RU2633974C1 - Centrifugal turbine - Google Patents
Centrifugal turbine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633974C1 RU2633974C1 RU2016119722A RU2016119722A RU2633974C1 RU 2633974 C1 RU2633974 C1 RU 2633974C1 RU 2016119722 A RU2016119722 A RU 2016119722A RU 2016119722 A RU2016119722 A RU 2016119722A RU 2633974 C1 RU2633974 C1 RU 2633974C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- centrifugal
- centrifugal turbine
- bandage
- blade ring
- Prior art date
Links
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
- F01D5/147—Construction, i.e. structural features, e.g. of weight-saving hollow blades
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано в турбонасосных агрегатах (ТНА) ЖРД ракет с продолжительным временем работы при использовании любых компонентов топлива, как высококипящих, так и низкокипящих.The invention relates to the field of rocket propulsion and can be used in turbopump units (TNA) LRE of rockets with long operating time using any fuel components, both high-boiling and low-boiling.
Известны реактивные центростремительные ступени, содержащие корпус, установленные в нем рабочее колесо с лопатками и направляющий аппарат (см., например, книгу «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей» под редакцией профессора Г.Г. Гахуна. М., Машиностроение, 1989, стр. 220, рис. 10-19; патент РФ №2518703, F01D 1/06). Данные конструкции вполне работоспособны, но имеют следующие недостатки:Known reactive centripetal steps containing a housing, an impeller with blades mounted in it and a guiding apparatus (see, for example, the book "Design and Design of Liquid Rocket Engines" edited by Professor GG Gakhun. M., Mechanical Engineering, 1989, pp. . 220, Fig. 10-19; RF patent No. 2518703,
а) газ (рабочее тело) высокого давления (до 400-500 атм) и высокой температуры (до 700°С) подводится к турбине по наружному диаметру лопаточного венца, т.е. подводной патрубок от газогенератора и коллектор с сопловым аппаратом должны быть толстостенными, что утяжеляет конструкцию, усложняет технологию изготовления и сборки турбонасосного агрегата;a) gas (working fluid) of high pressure (up to 400-500 atm) and high temperature (up to 700 ° C) is supplied to the turbine along the outer diameter of the blade rim, i.e. the underwater branch pipe from the gas generator and the collector with the nozzle apparatus must be thick-walled, which makes the design heavier and complicates the manufacturing and assembly technology of the turbopump unit;
б) при изготовлении необходимо применять жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы, особенно те стали и сплавы, у которых предел длительной прочности наивысший по сравнению с другими сталями (например, сплав ЭП741 и т.п.).b) during manufacture it is necessary to use heat-resistant and heat-resistant steels and alloys, especially those steels and alloys for which the long-term strength is highest compared to other steels (for example, EP741 alloy, etc.).
Данная конструкция неприемлема для ТНА ЖРД верхних ступеней ракет в качестве разгонных блоков многоразового включения и с продолжительным временем работы из-за большого веса.This design is unacceptable for the TNA LRE of the upper stages of missiles as booster blocks of reusable inclusion and with a long operating time due to the large weight.
