Результат интеллектуальной деятельности: Лопаточная решетка турбомашины

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при конструировании ступеней паровых и газовых турбин, компрессоров.

Известна лопаточная решетка турбомашины (авторское свидетельство SU №877086, опубл. 30.10.1981, МПК F01D 5/14), содержащая лопатки и ограничивающие концевые поверхности, на которых выполнены канавки. Кроме того, в выходной части лопаток со стороны, по крайней мере, одной из ограничивающих концевых поверхностей выполнены выемки.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в низкой аэродинамической эффективности лопаточной решетки, вызванной незначительным снижением концевых потерь из-за ограниченности глубины канавок вследствие конструктивных ограничений.

Известна лопаточная решетка турбомашины (авторское свидетельство SU №299658, опубл. 01.01.1971, МПК F01D 1/04), содержащая лопатки, установленные между концевыми поверхностями, на которых выполнены профилированные канавки для уменьшения концевых потерь.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в низкой аэродинамической эффективности лопаточной решетки, вызванной незначительным снижением концевых потерь из-за ограниченности глубины канавок вследствие конструктивных ограничений.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является лопаточная решетка турбомашины (статья «Регулирующие клапаны и решетки для первых ступеней турбин с ультрасверхкритическими параметрами пара», Теплоэнергетика, 2016, №6, с. 44-52), содержащая лопатки, установленные между концевыми поверхностями. При этом на внутренней стороне, по меньшей мере, одной из концевых поверхностей в межлопаточных каналах выполнено оребрение, содержащее три криволинейных ребра треугольного поперечного сечения, выполненных параллельными средней линии лопатки. Входные и выходные кромки ребер расположены внутри межлопаточного канала на расстоянии α от его входного и выходного сечений, где α>0. Высота ребер постоянна и равна 0.08b, где b - размер хорды профиля в лопаточной решетке.

Основной недостаток настоящего технического решения заключается в низкой аэродинамической эффективности лопаточной решетки вследствие незначительного подавления парного вихря, обуславливающего концевые потери, и значительных профильных потерях, обусловленных количеством ребер, их расположением на концевых поверхностях и формой.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в уменьшении концевых и профильных потерь.

Технический результат заключается в повышении аэродинамической эффективности лопаточной решетки турбомашины.

Это достигается тем, что лопаточная решетка турбомашины, содержащая лопатки, установленные между концевыми поверхностями, при этом на внутренней стороне, по меньшей мере, одной из концевых поверхностей в межлопаточных каналах выполнено оребрение, причем оребрение выполнено в виде основного ребра и дополнительного ребра криволинейной формы треугольного поперечного сечения, продольная ось основного ребра расположена на линии, соединяющей центры окружностей, вписанных между соседними лопатками, входная кромка основного ребра расположена на входном сечении межлопаточного канала, выходная кромка основного ребра расположена на выходном сечении межлопаточного канала, высота основного ребра выполнена линейно возрастающей от нулевого значения в области его входной кромки до значения, равного 0.08b в области выходной кромки, где b - размер хорды профиля в лопаточной решетке, продольная ось дополнительного ребра расположена на линии, соединяющей центры окружностей, вписанных между основными ребрами и спинками лопаток, входная кромка дополнительного ребра расположена в горловом сечении, выходная кромка дополнительного ребра расположена в направлении его продольной оси на расстоянии δ за выходным сечением межлопаточного канала, причем δ находится в диапазоне от 0.08b до 0.1b, высота дополнительного ребра выполнена равной 0.08b, ширина основного и дополнительного ребер у основания не превышает 1 мм.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена лопаточная решетка турбомашины, на фиг. 2 показана схема размещения ребер в межлопаточных каналах, на фиг. 3 изображено поперечное сечение основного и дополнительного ребра, на фиг. 4 изображен продольный разрез основного ребра, а на фиг. 5 - продольный разрез дополнительного ребра.

