по всей площа­ди распространяется высокое давление из ка­нала на выходе рабочего колеса. Аналогичным образом объясняется появление осевого усилия на колесе радиальной турбины. Суммарное осевое усилие на роторе турбокомпрессора может быть в значительной степени скомпен­сировано, если усилия на колёсах турбины и компрессора направить в противоположные стороны. Для этого поток газов на рабочее колесо осевой турбины следует направлять не в сторону колеса комп­рессора, а противоположно ему. Такое решение разгружает подшипники, но усложняет конст­рукцию агрегата. Для конструкций ТК, приведенных на рис. 7 и 8, осевое усилие не ком­пенсируется, направлено в сторону колеса компрессора и воспринимается упорными под­шипниками, расположенными со стороны комп­рессора. Для конструкций ТКР (рис. 2) осевые усилия на турбинном и компрессорном колёсах противоположны, но усилие на турбинном колесе больше. Избыточное осевое усилие направлено в сторону турбины и компенсируется специальным упорным подшипником. Подшипниковые узлы в компрессорах ста­раются защитить от высокотемпературного воз­действия, поэтому на пути теплового потока от турбины выполняют полости, как правило, ох­лаждаемые проточной жидкостью из системы охлаждения. Вместо или наряду с охлаждаемыми полостями путь тепловому потоку преграждают различные неохлаждаемые экраны, устанавливаемые на пути этого потока как во внутренних полостях корпусов, так и на их внешних поверхностях.

На­ружные поверхности современных ТК покрывают слоем теплоизоляции. Этот слой снижает также уро­вень шума от их работы. При организации ох­лаждения ТК стремятся не допустить излиш­него отвода энергии от газов перед сопловым аппаратом, поэтому в современных конструкциях ТК газоподводящие ка­налы не охлаждают жидкос­тью непосредственно, но ограждают охлаждаемыми или неохлаждаемыми тепловыми экранами, от­деленными от стенок каналов воздушным зазором.

Обе рассмотренные схемы компоновки турбокомпрессоров имеют свои достоинства и недостатки. В схеме с консольным расположением подшипников применяются сравнительно простые подшипни­ковые узлы. В то же время обеспечение высо­кой надежности и условий обслуживания этих узлов сопровождается увеличением массы ротора, соответствующим ухудшением дина­мических качеств ТК и динамики газового и воз­душного трактов. Схема с консольными коле­сами обеспечивает лучшую газодинамику, меньшую массу ротора, и, соответственно, улуч­шенные динамические качества ТК, но имеет более сложную конструкцию подшипниковых узлов и большие проблемы с обеспечением их надежности, ремонта и контроля. Потенциально обе схемы имеют как преимущества, так и недостатки, и могут использоваться на всех видах двигателей. В то же время существуют сложившиеся условия их применения. В настоящее время схема с консольным расположением колёс используется для всех конструкций ТКР и для ТК, которые применяются на двигателях малых и средних мощностей. Для двигателей большой, а иногда и средней мощности применяют схемы с консольным расположением подшипников, учитывая в данном случае их потенциально больший ресурс и относительное снижение требований к компактности и динамичности.

Похожая информация.

Сопловой аппарат осевой турбины, входящей, например, в состав приводной газотурбинной установки, содержит внутреннюю и наружную соосные обечайки и установленные между ними сопловые лопатки. Выходные кромки лопаток образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3-5 o . Изобретение позволяет повысить полезную мощность приводной газотурбинной установки, находящейся в эксплуатации, путем модернизации соплового аппарата свободной силовой турбины без внесения значительных конструктивных изменений в базовые детали турбины. 2 ил.

