CZ285003B6 - Axiální turbina - Google Patents

Abstract

Axiální turbína má alespoň jednu řadu zakřivených rozváděcích lopatek (7) a alespoň jednu řadu oběžných lopatek (4). Zakřivení rozváděcích lopatek (7) po celé její výšce je provedeno kolmo k tětivě (S) a upraveno proti tlakové straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděcí lopatky (7). V radiálním směru se rozváděcí lopatky (7) zužújí.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká axiální turbíny s alespoň jednou řadou zakřivených rozváděčích lopatek a alespoň jednou řadou oběžných lopatek.

Zakřivené rozváděči lopatky se používají zejména pro zmenšení sekundárních ztrát, vznikajících 10 při odchylování mezních vrstev v rozváděčích lopatkách.

Dosavadní stav techniky

Turbíny se zakřivenými rozváděcími lopatkami jsou známé, například zDE-A-37 43 738. Zde jsou znázorněny a popsány rozváděči lopatky, jejichž zakřivení je provedeno po celé jejich výšce a je upraveno proti tlakové straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděči lopatky. Z tohoto spisu jsou známé rovněž rozváděči lopatky, jejichž zakřivení je provedeno po celé jejich výšce a je upraveno proti sací straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděči lopatky. Tím se 20 účinně zmenšily tlakové gradienty mezní vrstvy jak v radiálním, tak i v obvodovém směru a rovněž se zmenšily aerodynamické ztráty v rozváděčích lopatkách. Nezávisle na tom, proti které straně sousední rozváděči lopatky je zakřivení těchto známých rozváděčích lopatek upraveno, je provedeno v každém případě přesně v obvodovém směru. To znamená, že u znázorněných válcových rozváděčích lopatek leží alespoň jejich přední hrany po celé jejich výšce ve 25 stejné axiální rovině.

Úkolem vynálezu je dosáhnout u axiální turbíny uvedeného druhu dalšího snížení uvedených ztrát.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje axiální turbína s alespoň jednou řadou zakřivených rozváděčích lopatek a alespoň jednou řadou oběžných lopatek, podle vynálezu, jehož podstatou je, že zakřivení 35 rozváděčích lopatek je provedeno po jejich celé výšce kolmo k tětivě, a že rozváděči lopatky se radiálně zužují.

Přitom je s výhodou zakřivení rozváděčích lopatek upraveno proti tlakové straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděči lopatky.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu je rozváděči lopatka provedena od vnějšího poloměru až do asi své poloviční výšky s rostoucím poměrem tětivy k rozteči a od poloviny své výšky až k vnitřnímu poloměru s přibližně konstantním poměrem tětivy k rozteči.

Podle ještě dalšího výhodného provedení vynálezu se část náboje v oblasti špiček rozváděčích lopatek kuželovité otevírá, přičemž rozváděči lopatky jsou po celé své výšce zkrouceny.

Výhodou řešení podle vynálezu je zejména to, že v důsledku zakřivení, kolmému k tětivě rozváděči lopatky, je plocha rozváděči lopatky, v průmětu v radiálním směru, větší, než u známého 50 zakřivení v obvodovém směru. Tím se zvýší radiální síla na pracovní médium, toto pracovní médium je tak přitlačováno na stěny kanálu, čímž se u nich zmenší tloušťka mezní vrstvy.

U axiálních turbín s alespoň přibližně válcovým obrysem nosiče rozváděčích lopatek v oblasti jejich pat a s kuželovité otevřeným obrysem náboje v oblasti jejich špiček, což se například

-1 CZ 285003 B6 používá u jednostupňových plynových turbín turbokompresorů poháněných spalinami, jsou rozváděči lopatky s výhodou zkrouceny po celé své výšce. Kombinace zakřivení a zkroucení umožňuje optimalizování velikosti reakce po celé výšce rozváděči lopatky, aniž by se při tom muselo velmi měnit rozložení vstupního úhlu rozváděčích lopatek. Další výhoda spočívá rovněž v tom, že při provedení turbínového stupně je možno použít známé oběžné lopatky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladu provedení jednostupňové plynové turbíny turbokompresoru s axiálně/radiálním výstupem podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje podélný řez částí axiální turbíny, obr. 2 část rozvinutého válcového řezu na vnějším průměru protékaného kanálu z obr. 1, obr. 3 v perspektivním pohledu skelet zakřivené rozváděči lopatky, obr. 4 profilové řezy zakřivenou rozváděči lopatkou, obr. 5 meridiální proudnicové linie v axiálním řezu, obr. 6 schematické grafické porovnání výstupních úhlů plynu a výstupních úhlů rozváděči lopatky po celé výšce kanálu a obr. 7 schéma snížení ztrát jako funkce tlakových poměrů turbíny.

