CZ306689B6 - Radiálně axiální dostředivá turbína s rotorem s variabilní výstupní částí - Google Patents

Abstract

Vynález se týká radiálně axiální dostředivé turbíny se statorem (2) obsahující rotor (1) s lopatkami (3) rotoru (1), ukončenými ve směru průtoku axiální výstupní částí (4) lopatek (3), která je opatřena otevíratelným obtokovým kanálem (9) axiální výstupní části (4) lopatek (3) rotoru (1), umístěným mezi vstupem proudu do lopatek (3) rotoru (1) a axiální výstupní částí (4) lopatek (3) rotoru (1). Otevíratelný obtokový kanál (9) je opatřen otevíracím orgánem.

Description

Vynález se týká radiálně axiální dostředivé turbíny s rotorem s variabilní výstupní částí

Současný stav techniky

Radiální dostředivé turbíny se běžně provádějí jako Francisovy, tedy s radiálním vstupem z rozváděčích lopatek do lopatek rotoru s kombinovaným radiálním průtokem na vstupu a výtokem v axiální výstupní části lopatek rotoru. Stator se pro turbínu s proměnlivým spádem obvykle provádí jako regulovatelný, tedy s natáčivými rozváděcími lopatkami, umožňujícími změnu průřezu mezi nimi a směru výstupní rychlosti ze statoru.

Toto provedení je typické i pro radiálně axiální dostředivé plynové turbíny turbodmychadel pro přeplňování pístových spalovacích motorů, kde turbína na výfukové plyny pohání odstředivý kompresor, stlačující plnicí vzduch. V tomto případě je pro natáčení rozváděčích lopatek důvodem přizpůsobení průtokového průřezu turbíny různým průtokům výfukových plynů při změněných otáčkách spalovacího motoru, kdy je žádoucí mít možnost nastavit spád měrné entalpie výfukových plynů na turbíně nezávisle na průtoku a dosáhnout tím možnost regulovat plnicí tlak motoru, tedy tlak na výstupu z kompresoru, hnaného turbínou, a to nezávisle na otáčkách motoru.

Při změně nastavení úhlu a průtokového průřezu rozváděčích lopatek se ovšem mění i průtokové poměry v lopatkách rotoru, který má pevnou geometrii. Lopatky rotoru se navrhují pro určitá nastavení rozváděčích lopatek a určitý spád entalpie. Při změně nastavení rozváděčích lopatek spolu se změnou průtoku, spádu měrné entalpie nebo otáček turbíny mohou být lopatky rotoru v nevýhodném nastavení a účinnost turbíny pak klesá. To se týká zejména axiální výstupní části lopatek rotoru.

Pro plnicí výfuková turbodmychadla tento stav typicky nastává, pokud jsou lopatky rotoru navrženy na vysokou účinnost při nízkém průtoku a vysokém spádu měrné entalpie, tedy pro obvykle vyžadovaný vysoký plnicí tlak při nízkých otáčkách motoru, zajišťujících vysoký moment pístového motoru při jeho nízkých otáčkách. Při zvýšení otáček a průtoku motorem jsou pak lopatky rotoru navrženy na příliš malý výstupní průřez kanálu, což je spojeno s velkou výstupní ztrátou kinetické energie a poklesem účinnosti turbíny. Při vyšších tlakových poměrech, obvyklých u dnešních plynových turbín turbodmychadel, dochází předčasně i k aerodynamickému ucpání axiální výstupní části lopatek rotoru vlivem dosažení rychlosti zvuku poblíž nejužšího výstupního průřezu a tedy k nedostatečnému využití tlakového poměru během expanze. Pokud je naopak axiální výstupní průřez navržen na příliš velikou hodnotu, dosahuje turbína vysoké účinnosti až při vyšším průtoku a v oblasti nízkých otáček motoru není možné dosáhnout vysoký plnicí tlak ani s ním spojený točivý moment. Při nízkých otáčkách přeplňovaných spalovacích motorů je tedy pro akceleraci motoru vysoká účinnost turbíny, zvyšující dosažitelný plnicí tlak, velmi žádoucí.