Известна конструкция центробежных турбин, в которых подвод газа высокого давления и высокой температуры производится по внутреннему диаметру лопаточного венца турбины - лопаточный венец выполнен параллельно оси вращения. Такая конструкция позволяет осуществить подвод газа по цилиндрической трубе, а отводные коллекторы и трубопроводы выполнять тонкостенными из обычных нержавеющих сталей (типа 07X16Н6), т.к. за турбиной давление и температура газа будут в 1,5-2 раза ниже, чем перед сопловым аппаратом (см. книгу В. Траунеля «Тепловые турбомашины», М., Государственное энергетическое издательство, 1981, том первый, стр. 117, рис. 4-1.11, 4-1.12). При этом снижается вес ТНА, улучшается технологичность и повышается надежность. Однако эти конструкции имеют недостаток, заключающийся в том, что при высоких скоростях вращения ротора ТНА (~60000 об/мин и более), на которых работают современные ТНА ЖРД, они являются неработоспособными по прочностным параметрам в зоне соединения диска рабочего колеса центробежной турбины с бандажом, где по расчетам возникают напряжения около 270 кг/мм. Это объясняется тем, что при работе на высоких скоростях вращения под действием центробежных сил лопаточный венец с бандажом турбины изгибается совместно с диском рабочего колеса центробежной турбины, как мембрана, что и приводит к росту напряжений.A known design of centrifugal turbines, in which high pressure gas and high temperature gas are supplied along the inner diameter of the turbine blade rim — the blade rim is parallel to the axis of rotation. This design allows gas to be supplied through a cylindrical pipe, and the outlet manifolds and pipelines can be made thin-walled from ordinary stainless steels (type 07X16H6), because behind the turbine, the pressure and temperature of the gas will be 1.5-2 times lower than in front of the nozzle apparatus (see V. Traunel’s book “Thermal Turbomachines”, Moscow, State Power Publishing House, 1981, Volume One, p. 117, Fig. 4-1.11, 4-1.12). This reduces the weight of the TNA, improves manufacturability and increases reliability. However, these designs have the disadvantage that, at high rotational speed of the TNA rotor (~ 60,000 rpm or more), on which modern TNA liquid propellant engines operate, they are inoperative in strength parameters in the area of the connection of the disk of the impeller of a centrifugal turbine with a bandage where, according to calculations, stresses of about 270 kg / mm occur. This is due to the fact that when operating at high speeds of rotation under the action of centrifugal forces, the blade ring with the turbine bandage bends together with the disk of the impeller of the centrifugal turbine, like a membrane, which leads to an increase in stresses.
Известна конструкция центробежной турбины (радиальной) с двойным лопаточным венцом, взятая за прототип изобретения, в которой при работе на высоких скоростях вращения и высокой температуре прогиб одного лопаточного венца 1 компенсируется прогибом противоположного лопаточного венца 7 совместно с бандажом 8 (см. патент РФ №2008435, F01D 1/06, фиг. 1). Указанная конструкция по прототипу имеет следующие недостатки:A known design of a centrifugal turbine (radial) with a double blade rim, taken as a prototype of the invention, in which, when operating at high speeds and a high temperature, the deflection of one
а) двухвенцовая реактивная низкоперепадная турбина, поз. 4 и 7, совместно со спрямляющим аппаратом 9 и бандажом 8 между ступенями турбины отличается чрезвычайной сложностью в изготовлении;a) two-jet low-pressure jet turbine, pos. 4 and 7, together with a straightening
б) наличие на периферии диска рабочего колеса центробежной турбины лопаточных венцов, спрямляющего аппарата совместно с бандажом делает проблематичной прочность диска рабочего колеса центробежной турбины у корня как самого нагруженного места турбины;b) the presence on the periphery of the disk of the impeller of a centrifugal turbine of blade vanes, a straightening device together with a bandage makes the strength of the disk of the impeller of a centrifugal turbine at the root as the most loaded place of the turbine problematic;
в) практика разработки реактивных низкоперепадных турбин показывает, что конструкция двухступенчатой турбины повышает кпд по сравнению с одноступенчатой реактивной низкоперепадной турбиной максимум на 1,5-2%. При этом потеря мощности одноступенчатой турбины легко компенсируется повышением температуры газогенераторного газа на 20-30°С при замкнутых схемах ЖРД, что не сказывается на надежности работы турбины, т.к. обычно в «кислых» схемах, например, рабочая температура составляет 500-700°С;c) the practice of developing low-pressure jet turbines shows that the design of a two-stage turbine increases the efficiency in comparison with a single-stage low-pressure turbine by a maximum of 1.5-2%. Moreover, the power loss of a single-stage turbine is easily compensated by increasing the temperature of the gas generator by 20-30 ° C with closed LRE circuits, which does not affect the reliability of the turbine, because usually in "acidic" schemes, for example, the operating temperature is 500-700 ° C;
г) из-за разности внутренних диаметров лопаточных венцов возникает значительная осевая сила, что связано с высоким давлением за сопловым аппаратом.d) due to the difference in the internal diameters of the blade rims, a significant axial force arises, which is associated with high pressure behind the nozzle apparatus.