Изобретение относится к области сопловых аппаратов осевых турбин, входящих, в частности в состав приводных газотурбинных установок (ГТУ). В практике эксплуатации приводных ГТУ со свободной силовой турбиной, имеющих большую эксплуатационную наработку, имеет место задача повышения полезной мощности при ограничении температуры газа перед турбиной. Эта задача может быть решена путем увеличения проходных сечений и изменения формы межлопаточных каналов соплового аппарата силовой турбины. Вследствие этого произойдет перераспределение теплоперепада между компрессорной и силовой турбинами с увеличением его на компрессорной турбине. При этом увеличатся расход рабочего тела и мощность ГТУ, а также исчезнет ограничение по температуре перед турбиной. Известен сопловой аппарат, содержащий поворотные лопатки, при поворотах которых возможно изменение проходных сечений соплового аппарата (см. кн. Топунов А. М. Работа судовых турбин с отбором и потреблением энергии. Л., Судостроение, 1978, стр.107-116). Данные сопловые аппараты имеют ряд недостатков: значительная конструктивная сложность, потребность в механизмах привода, низкая эксплуатационная надежность, кроме того, при повороте лопаток проходные сечения каналов меняются одновременно во всех сечениях по высоте лопаток, что не всегда желательно. Совокупность этих недостатков делает невозможным применение сопловых аппаратов с поворотными лопатками при модернизации находящейся в эксплуатации ГТУ. Прототипом предлагаемого соплового аппарата является сопловой аппарат, выполненный по принципу тангенциального наклона направляющих лопаток (ТННЛ) (см. кн. И.И.Кириллов. Паровые турбины и паротурбинные установки/ И.И. Кириллов, В.А. Иванов, А.И. Кириллов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.-276 с.). Сопловой аппарат состоит из наружной и внутренней соосных обечаек, между которыми установлены сопловые лопатки, оси которых имеют наклон в тангенциальном направлении. Путем подбора угла наклона осей сопловых лопаток можно получить требуемые изменения аэродинамических характеристик соплового аппарата. Сопловые аппараты с ТННЛ имеют следующие недостатки: потребность в крупных переделках прилегающих к лопаткам деталей при реализации ТННЛ, необходимость в разработке и изготовлении сопловых лопаток новой конструкции, значительное изменение распределения степени реактивности ступени по высоте и, в частности в корне. Последнее может вызвать нарушение баланса осевых усилий на роторе турбины. Указанные недостатки ограничивают возможность применения сопловых аппаратов с ТННЛ для модернизации уже эксплуатирующейся ГТУ. Технический результат, достигаемый применением предлагаемого соплового аппарата, заключается в повышении полезной мощности приводной ГТУ, находящейся в эксплуатации, путем модернизации соплового аппарата свободной силовой турбины без внесения значительных конструктивных изменений в базовые детали турбины. Это достигается тем, что выходные кромки лопаток соплового аппарата образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3...5 o . Отклонение выходных кромок лопаток соплового аппарата от радиального направления при сохранении положения корневых точек выходных кромок приводит к увеличению горл сопловых каналов, причем степень этого увеличения возрастает от нулевой величины в корне до максимума на периферии сопловой решетки. Этому соответствует увеличение степени реактивности от корня к периферии при сохранении штатного значения в корне. При наклоне выходных кромок с образованием между ними и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угла в 3...5 o суммарное проходное сечение соплового аппарата увеличивается на 2...5%. Это приводит к уменьшению теплоперепада на силовой турбине и увеличению его на компрессорной турбине. При этом частота вращения компрессора ГТУ и расход воздуха через него возрастают, что приводит к росту полезной мощности ГТУ на 5...10%. Сохранение штатного значения степени реактивности в корне предотвращает нарушение баланса осевых усилий на роторе турбины. Изменение в сопловых лопатках лишь формы выходных кромок позволяет провести модернизацию ГТУ без изменения прилегающих к сопловым лопаткам деталей. На фиг.1 изображен предлагаемый сопловой аппарат, содержащий внутреннюю (1) и наружную (2) соосные обечайки и установленные между ними лопатки (3), выходные кромки которых (4) образуют с радиальными линиями (5), проходящими через корневые точки (6) выходных кромок, угол 3...5 o . Фрагменты (7) соответствуют удаляемым при модернизации соплового аппарата частям прежнего профиля сопловых лопаток. На фиг.2 приведены результаты испытаний ГТУ в форме