Řešení s pohyblivými lopatkami oběžného kola není u radiálních turbín snadno proveditelné. Prakticky se uplatnilo jen u turbín čistě axiálních, tj. Kaplanova typu. U rozměrově velmi malých a za vysokých teplot výfukových plynů a s vysokými otáčkami pracujících radiálních dostředivých turbín turbodmychadel u pístových motorů naráží pak provedení pohyblivých lopatek rotoru na další problémy, spojené kromě konstrukčních těžkostí také s podstatným navýšením ceny tohoto stroje. Na druhé straně je natáčení rozváděčích lopatek v radiálních mřížích dobře zvládnuto a běžně se u turbín turbodmychadel i u vodních turbín používá.

- 1 CZ 306689 B6

Kromě tohoto řešení se pro zvětšení průtokového průřezu celé turbíny používá obtok celé turbíny, odvádějící část výfukových plynů ještě před vstupem do rozváděčích lopatek a spojující obtékající tok plynů s proudem plynů z axiální výstupní části lopatek rotoru až na výstupu z turbíny, tedy za axiální výstupní částí lopatek rotoru. Toto uspořádání odstraňuje nutnost použití pohyblivých rozváděčích lopatek a používá se zejména v případech, kdy je turbína navržena na malý průtok výfukových plynů při nízkých otáčkách motoru. Pak je obtok turbíny při nízkém průtoku uzavřen a otevírá se až při vysokém průtoku. Vlivem nevyužití části entalpického spádu na turbíně v proudu plynů, obtékajícím turbínu, je ovšem tato regulace výkonu turbíny při otevřeném obtoku turbíny značně ztrátová.

Podstata vynálezu

Popsané nevýhody kombinace natáčivých lopatek statoru a pevných lopatek rotoru odstraňuje předmět dále popsaného vynálezu. Jeho podstatou je možnost zvětšení průřezu výstupní části lopatek rotoru, navržených na malý průtok turbínou, a to jejich otevíratelným obtokem, jehož vstup je umístěn až v blízkosti axiální výstupní částí lopatek rotoru, v níž dochází k podstatné redukci průřezu proudu. Až do místa vstupu do otevíratelného obtoku přitom proud expanduje v lopatkách rotoru obvyklým způsobem a přenáší na ně svou změnu momentu hybnosti, tedy vytváří moment působící na lopatky rotoru stejným způsobem jako při provozu bez obtoku axiální výstupní části lopatek rotoru.

Na rozdíl od současně známých řešení, u nichž je měněna pouze poloha rozváděčích lopatek statoru, tzv. turbíny s variabilní geometrií nebo variabilními tryskami, je vynálezem ovlivňována i průtočnost rotoru, který se tím může přizpůsobit změněnému průřezu rozváděčích lopatek statoru. Tím lze zvýšit účinnost turbíny, jejíž hodnota na sladění průtočnosti statoru a rotoru závisí, tedy eliminovat nežádoucí změny rozdělení energetického - entalpického spádu mezi statorem a rotorem, tzv. reakce turbíny. Snížení účinnosti u současných turbín s variabilní geometrií statoru je významné a z větší části pochází právě ze změněné reakce. Na druhé straně vynález zabraňuje ztrátám energie výfukových plynů, způsobeným u jiné známé regulace průtočnosti turbíny jejím obtokem, spojujícím část skříně před rozváděcími lopatkami statoru s výstupní částí skříně za nebo vedle výstupní části rotoru turbíny. Ve vyústění obtoku se sice u některých provedení turbín umisťuje koaxiální ejektor, využívající kinetickou energii obtékajícího proudu, který jinak míjí turbínu bez konání práce, avšak jeho účinnost je nízká a konstrukční provedení problematické. Proti tomuto řešení s vysokými energetickými ztrátami přináší vynález odpouštění plynu až po jeho částečné expanzi s konáním práce na rotoru turbíny, přičemž i velká část zbylé energie odpouštěného plynu může být vhodným tvarováním lopatek rotoru v místě obtoku využita pro konání práce.