Лопаточная решетка турбомашины содержит лопатки 1, установленные между концевыми поверхностями 2. На внутренней стороне, по меньшей мере, одной из концевых поверхностей 2 в межлопаточных каналах 3 выполнено оребрение в виде основного ребра 4 и дополнительного ребра 5 криволинейной формы треугольного поперечного сечения.

Продольная ось О₁ основного ребра 4 расположена на линии, соединяющей центры окружностей 6, вписанных между соседними лопатками 1. Входная кромка основного ребра 4 расположена на входном сечении 7 межлопаточного канала 3, выходная кромка основного ребра 4 расположена на выходном сечении 8 межлопаточного канала 3. Высота основного ребра 4 выполнена линейно возрастающей от нулевого значения в области его входной кромки до значения, равного 0.08b в области выходной кромки, где b - размер хорды профиля в лопаточной решетке.

Продольная ось О₂ дополнительного ребра 5 расположена на линии, соединяющей центры окружностей 9, вписанных между основными ребрами 4 и спинками лопаток 1. Входная кромка дополнительного ребра 5 расположена в горловом сечении 10, являющемся самым узким сечением межлопаточного канала 3. Выходная кромка дополнительного ребра 5 расположена в направлении его продольной оси O₂ на расстоянии δ за выходным сечением 8 межлопаточного канала 3, причем δ находится в диапазоне от 0.08b до 0.1b. Высота дополнительного ребра 5 выполнена равной 0.08b. Ширина S основного 4 и дополнительного 5 ребер у основания не превышает 1 мм.

Лопаточная решетка турбомашины работает следующим образом.

В рабочем процессе газообразная среда обтекает лопатки 1. Основные ребра 4 добавляют гидравлическое сопротивление на пути потока, перетекающего в пристеночной области в нормальном к скорости основного течения направлении. В результате большие канальные вихри, зарождающиеся в области пограничного слоя, толщина которого в лопаточной решетке определяется по формуле Δ=0.08b (Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Издательский дом МЭИ, 1961 год), разделяются на малые.

Расположение продольной оси O₁ основных ребер 4 препятствует образованию дополнительных вихревых токов и отрывов потока от поверхности основных ребер 4. Линейное возрастание высоты основных ребер 4 от нулевого значения до значения, равного толщине пограничного слоя, позволяет эффективно подавлять канальный вихрь, интенсивность которого возрастает по мере прохождения потока в межлопаточном канале 3, сохраняя при этом профильные потери на низком уровне. Нулевая высота основного ребра 4 в области входной кромки обуславливает его низкое гидравлическое сопротивление. Снижение числа основных ребер 4 снижает профильные потери.

В области косого среза решетки дополнительные ребра 5 подавляют парные вихри за счет дополнительного гидравлического сопротивления на пути вторичных токов. Расположение продольной оси O₂ дополнительных ребер 5 препятствует образованию дополнительных вихревых токов и отрывов потока от их поверхности. Расположение входной и выходной кромок дополнительных ребер 5 обеспечивает эффективное подавление парных вихрей, распространяющихся в области косого среза. Треугольная форма поперечного сечения, а также высота дополнительных ребер 5, равная толщине пограничного слоя в лопаточной решетке, обуславливает низкие профильные потери.

Опытным путем было установлено, что увеличение высоты основных ребер 4 и дополнительных ребер 5 свыше 0.08b приводит к тому, что часть ребер выходит за пределы пограничного слоя, что способствует резкому возрастанию профильных потерь. Увеличение расстояния δ более 0.1b способствует увеличению профильных потерь, а уменьшение δ менее 0.08b приводит к увеличению потерь со вторичными токами.

При установке основного 4 и дополнительного 5 ребер на внутренней стороне обеих концевых поверхностей 2 лопаточной решетки достигается наилучшая аэродинамическая эффективность лопаточной решетки турбомашины.

Использование изобретения позволяет повысить аэродинамическую эффективность лопаточной решетки турбомашины за счет снижения концевых и профильных потерь.