RU2694560C1 - Центростремительная турбина - Google Patents
Центростремительная турбина Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694560C1 RU2694560C1 RU2018132431A RU2018132431A RU2694560C1 RU 2694560 C1 RU2694560 C1 RU 2694560C1 RU 2018132431 A RU2018132431 A RU 2018132431A RU 2018132431 A RU2018132431 A RU 2018132431A RU 2694560 C1 RU2694560 C1 RU 2694560C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blades
- turbine
- gap
- impeller
- centripetal turbine
- Prior art date
Links
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/14—Form or construction
- F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
- F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
- F01D5/143—Contour of the outer or inner working fluid flow path wall, i.e. shroud or hub contour
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
- F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
- F01D1/08—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially having inward flow
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
- F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетическому, транспортному и авиационному двигателестроению и может быть использовано в технических объектах, где в качестве источника энергии целесообразно использовать высокотемпературную высокооборотную центростремительную турбину с низким объемным расходом рабочего тела, включая турбокомпрессоры для наддува двигателей внутреннего сгорания и микроэнергетику. Центростремительная турбина содержит направляющий аппарат, корпус и радиально-осевое рабочее колесо с лопаточным аппаратом. Причем на выходной части каждой из рабочих лопаток лопаточного аппарата выполнен выступ, а на внутренней поверхности корпуса напротив выступов на выходных частях рабочих лопаток выполнен кольцевой уступ. Величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом постоянна. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия турбины на 2-3%. 2 ил.
Description
Изобретение относится к энергетическому, транспортному и авиационному двигателестроению и может быть использовано в технических объектах, где в качестве источника энергии целесообразно использовать высокотемпературную высокооборотную центростремительную турбину с низким объемным расходом рабочего тела, включая турбокомпрессоры для наддува двигателей внутреннего сгорания и микроэнергетику.
Изобретение предназначено для повышения экономичности центростремительных турбин малой мощности, в которых высота рабочих лопаток из-за низкого объемного расхода рабочего тела и требований к надежности приводит к увеличенному зазору между периферией лопаток и корпусом до величины не менее 5-7% от высоты выходной кромки рабочей лопатки.
Турбина состоит из двух основных элементов - ротора и статора (корпуса), между которыми в процессе работы не должно возникать контакта. При расширении и изменении направления движения рабочего тела в проточном тракте с разных сторон рабочей лопатки возникает перепад давления, благодаря которому совершается механическая работа. При этом некоторая часть потока, протекающая в пространстве зазора между лопатками и корпусом, не совершает полезной работы, что вызывает потери с утечкой рабочего тела. Очевидно, что потери тем больше, чем больше величина относительного зазора.
В целях увеличения экономичности турбины целесообразно минимизировать указанный зазор, однако это не всегда представляется возможным из-за требований к эксплуатационной надежности (для исключения задевания ротора о статор на всех режимах работы).
Для решения задачи повышения экономичности турбины известна конструкция, описанная в авторском свидетельстве СССР №1574967, опубликованном 30.06.1990 г., которая состоит из корпуса и рабочего колеса с покрывным диском. Для уменьшения утечек между корпусом и покрывным диском расположены лабиринтные уплотнения, предназначенные для уменьшения потерь. Однако данную конструкцию невозможно использовать для высокотемпературных и высокооборотных турбин, так как покрывной диск существенно увеличивает уровень напряжений в материале рабочего колеса из-за центробежных сил и тепловых деформаций.
Для повышения экономичности также известна центростремительная турбина, включающая направляющий аппарат, корпус и рабочее колесо турбины с бандажом на выходной (осевой) части лопаточного аппарата (авторское свидетельство СССР №641130, опубликовано 05.01.1979). Причем для уменьшения концевых потерь и повышения КПД турбины над бандажом выполнена кольцевая выемка, а выходная часть лопаток имеет положительную перекрышу по отношению к корпусу. Расположение бандажа в специальной выемке не допускает его срывного обтекания и уменьшает концевые потери в периферийной зоне лопаток. Наличие надбандажных уплотнений уменьшает потери с утечкой рабочего тела в пространстве между корпусом и бандажом. Данная конструкция является вариантом рабочего колеса с покрывным диском, роль которого выполняет бандаж, расположенный на том участке проточной части колеса, где его влияние наиболее эффективно.