Изобретение решает следующие задачи:The invention solves the following problems:
а) упрощение конструкции центробежной турбины;a) simplification of the design of the centrifugal turbine;
б) повышение прочности конструкции центробежной турбины;b) increasing the structural strength of a centrifugal turbine;
в) обеспечение приемлемой экономичности турбины, чтобы исключить влияние на удельную тягу двигателя замкнутой схемы;c) ensuring an acceptable efficiency of the turbine in order to exclude the influence on the specific thrust of the engine of a closed circuit;
г) повышение надежности при длительной работе ТНА (более 3000 с), например в составе разгонных блоков верхних ступеней ракет;d) increased reliability during long-term operation of the TNA (more than 3000 s), for example, as part of upper stage rocket booster blocks;
д) снижение веса конструкции ТНА, что особенно важно для верхних ступеней ракет;e) reduction in the weight of the TNA structure, which is especially important for the upper stages of missiles;
е) исключение осевой силы, действующей на диск рабочего колеса центробежной турбины, за счет подбора диаметров лабиринтных уплотнений D1 и D2 (см. прилагаемый чертеж), обеспечивающих равенство площадей, на которые действует давление за сопловым аппаратом перед лопаточным венцом.f) elimination of the axial force acting on the disk of the impeller of the centrifugal turbine by selecting the diameters of the labyrinth seals D1 and D2 (see the attached drawing), ensuring the equality of the areas affected by the pressure behind the nozzle apparatus in front of the blade ring.
Для этого в одноступенчатой центробежной реактивной турбине на периферии диска рабочего колеса центробежной турбины, имеющего разгрузочные отверстия, на одном радиусе с противоположной стороны от лопаточного венца с бандажом выполнен кольцевой выступ-противовес зацело с диском рабочего колеса центробежной турбины, образующий лабиринтное щелевое уплотнение с корпусом турбины. При этом масса кольцевого выступа равна массе лопаточного венца с бандажом.For this, in a single-stage centrifugal jet turbine on the periphery of the disk of the impeller of a centrifugal turbine having discharge holes, an annular protrusion-counterweight is made integrally with the disk of the impeller of the centrifugal turbine, forming a labyrinth gap seal with the turbine body, on the same radius from the opposite side of the blade rim with a bandage. . In this case, the mass of the annular protrusion is equal to the mass of the scapular crown with a bandage.
При таком исполнении конструкции реактивной центробежной турбины изгиб от лопаточного венца с бандажом под действием центробежных сил компенсируется изгибом от кольцевого выступа-противовеса, и суммарный изгиб диска рабочего колеса центробежной турбины отсутствует.With this design of the jet centrifugal turbine design, the bend from the blade ring with the bandage under the action of centrifugal forces is compensated by the bend from the annular protrusion-counterweight, and there is no total bend of the impeller disk of the centrifugal turbine.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена конструкция реактивной центробежной турбины.The invention is illustrated in the drawing, which shows the design of a jet centrifugal turbine.
Центробежная турбина включает корпус турбины 1 с выхлопным патрубком 2, турбину 3, сопловой аппарат 4, кольцевой выступ-противовес 5, образующий дополнительное лабиринтное щелевое уплотнение 11, лопаточный венец 6 с бандажом, основное лабиринтное уплотнение 7, разгрузочные отверстия 8 в диске рабочего колеса центробежной турбины 3, полости равного давления 9 и 10 за сопловым аппаратом перед турбиной, диаметры D1 и D2 щелевых уплотнений. Подбором соотношения D1 и D2 обеспечивается минимальная осевая сила, действующая на турбину 3. При этом масса кольцевого выступа-противовеса 5 равна массе лопаточного венца 6 с бандажом. При работе центробежной турбины 3 в условиях повышенных частоты вращения и температуры угловая скорость в современных ТНА может достигать более 500 м/с. Под действием центробежных сил, действующих на лопаточный венец 6 с бандажом и кольцевой выступ-противовес 5, диск рабочего колеса центробежной турбины 3 не прогибается, т.к. массы этих элементов равны и прогиб диска рабочего колеса центробежной турбины от лопаточного венца с бандажом компенсируется прогибом диска рабочего колеса центробежной турбины от выступа-противовеса, и, таким образом, суммарный прогиб диска рабочего колеса центробежной турбины практически равен нулю, что обеспечивает надежную работу турбины и всего ТНА.The centrifugal turbine includes a