Objasnění výkresů

Radiálně axiální dostředivá turbína podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsána na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. laje znázorněno běžné provedení turbíny s uzavřenými otevíracími lopatkami v nárysu a na obr. 1b v bokorysu. Na obr. 2 je znázorněno toto provedení s otevřenými otevíracími lopatkami v nárysu. Na obr. 3a je podrobněji znázorněna axiální výstupní část lopatek rotoru v nárysu a na obr. 3b v bokorysu. Na obr. 4 je znázorněno v nárysu jiné provedení otevíratelného kanálu obtoku s pohyblivým kruhovým šoupátkem v uzavřené poloze a na obr. 5a v nárysu a na obr. 5b v bokorysu v otevřené poloze. Na obr. 6 je v nárysu znázorněno další provedení s axiálně pohyblivým šoupátkem, na obr. 7 je znázorněno to provedení v bokorysu v uzavřené poloze a na obr. 8 v bokorysu v otevřené poloze. Na obr. 9 je znázorněn v nárysu odtok tekutiny obtokovým kanálem v rotoru, který je na straně hřídele rotoru opatřen otvory. Na obr. 10 je v bokorysu axiálně pohyblivý ventil v uzavřené poloze a na obr. 11 je v bokorysu v otevřené poloze.

-2CZ 306689 B6

Příklady uskutečnění vynálezu

Běžné provedení turbíny, znázorněné na obr. 1 až 5 obsahuje rotor £, který je umístěn ve statoru 2, opatřeném rozváděcími lopatkami, které směrují radiální dostředivý proud 5 tekutiny do tangenciálního směru ve smyslu rotace 7 rotoru £. Rotor £ je opatřen lopatkami 3, majícími ve své vstupní části zhruba radiální směr a přecházejícími plynule do axiální výstupní části 4_lopatek rotoru £, v němž jsou lopatky 3 rotoru £ zahnuty do tangenciálního směru 6 vedoucího tekutinu proti smyslu rotace 7. Mezilopatkové kanály rotoru £ jsou směrem od osy rotoru £ u jeho hřídele k protilehlé stěně statoru 2 otevřeny a přetoku mezi jednotlivými kanály se do značné míry zabrání právě blízkostí stěny statoru 2.

Turbína je podle tohoto vynálezu doplněna o otevíratelný kanál 9 obtoku se vstupní radiální částí, opatřený otevíracími lopatkami 8 obtoku, které se v uzavřeném stavu těsně překrývají a uzavírají otevíratelný kanál 9 obtoku, jak ukazuje obr. 1 a 2. Otevírací lopatky 8 obtoku jsou natáčivé kolem čepů 10. Má-li se kanál 9 uvést v činnost, otevírací lopatky 8 obtoku se ve smyslu šipky 14 pootočí kolem čepů 10 a část proudu odtéká z rotoru £ turbíny otevíratelným kanálem 9 obtoku, aniž by prošla axiální výstupní částí 4 lopatek rotoru £. Otevírací lopatky 8 obtoku se natáčejí tak, aby sledovaly s malou ztrátou směr výstupní rychlosti 13 proudu vůči statoru 2. Tato výstupní rychlost 13 proudu se přitom vektorově skládá z rychlosti 11 proudu vůči rotujícímu prostoru rotoru £, která je obvykle téměř radiální, a obvodové rychlosti 12 rotace rotoru £.

S ohledem na málo využitou tangenciální složku výstupní rychlosti 13 proudu je vhodné axiální výstupní část 4 lopatek rotoru £ tvarovat v závislosti na jejich poloměru tak, aby byly zahnuty proti směru rychlosti 12 rotace rotoru £, jak ukazuje obr. 3a. Axiální výstupní část 4 lopatek rotoru je v řezu rovinou kolmou k ose rotoru zahnuta proti směru rychlosti 12 rotace rotoru. Rychlost 11 proudu vůči rotujícímu prostoru rotoru £je pak na rozdíl od situace, kterou ukazují obr. la, 1b a 2, skloněna proti směru rychlosti 12 rotace rotoru £. Tím se dosáhne zhruba radiálního směru výstupní rychlosti 13 proudu vůči statoru 2 a účinnost turbíny se dále zlepší vlivem absence nevyužité kinetické energie v otevíratelném kanálu 9 obtoku.