взаимозависимостей относительных параметров до и после оснащения ее предлагаемым сопловым аппаратом. Устройство работает следующим образом. Поток рабочего тела, протекая через каналы соплового аппарата силовой турбины приводной ГТУ, преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую. Срабатываемый при этом теплоперепад уменьшен в соответствии с увеличенным на 2...5% проходным сечением соплового аппарата вследствие наклона выходных кромок с образованием между ними и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угла в 3. . .5 o . За счет этого увеличивается теплоперепад, приходящийся на турбину компрессора, что вызывает рост частоты вращения компрессора ГТУ и расхода воздуха через него с одновременным ростом полезной мощности ГТУ на 5. . .10%. Сохранение проходного сечения сопловых каналов в корневом сечении обеспечивает неизменность давления рабочего тела в этом сечении, что сохраняет баланс осевых усилий на роторе силовой турбины. Возможность осуществления предлагаемого изобретения основывается на следующем. Известные данные (см. кн. Седых С.З. Эксплуатация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. - М.: Недра, 1990. - 203 с.), а также анализ характеристик ГТУ со свободной силовой турбиной методом малых отклонений (см. кн. Черкез А.Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений. - М.: Машиностроение, 1965. - 380 с., а также Погодин С. И. Применение метода малых отклонений для расчета и анализа рабочего процесса транспортных газотурбинных двигателей. - М.: Изд. ЦНИИинформации, 1977. - 296 с.) показывают, что увеличение площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины приводит к увеличению полезной мощности ГТУ. Дополнительный анализ методом малых отклонений показывает, что при увеличении площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины на 2...5% полезная мощность увеличивается на 5...10%. Одновременно увеличиваются частота вращения ротора турбокомпрессора, степень повышения давления и расход воздуха циклового компрессора. Рабочая точка циклового компрессора удаляется от границы помпажа. КПД ГТУ при этом может несколько снизиться. Для более изношенных агрегатов возможно сохранение топливной экономичности или даже некоторый ее рост. Улучшаются пуск и приемистость ГТУ. Снимается ограничение по температуре перед турбиной. При этом, если увеличение площади проходного сечения соплового аппарата распределить по высоте лопаток от нулевого значения в корне до максимума на периферии, степень реактивности в корневом сечении ступени сохранит штатное значение - тем самым здесь сохранится штатное давление за сопловым аппаратом и, следовательно, баланс осевых усилий на роторе силовой турбины. Увеличению площади проходного сечения соплового аппарата силовой турбины на 2...5% соответствует диапазон угла между выходными кромками сопловых лопаток и радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок в 3...5 o . Значения угла более 5 o приведут к такому увеличению площади проходного сечения соплового аппарата, при котором существенно нарушится режим обтекания профилей лопаток. Значения угла, меньшие 3 o , не дадут ожидаемых от применения предлагаемого соплового аппарата полезных эффектов. Доработка контура профиля сопловых лопаток в районе выходных кромок (фрагмент 7 на фиг. 1), сохранит угол истечения газа из сопел вследствие двух взаимокомпенсирующих воздействий: увеличения угла за счет увеличения относительного шага сечений сопловой решетки, лежащих выше корня, и уменьшения угла за счет увеличения кривизны профиля сопловых лопаток в районе выходных кромок. Сохранение угла истечения газа из сопел обеспечит сохранение режима обтекания рабочих лопаток ступени. Возможность достижения перечисленных выше полезных эффектов подтверждена результатами испытаний и эксплуатацией в течение ряда лет приводной ГТУ мощностью 10 МВт со свободной силовой турбиной. На фиг.2 приведены результаты испытаний ГТУ в форме взаимозависимостей относительных параметров до и после оснащения ее силовой турбины предлагаемым сопловым аппаратом. Из графика а) виден рост полезной мощности ГТУ, из графика б) - рост частоты вращения ротора турбины высокого давления ГТУ, из графика в) - рост степени повышения давления турбокомпрессора ГТУ, из графика г) видно, что незначительное увеличение расхода топливного газа не выходит за пределы погрешностей промышленного эксперимента. Из графиков а), б), в) видно также, что прежние показатели ГТУ достигаются при более низкой температуре газа. Эти данные показывают улучшение показателей ГТУ после оснащения ее силовой турбины предлагаемым сопловым аппаратом.