Однако известная конструкция обладает всеми ограничениями, характерными для рабочего колеса с покрывным диском, то есть она вызывает дополнительные нагрузки на лопаточный аппарат колеса вследствие увеличенных центробежных сил (влияние дополнительной массы). Наличие бандажа также негативно отражается на надежности турбины при высокой температуре рабочего тела (и материала рабочего колеса) из-за напряжений, вызванных тепловыми деформациями. Следовательно, данная конструкция не может быть использована для высокотемпературных и высокооборотных центростремительных турбин.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является центростремительная турбина, раскрытая в патенте РФ №2612309, опубл. 06.03.2017. Известная турбина содержит корпус, радиально-осевое рабочее колесо, снабженное лопаточным аппаратом, причем в корпусе на выходе рабочего тела из лопаточного аппарата радиально-осевого рабочего колеса выполнен кольцевой выступ, перекрывающий зазор между корпусом и лопатками рабочего колеса, а расстояние между выходной кромкой лопаток рабочего колеса и выступом на корпусе центростремительной турбины не превышает величину зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом центростремительной турбины. Как показали результаты 3D численного моделирования, для достижения гарантированного эффекта повышения экономичности конструкции прототипа необходима тщательная оптимизация геометрии лопаточного аппарата рабочего колеса с учетом влияния зазора и выступа на профиль выходной скорости (эффект достигается только при минимизации суммарных потерь от утечек через зазор и с выходной скоростью из рабочего колеса). Данная особенность конструкции требует большого объема расчетных исследований и дополнительных проработок.
Задача предлагаемого изобретения - создание новой центростремительной турбины, отличающейся повышенной эффективностью.
Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) турбины.
Для достижения технического результата предлагается центростремительная турбина, содержащая направляющий аппарат, корпус и радиально - осевое рабочее колесо с лопаточным аппаратом. Причем на выходной части каждой из рабочих лопаток лопаточного аппарата выполнен выступ, при этом на внутренней поверхности корпуса напротив выступов на выходных частях рабочих лопаток выполнен кольцевой уступ, при этом величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом постоянна.
На выходе из радиально - осевого рабочего колеса турбины поток меняет направление от центростремительного к осевому и происходит отклонение потока в сторону, противоположную вращению колеса. При этом часть потока, обладающая наибольшей кинетической энергией, устремляется в зазор между корпусом и периферийными кромками лопаток рабочего колеса, что вызывает потери. Очевидно, что сокращение потерь с утечками рабочего тела через зазор приведет к росту КПД турбины.
Эффект повышения КПД достигается за счет того, что энергия протекающего в зазоре потока направляется на совершение полезной работы при повороте этого потока на выступах, выполненных на выходных частях рабочих лопаток рабочего колеса. Минимально необходимая величина зазора между ротором и корпусом, а именно между периферией лопаточного аппарата и корпусом, определяется условиями надежности (исключение возможности задевания ротора о корпус), поэтому для наиболее выгодного соотношения экономичности и надежности величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом должна быть постоянной.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На фиг. 1 показано меридиональное сечение лопаточного аппарата радиально - осевого рабочего колеса центростремительной турбины.
На фиг. 2 укрупненно показан участок I, выделенный на фиг. 1, в масштабе 5:1.
Центростремительная турбина содержит направляющий аппарат 1, корпус 2 и радиально - осевое рабочее колесо 3 с лопаточным аппаратом, при этом на выходной части каждой из рабочих лопаток 4 лопаточного аппарата выполнен выступ 5, а на внутренней поверхности корпуса напротив выступов 5 выполнен кольцевой уступ 6, при этом величина зазора δ между периферией лопаточного аппарата рабочего колеса 3 и корпусом 2 постоянна.
Центростремительная турбина работает следующим образом.
Рабочее тело (газ) подается в полость (на чертеже не показана) перед направляющим аппаратом 1, представляющим собой совокупность каналов, образованных сопловыми лопатками. Рабочее тело натекает на сопловые лопатки направляющего аппарата 1 в радиальном направлении от периферии к центру.
В межлопаточных каналах направляющего аппарата 1 поток рабочего тела расширятся, ускоряется и отклоняется в тангенциальном направлении в сторону вращения радиально - осевого рабочего колеса 3 с лопаточным аппаратом. После чего поток газа попадает в межлопаточное пространство радиально - осевого рабочего колеса 3 и в зазор δ между корпусом 2 и рабочими лопатками 4 лопаточного аппарата.
Выступы 5, каждый из которых выполнен на выходной части рабочей лопатки 4 лопаточного аппарата, в совокупности с уступом 6, выполненном на внутренней поверхности корпуса 2 напротив выступов 5, способствуют отклонению рабочего тела, попавшего в зазор между корпусом 2 и рабочим колесом 3, и направлению его в межлопаточное пространство, где он вместе с основным потоком рабочего тела совершает полезную работу. Таким образом, изобретение позволяет уменьшить суммарные потери (по выходной скорости и утечкам через зазор) и повысить КПД турбины примерно на 2-3%.