Příklady provedení vynálezu

Pro pochopení podstaty vynálezu jsou znázorněny pouze podstatné prvky. Z celého zařízení není například znázorněna kompresorová část, stator, celý rotor včetně uložení atd. Směr proudění pracovního média je označen šipkami.

U plynové turbíny, znázorněné schematicky na obr. 1, tvoří stěny protékaného kanálu 1 jednak vnitřní náboj 2 a jednak vnější nosič 3 rozváděčích lopatek 7. Tento nosič 3 je vhodně zavěšen na neznázoměném statoru. V oblasti oběžných lopatek 4 je kanál 1 uvnitř omezen vnějším obvodem rotoru 5 a vně krytem 6. V celé oblasti lopatkování je náboj 2 v důsledku zvětšování objemu expandujícího pracovního média kuželovité zúžen.

Ve směru proti proudu je před oběžnými lopatkami upravena pevná rozváděči lopatková mříž. Její rozváděči lopatky 7 jsou upraveny v optimálním počtu a s optimálními poměry tětivy S vůči rozteči T (obr. 2) pro plné zatížení. Rozváděči lopatky 7 udělují proudu pracovního média točivý moment, potřebný pro jeho vstup do oběžné lopatkové mříže. Na rozdíl od schematického znázornění je tato oběžná lopatková mříž provedena zpravidla jako jeden celek se svými vnějšími a vnitřními ohraničujícími stěnami, například jako dýzový prstenec, odlitý jako jeden díl, takže v podstatě vlastně nelze hovořit o špičce a patě lopatky.

Z obr. 1 a 3 je vidět, že v důsledku zakřivení rozváděčích lopatek 7 neleží jak jejich náběžné hrany 9, tak i jejich výstupní hrany 8 ve stejné axiální rovině.

Zakřivení rozváděčích lopatek 7 probíhá kolmo k tětivě S, čehož je dosaženo posunutím profilových řezů jak v obvodovém, tak i v axiálním směru. Zakřivení je tvořeno plynulým

-2CZ 285003 B6 obloukem, který svírá s nosičem 3 ostrý úhel a₇ a s nábojem 2 ostrý úhel a^. Přitom je ostrý úhel a_z na vnějším průměru menší, než ostrý úhel On na vnitřním průměru. Uhly αχ, On, znázorněné na obr. 1, nejsou jako takové v axiální rovině, nýbrž v rovině kolmé k rovině tětiv S rozváděčích lopatek 7.

Rozváděči lopatky 7 se zužují radiálně směrem dovnitř. Toto zúžení je zvoleno tak, že rozváděči lopatka 7 je vytvořena od vnějšího poloměru až zhruba do poloviny své výšky s rostoucím poměrem tětivy S k rozteči T a od poloviny své výšky až k vnitřnímu poloměru s přibližně konstantním poměrem tětivy S k rozteči T. Profil rozváděči lopatky 7 zůstává v podstatě po celé její výšce nezměněn.

Velikost zakřivení a zúžení, jakož i profily rozváděči lopatky 7, jsou patrné z obr. 4. Na obr. 4 je vidět v radiálním pohledu 5 profilových řezů, rozložených přibližně ekvidistantně po celé výšce rozváděči lopatky 2· Znázorněny jsou profil Z na vnějším průměru, to znamená na válcovém nosiči 3, profil N na vnitřním průměru, to znamená na náboji 2, profil V v polovině výšky rozváděči lopatky 7, a dále dva další profily U a W v jedné 1/4 respektive 3/4 výšky rozváděči lopatky 7.

Tato opatření přispívají k požadovanému odlehčení okrajových oblastí.

Vedle zakřivení a zúžení je po celé délce listu rozváděči lopatky 7 provedeno ještě její zkroucení, které přispívá ke změně obvodové rychlosti po celé výšce kanálu v oběžných lopatkách 4, upravených za rozváděcími lopatkami 7. Na obr. 4 je znázorněno toto zkroucení ve formě různých úhlů [3n respektive β_ν, které svírají tětivy S příslušných profilů N aW s obvodovým směrem. Bez zkroucení rozváděčích lopatek 7 by musely být vstupní úhly oběžných lopatek 4 přizpůsobeny výstupních úhlům rozváděčích lopatek 7. To by mělo opět za následek nežádoucí změnu hltnosti turbíny.