Jiné provedení otevíratelného kanálu 9 obtoku turbíny ukazují obr. 4 a 5. Zde se otevření obtoku dosahuje pootočením pohyblivého kruhového šoupátka 16 v tangenciálním směru. Pohyb otevře otvory ve stojícím prstenci 15 a umožní odtok tekutiny do otevíratelného kanálu 9 obtoku.

Další provedení otevíratelného kanálu 9 obtoku turbíny s axiálně pohyblivým šoupátkem 17 ukazují obr. 6 až 8. Zde se pro otevření otevíratelného kanálu 9 obtoku odsouvá axiálně pohyblivé šoupátko £7, kryjící v uzavřeném stavu axiální výstupní část 4 lopatek rotoru £. Odsunutím se uvolní průtok do otevíratelného 9 kanálu obtoku.

Je možné využít i odtoku tekutiny obtokovým kanálem 18 v rotoru £, který je na straně hřídele rotoru £ opatřen otvory 21, jak je znázorněno na obr. 9 až 11. V tomto případě se otevření obtokového kanálu 18 rotoru £ zajistí axiálně pohyblivým ventilem 19, jehož vedení prochází stěnou 20 výstupního hrdla turbíny.

Průmyslová využitelnost

Radiálně axiální dostředivá turbína s rotorem s variabilní výstupní částí podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění především v automobilovém průmyslu.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Radiálně axiální dostředivá turbína se statorem (2) obsahujícím rotor (1) s lopatkami (3) rotoru (1), ukončenými ve směru průtoku axiální výstupní částí (4) lopatek (3), vyznačující se tím, že je opatřena otevíratelným obtokovým kanálem (9) axiální výstupní části (4) lopatek (3) rotoru (1), umístěným mezi vstupem proudu do lopatek (3) rotoru (1) a axiální výstupní částí (4) lopatek (3) rotoru (1), přičemž otevíratelný obtokový kanál (9) je opatřen otevíracím orgánem.
2. 2. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že otevíratelný kanál (9) obtoku je vytvořen ve statoru (2).
3. 3. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že otevíratelný kanál (9) obtoku je opatřen otevíracími lopatkami (8) obtoku pro jeho otevírání, které jsou umístěny na čepech (10) mezi dvěma rovnoběžnými rovinnými stěnami a v uzavřeném stavu vytvářejí stěnu blízkou špičce axiální výstupní části (4) lopatek (3) rotoru (1).
4. 4. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že otevírací orgán otevíratelného kanálu (9) obtoku je tvořen pohyblivým kruhovým šoupátkem (16) pro otevírání otvorů stojícího prstence (15).
5. 5. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že otevírací orgán otevíratelného kanálu (9) obtoku je tvořen axiálně pohyblivým šoupátkem (17) pro odkrývání axiální výstupní část (4) lopatek (3) rotoru (1) do otvíratelného kanálu (9) obtoku.
6. 6. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že tvar axiální výstupní části (4) lopatek (3) rotoru (1) je vytvořen tak, že axiální výstupní část (4) lopatek (3) rotoru (1) je v řezu rovinou kolmou k ose rotoru (2) skloněna proti směru obvodové rychlosti (12) rotace rotoru (1).
7. 7. Radiálně axiální dostředivá turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že otevíratelný obtokový kanál axiální výstupní části lopatek rotoru (1) je vytvořen jako obtokový kanál (18) rotoru (1), který je umístěn v ose rotoru (1) a je opatřen axiálně pohyblivým ventilem (19) pro jeho otevírání a jeho vedení prochází stěnou (20) výstupního hrdla turbíny.