Claims (1)
- Центростремительная турбина, содержащая направляющий аппарат, корпус и радиально-осевое рабочее колесо с лопаточным аппаратом, отличающаяся тем, что на выходной части каждой из рабочих лопаток лопаточного аппарата выполнен выступ, при этом на внутренней поверхности корпуса напротив выступов на выходных частях рабочих лопаток выполнен кольцевой уступ, при этом величина зазора между периферией лопаточного аппарата и корпусом постоянна.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018132431A RU2694560C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Центростремительная турбина |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018132431A RU2694560C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Центростремительная турбина |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2694560C1 true RU2694560C1 (ru) | 2019-07-16 |
Family
ID=67309231
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018132431A RU2694560C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Центростремительная турбина |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2694560C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4212585A (en) * | 1978-01-20 | 1980-07-15 | Northern Research And Engineering Corporation | Centrifugal compressor |
SU1562474A1 (ru) * | 1988-07-18 | 1990-05-07 | Предприятие П/Я Г-4461 | Радиально-осева турбина |
EP1253295A2 (en) * | 2001-04-27 | 2002-10-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Axial-flow turbine having a stepped portion in a flow passage |
WO2010006976A1 (de) * | 2008-07-17 | 2010-01-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Axialturbine für eine gasturbine mit geringem spiel zwischen schaufeln un gehäuse |
US20150118080A1 (en) * | 2012-04-23 | 2015-04-30 | Borgwarner Inc. | Turbine hub with surface discontinuity and turbocharger incorporating the same |
RU2612309C1 (ru) * | 2015-10-26 | 2017-03-06 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Центростремительная турбина |
-
2018
- 2018-09-12 RU RU2018132431A patent/RU2694560C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4212585A (en) * | 1978-01-20 | 1980-07-15 | Northern Research And Engineering Corporation | Centrifugal compressor |
SU1562474A1 (ru) * | 1988-07-18 | 1990-05-07 | Предприятие П/Я Г-4461 | Радиально-осева турбина |
EP1253295A2 (en) * | 2001-04-27 | 2002-10-30 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Axial-flow turbine having a stepped portion in a flow passage |
WO2010006976A1 (de) * | 2008-07-17 | 2010-01-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Axialturbine für eine gasturbine mit geringem spiel zwischen schaufeln un gehäuse |
US20150118080A1 (en) * | 2012-04-23 | 2015-04-30 | Borgwarner Inc. | Turbine hub with surface discontinuity and turbocharger incorporating the same |
RU2612309C1 (ru) * | 2015-10-26 | 2017-03-06 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Центростремительная турбина |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9476315B2 (en) | Axial flow turbine | |
RU2611465C2 (ru) | Аэродинамический профиль | |
JP2012052525A (ja) | 輪郭形成バンドを有するタービンノズル | |
JP2018003841A (ja) | タービンロータブレード用シュラウド構成 | |
EP3159504B1 (en) | Radial-inflow type axial turbine and turbocharger | |
JP2012233475A (ja) | ステータベーン列を備えた遠心圧縮機組立体 | |
JP2011528081A (ja) | 低ギャップ損失を有する軸流ターボ機械 | |
US20150110617A1 (en) | Turbine airfoil including tip fillet | |
EP3406915B1 (en) | Centrifugal compressor having a variable diffuser with axially translating end wall | |
JP2011094616A (ja) | タービン翼形部−側壁の一体化 | |
KR20200045817A (ko) | 링 세그먼트 및 이를 포함하는 가스 터빈 | |
EP0097608B1 (en) | Turbine wheel having buckets or blades machined into the outer circumference of the wheel | |
JP2011106474A (ja) | 軸流タービン段落および軸流タービン | |
CN109519225B (zh) | 一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置 | |
Gao et al. | Variable geometry design of a high endwall angle power turbine for marine gas turbines | |
RU2612309C1 (ru) | Центростремительная турбина | |
KR101714829B1 (ko) | 가스 터빈 및 외측 슈라우드 | |
KR101509384B1 (ko) | 가스 터빈의 블레이드 팁 실링 장치 | |
CN108204251B (zh) | 叶顶汽封出口导流结构 | |
RU2694560C1 (ru) | Центростремительная турбина | |
JP2014234714A (ja) | 軸流タービン | |
CN212671868U (zh) | 一种叶轮机械动叶叶顶密封结构 | |
CN104963886A (zh) | 轴流压气机/风扇转静子径向间隙无泄漏封严结构及方法 | |
RU117536U1 (ru) | Рабочее колесо центробежного компрессора | |
RU2684067C1 (ru) | Центростремительная турбина |