Формула изобретения

Сопловой аппарат осевой турбины, содержащий внутреннюю и наружную соосные обечайки и установленные между ними сопловые лопатки, отличающийся тем, что выходные кромки лопаток образуют с радиальными линиями, проходящими через корневые точки выходных кромок, угол 3 - 5 o .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использовано в транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания. Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями. Поворотные оси выполнены составными из материалов, обладающих эффектом памяти формы. В качестве материалов, обладающих эффектом памяти формы, использованы сплавы на основе железа и никеля, в которых мартенситное превращение происходит при различной температуре. Изобретение позволяет повысить экономичность работы турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2294439

Изобретение относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использовано в транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания.

Известен регулируемый направляющий аппарат турбомашины , который содержит наружную и внутреннюю обечайки с фигурными прорезями, в которых установлены с возможностью перемещения пластинчатые лопатки, связанные с приводом. Привод выполнен в виде обоймы, установленной на шлицах на валу с возможностью осевого перемещения, шарнирно соединенных с обоймой рычагов с грузами, подшипника и связанной с ним втулки, подпружиненной относительно внутренней обечайки, причем лопатки закреплены на наружной поверхности втулки.

При запуске турбомашины с увеличением частоты вращения вала грузы под действием центробежной силы посредством рычагов смещают обойму по шлицам вала. Обойма передает усилие через подшипник втулке, и пластинчатые лопатки перемещаются в прорезях и принимают обусловленную конфигурацией последних форму. Жесткость пружин ограничивает перемещение лопаток. При дальнейшем увеличении частоты вращения вала в результате соответствующего перемещения лопаток угол закрутки потока на входе в рабочее колесо возрастает.

При снижении частоты вращения вала центробежная сила, действующая на грузы, уменьшается, втулка и обойма под действием пружин удаляются от колеса, лопатки перемещаются в прорезях, и угол закрутки потока на входе в колесо уменьшается.

Недостатком этого технического решения является сложность устройства для регулирования направления потока на входе в рабочее колесо турбины.

Известна регулируемая турбомашина , содержащая корпус с двумя симметричными кольцевыми камерами, в которых размещен подвижный в осевом направлении радиальный сопловой аппарат, выполненный в виде отдельных секций с различными характеристиками, разделенных радиальными перегородками и размещенных в кольцевых камерах.

Для повышения КПД регулируемой турбомашины на различных нагрузках при изменении режима работы перемещают в осевом направлении радиальный сопловой аппарат и перед рабочим колесом устанавливают секцию, лопатки которой имеют профиль и конструктивные углы, оптимальные для данного режима работы.

Недостатком этого технического решения является сложность устройства для изменения угла установки лопаток путем перестановки секций многосекционного соплового аппарата турбомашины.

Известен регулируемый сопловой аппарат радиально-осевой турбины , содержащий расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями и поворотное кольцо, причем сопловой аппарат снабжен поворотными втулками, имеющими зубчатые колеса, и соосно с ними расположенными промежуточными шестернями; приводное кольцо выполнено в виде двух зубчатых венцов, соответственно взаимодействующих с зубчатыми колесами поворотных втулок и через промежуточные шестерни с зубчатыми колесами поворотных осей лопаток соплового аппарата.

При номинальном режиме работы лопатки с поворотными осями находятся в определенном положении и имеют заданные углы установки, что обеспечивает требуемый расход рабочей среды. Для получения нового режима работы турбины с изменением расхода газа от исполнительного механизма привода передается усилие на поворотное кольцо, заставляя его поворачиваться. При этом через пары соответствующих зубчатых зацеплений обеспечивается поворот осей лопаток и в новом положении устанавливаются новые геометрические параметры соплового аппарата.

Недостатком этого технического решения, принятого за прототип, является сложность работы устройства для регулирования соплового аппарата турбины.