Válcový řez v rozvinutém stavu na obr. 2 znázorňuje ve zvětšeném měřítku rozmístění lopatek 4 a 7 v uvažované části turbíny. Spaliny zpravidla opouštějí rozváděči lopatkovou mříž při plném zatížení pod úhlem asi 15-20°. Patrná je zejména odchylka výstupního úhlu plynu od výstupního úhlu výstupní hrany 8 rozváděčích lopatek 7, vzniklá v důsledku ovlivňování mezní vrstvy na vnějších stěnách kanálu 1.

Tento stav odlehčení okrajových oblastí je znázorněn schematicky na obr. 6. Zde jsou na vodorovné ose vyneseny různé výstupní úhly v [°] plynu a na svislé ose výška v [%] kanálu 1 v oblasti výstupní hrany 8 rozváděčích lopatek 7.

Jsou porovnávány výstupní úhly a_G plynu a výstupní úhly σ₅ rozváděčích lopatek 7 po celé výšce kanálu 1 u známých válcových rozváděčích lopatek a u trojrozměrných rozváděčích lopatek 7, zakřivených podle kritérií vynálezu. Čárkované hodnoty platí pro válcové rozváděči lopatky, je jasně vidět při konstantním výstupním úhlu σς rozváděčích lopatek nepravidelné rozložení výstupního úhlu a_G plynu po jejich celé výšce. Zlom zakřiveného průběhu v oblasti náboje 2, ve které je rozteč rozváděčích lopatek malá, pochází z transsonického proudění, které tam nastává. Plnými čarami, které platí pro zakřivené rozváděči lopatky 7 podle vynálezu, je znázorněn na rozdíl od toho, relativně konstantní výstupní úhel a_G po celé výšce rozváděči lopatky 7. Ačkoli jsou rozváděči lopatky 7 na statoru a na náboji 2 zakrouceny, to znamená jsou opatřeny menším výstupním úhlem as, jsou směrodatné výstupní úhly a_G plynu v okrajových oblastech větší, než uprostřed rozváděči lopatky 7. Výše uvedené nadměrné neboli transsonické rychlosti u náboje 2 při použití řešení podle vynálezu nenastávají.

Odlehčení okrajových oblastí způsobuje odtlačení meridiálních linií radiálně směrem ven proti stěně nosiče 3 a radiálně směrem dovnitř proti stěně náboje 2, jak je znázorněno na obr. 5.

-3 CZ 285003 B6

Radiální komponenty, působící na proudění plynu, způsobují zamýšlené přitlačování proudu k náboji 2 a k válcovému nosiči 3.

Protože výstupní hrany 8 rozváděčích lopatek 7 neleží ve stejné axiální rovině, neprobíhají ani přesně radiálně. To může působit výhodně i proti vzniku kmitání oběžných lopatek 4, uspořádaných po proudu.

Na schematickém grafu na obr. 7, ve kterém je na vodorovné ose vynesen tlakový poměr v [0,1 MPa] turbíny a na svislé ose snížení v [%] tlakových ztrát, je vidět, jak s přibývajícím tlakovým poměrem výhodně působí opatření podle vynálezu.

Vynález není samozřejmě omezen na znázorněný a popsaný příklad provedení. Na rozdíl od tohoto příkladu provedení by mohlo být zakřivení rozváděčích lopatek 2 provedeno i proti sací straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděči lopatky 7. Na rozdíl od popsaného řešení, u něhož se mezní vrstvy na válcovém nosiči 3 a náboji 2 urychlují, nebudou mezní vrstvy nijak ovlivňovány, nýbrž zakřivení bude působit pozitivně na jádro proudění.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Axiální turbína s alespoň jednou řadou zakřivených rozváděčích lopatek (7) a alespoň jednou řadou oběžných lopatek (4), vyznačující se tím, že zakřivení rozváděčích lopatek (7) je provedeno po jejich celé výšce kolmo k tětivě (S), a že rozváděči lopatky (7) se radiálně zužují.
2. 2. Axiální turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že zakřivení rozváděčích lopatek (7) je upraveno proti tlakové straně vždy v obvodovém směru sousední rozváděči lopatky (7).
3. 3. Axiální turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozváděči lopatka (7) je provedena od vnějšího poloměru až do asi své poloviční výšky s rostoucím poměrem tětivy (S) k rozteči (T) a od poloviny své výšky až k vnitřnímu poloměru s přibližně konstantním poměrem tětivy (S) k rozteči (T).
4. 4. Axiální turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že část náboje (2) v oblasti špiček rozváděčích lopatek se kuželovité otevírá, přičemž rozváděči lopatky (7) jsou po celé své výšce zkrouceny.