Результат интеллектуальной деятельности: СОПЛОВОЙ АППАРАТ АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ

Изобретение относится к конструкции сопловых аппаратов малорасходных активных турбин с парциальным подводом газа и может быть использовано в энергетическом машиностроении.

В парциальных малорасходных турбинах нашли широкое применение сопловые аппараты с коническими осесимметричными соплами (см., например, Емин О.Н., Зарицкий С.П. «Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами», Москва, Машиностроение, 1975 г., стр.16, рис.19).

Такие сопловые аппараты просты в технологическом отношении и имеют минимальные газодинамические потери в осесимметричном сопле и приемлимые аэродинамические характеристики для отдельных областей применения.

Расширению области применения противодействуют два свойства осесимметричных сопел:

- выходное сечение таких сопел на плоскости косого среза имеет вид эллипса и плохо согласуется с прямоугольным входным сечением каналов рабочего колеса турбины;

- высота лопатки ограничивает степень расширения сопла и вынуждает использовать сложные в конструктивном исполнении многосопельные сопловые аппараты.

Известны также сопловые аппараты с соплами прямоугольного сечения, выходные сечения которых лучше согласуются с прямоугольными входными сечениями рабочих решеток колеса турбины и способны реализовать высокие степени расширения газового потока. В частности, известен сопловой аппарат, содержащий сопло прямоугольного сечения, включающее разгонный и выходной участки, в котором выходное сечение сопла по косому срезу имеет средний радиус, равный среднему радиусу рабочих решеток колеса, проекция продольной оси симметрии разгонного участка на плоскость соплового аппарата размещена по касательной к окружности, образованной средним радиусом турбинной ступени (см. патент РФ №2232902 с приоритетом от 05.07.2002 г., МПК (7) F01D 9/02 - прототип изобретения). В сравнении с осесимметричными соплами сопла прямоугольного сечения менее технологичны и имеют повышенные газодинамические потери.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является минимизация недостатков соплового аппарата.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в создании соплового аппарата, обладающего только полезными свойствами известных конструктивных решений.

Поставленная задача решается тем, что в сопловом аппарате осевой турбины, содержащем сопло, имеющее разгонный участок и выхлопной участок, в котором выходное сечение сопла на плоскости косого среза имеет средний радиус, равный среднему радиусу рабочей решетки колеса турбины, в отличие от прототипа, разгонный участок выполнен из осесимметричного сопла и изогнутого расширяющегося канала, ширина которого постоянна и равна диаметру выходного сечения осесимметричного сопла, а высота канала выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения осесимметричного сопла до максимального значения на выходном участке соплового аппарата, при этом ось осесимметричного сопла выполнена по касательной к окружности среднего радиуса изгиба расширяющегося канала, выходное сечение осесимметричного сопла не превышает высоты лопаток рабочей решетки турбины, а поверхность расширяющегося канала образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями со средним радиусом изгиба, равным среднему радиусу выходного сечения сопла на плоскости косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями, диаметр которых равен диаметру выходного сечения осесимметричного сопла.

Заявленное исполнение соплового аппарата активной турбины реализует положительные свойства осесимметричных сопел (простота и технологичность, минимальные газодинамические потери в сопле) и сопел прямоугольного сечения (выходное сечение хорошо согласуется с прямоугольным входным сечением рабочей решетки колеса турбины, степень расширения газового потока в сопле не ограничивается высотой лопатки) при минимизации их недостатков (овальное выходное сечение на плоскости косого среза и ограничение степени расширения высотой лопатки (осесимметричные сопла), меньшая технологичность и повышенные потери в соплах прямоугольного сечения).

На фиг.1 показано поперечное сечение турбины.

На фиг.2 дана развертка по сечению А-А.

На фиг.3 показано сечение Б-Б сопла.

Сопловой аппарат содержит сопло 1, имеющее разгонный участок 2 и выходной участок 3, в котором выходное сечение 4 сопла на плоскости косого среза 5 имеет средний радиус изгиба R_ср.из, равный среднему радиусу R_ср рабочей решетки 6 колеса 7 турбины.

Разгонный участок 2 сопла выполнен из осесимметричного сопла 8 с критическим сечением d_кр и выходным сечением d₁ и изогнутого расширяющегося канала 9, ширина которого h_c постоянна и равна диаметру выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8, а высота В канала 9 выполнена плавно увеличивающейся от диаметра выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8 до максимального значения на выходном участке 3 соплового аппарата.

Ось осесимметричного сопла 8 выполнена по касательной 10 к окружности среднего радиуса изгиба R_ц.ср.из расширяющегося канала 9, выходное сечение d₁ осесимметричного сопла 8 не превышает высоты h_л лопаток рабочей решетки 6 турбины, а поверхность расширяющегося канала 9 образована двумя цилиндрическими коаксиальными поверхностями 11 и 12 со средним радиусом изгиба R_ц.ср.из, равным среднему радиусу R_ср.из выходного сечения на плоскости 5 косого среза, и двумя сопряженными с ними по краям полуторовыми поверхностями 13 и 14, диаметр которых равен диаметру выходного сечения d₁ осесимметричного сопла 8.

Во время работы соплового аппарата активной турбины от источника повышенного давления подается газ в сопло 1, который разгоняется в разгонном участке 2 и через выходной участок 3 поступает на рабочие решетки 6 колеса 7, приводя ее во вращение.

При течении газового потока в разгонном участке 2 газодинамические потери минимальны и определяются потерями на трение.

Использование заявленного соплового аппарата позволит повысить КПД активной турбины.