Цель изобретения - повышение экономичности работы турбины в широком диапазоне эксплуатационных режимов путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток регулируемого соплового аппарата.

Поставленная цель достигается в регулируемом сопловом аппарате турбины, который содержит лопатки, размещенные на составных поворотных осях, секции которых выполнены из материалов, обладающих эффектом памяти формы.

Новым в регулируемом сопловом аппарате турбины является выполнение составных поворотных осей из секций, изготовленных из материалов, обладающих эффектом памяти формы, например из сплавов на основе железа и никеля .

На фиг.1 представлен сопловой аппарат турбины, продольный разрез; на фиг.2 - вид А на фиг.1 после поворота составных осей при изменении режима работы турбины.

Поворот составных осей и, следовательно, сопловых лопаток происходит при изменении режима работы двигателя в результате мартенситного превращения в секциях поворотных составных осей при изменении температуры рабочей среды, омывающей при работе турбины лопатки соплового аппарата и их поворотные составные оси.

Регулируемый сопловой аппарат турбины (фиг.1) содержит расположенные между корпусами 3 и 4 рабочие лопатки 1 ротора турбины и сопловые лопатки 2 с поворотными составными осями 9, закрепленные одним концом в корпусе 4, а другим концом соединенные с лопатками 2, причем поворотные составные оси состоят из нескольких секций 5, 6, 7, 8, число которых для более плавного регулирования углов установки лопаток выбирается возможно большим.

Регулируемый сопловой аппарат работает следующим образом. При увеличении нагрузки турбины возрастает температура рабочей среды, омывающей сопловые лопатки 2 и их составные поворотные оси 9, выполненные в виде секций 5, 6, 7, 8 из материалов, обладающих эффектом памяти формы, в которых мартенситное превращение происходит в каждой секции отдельно при различной последовательно возрастающей температуре. Поворот составных осей 9 и, следовательно, сопловых лопаток 2 происходит при изменении режима работы турбины в результате мартенситного превращения материала, обладающего эффектом памяти формы, в секциях поворотных осей при изменении температуры рабочей среды. На фиг.2 показано исходное положение сопловой лопатки 2 и ее положение при различных углах поворота составной поворотной оси 9. При некотором увеличении температуры рабочей среды при возрастании нагрузки турбины происходит поворот секции 5 составной поворотной оси и лопатка 2 занимает положение 10, а при дальнейшем нагреве лопатки 2 и секций поворотной оси 9 в результате мартенситного превращения в секции 6 происходит ее поворот и сопловая лопатка 2 занимает положение 11. При последующем нагреве рабочей среды при увеличении нагрузки турбины происходит последовательный поворот секций 7 и 8, в результате чего сопловая лопатка 2 поворачивается на еще больший угол. При снижении нагрузки турбины лопатки соплового аппарата поворачиваются в противоположном направлении вследствие уменьшения температуры рабочей среды и обратного мартенситного превращения в материалах секций составных поворотных осей.

Таким образом, использование предлагаемого регулируемого соплового аппарата способствует повышению экономичности работы турбины путем обеспечения оптимальной величины углов установки лопаток в широком диапазоне эксплуатационных нагрузочных режимов.

Источники информации

1. А.С. СССР № 1645570 А1, опубл. 30.04.91, бюл. № 16.

2. А.С. СССР № 1219831 А, опубл. 23.03.86, бюл. № 11.

3. А.С. СССР № 1544990 А1, опубл. 23.02.90, бюл. № 7.

4. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении./ А.С.Тихонов, А.П.Герасимов, И.И.Прохорова - М., Машиностроение, 1981, - 80 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Регулируемый сопловой аппарат турбины, содержащий расположенные между корпусами лопатки с поворотными осями, отличающийся тем, что поворотные оси выполнены составными из материалов, обладающих эффектом памяти формы.

2. Регулируемый сопловой аппарат турбины по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов, обладающих эффектом памяти формы, использованы сплавы на основе железа и никеля, в которых мартенситное превращение происходит при различной температуре.