Использование изобретения позволит упростить конструкцию центробежной турбины, повысить прочность конструкции, исключить влияние ТНА на удельную тягу двигателя замкнутой схемы, повысить надежность работы ТНА при длительной работе (более 3000 с), снизить вес конструкции ТНА, что важно для верхних ступеней ракет, исключить осевую силу, действующую на диск рабочего колеса центробежной турбины, обеспечив работоспособность подшипников ТНА.The use of the invention will simplify the design of a centrifugal turbine, increase the structural strength, eliminate the influence of the TNA on the specific thrust of a closed circuit engine, increase the reliability of the TNA during long-term operation (more than 3000 s), reduce the weight of the TNA design, which is important for the upper stages of missiles, and eliminate axial force acting on the disk of the impeller of a centrifugal turbine, ensuring the operability of the bearings TNA.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119722A RU2633974C1 (en) | 2016-05-20 | 2016-05-20 | Centrifugal turbine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016119722A RU2633974C1 (en) | 2016-05-20 | 2016-05-20 | Centrifugal turbine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2633974C1 true RU2633974C1 (en) | 2017-10-20 |
Family
ID=60129651
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016119722A RU2633974C1 (en) | 2016-05-20 | 2016-05-20 | Centrifugal turbine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2633974C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005890C1 (en) * | 1989-05-06 | 1994-01-15 | Борис Иванович Стрикица | Stage of turbomachine |
RU2008435C1 (en) * | 1991-02-11 | 1994-02-28 | Нижегородский государственный технический университет | Radial-flow turbine |
US20080260538A1 (en) * | 2003-03-12 | 2008-10-23 | Florida Turbine Technologies, Inc. | Spar and shell constructed turbine blade |
EP2405100A1 (en) * | 2010-07-05 | 2012-01-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Combined sealing and balancing arrangement for a turbine disc |
-
2016
- 2016-05-20 RU RU2016119722A patent/RU2633974C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2005890C1 (en) * | 1989-05-06 | 1994-01-15 | Борис Иванович Стрикица | Stage of turbomachine |
RU2008435C1 (en) * | 1991-02-11 | 1994-02-28 | Нижегородский государственный технический университет | Radial-flow turbine |
US20080260538A1 (en) * | 2003-03-12 | 2008-10-23 | Florida Turbine Technologies, Inc. | Spar and shell constructed turbine blade |
EP2405100A1 (en) * | 2010-07-05 | 2012-01-11 | Siemens Aktiengesellschaft | Combined sealing and balancing arrangement for a turbine disc |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3703081A (en) | Gas turbine engine | |
RU2470169C2 (en) | Turbo machine with diffuser | |
EP2657452B1 (en) | Turbine with sealing arrangement at the tip of the blades | |
US3240016A (en) | Turbo-jet powerplant | |
US3203180A (en) | Turbo-jet powerplant | |
US9752610B2 (en) | Device for locking a nut | |
US9995179B2 (en) | Compressor assembly for turbocharger burst containment | |
CN108799200B (en) | Compressor installation with discharge channel and auxiliary flange | |
CN108799202B (en) | Compressor installation with discharge channel comprising a baffle | |
US10330121B2 (en) | Systems and methods for axial compressor with secondary flow | |
US9856740B2 (en) | Tip-controlled integrally bladed rotor for gas turbine engine | |
CN110325713B (en) | Turbojet engine comprising a bearing architecture optimized to support a low-pressure shaft | |
US9157334B2 (en) | Dual-flow turbomachine for aircraft, including structural means of rigidifying the central casing | |
WO2017162365A1 (en) | Damping vibrations in a gas turbine | |
RU2633974C1 (en) | Centrifugal turbine | |
US7931437B1 (en) | Turbine case with inlet and outlet volutes | |
EP3358142A1 (en) | Turbine tip shroud leakage flow control | |
RU181361U1 (en) | CENTRIFUGAL TURBINE | |
CN110805478B (en) | Air temperature sensor with bushing | |
US2722802A (en) | Axial flow turbojet engines having independently rotating low and high pressure systems | |
RU2534684C1 (en) | Turbine of double-circuit gas turbine engine | |
US20200011182A1 (en) | Method for modifying a turbine | |
US6705829B1 (en) | Cover for LP first stage diaphragm and method for improving inflow to first stage diaphragm | |
US20140147249A1 (en) | Gas turbine engine rotor drain feature | |
Reeman | The turbine for the simple jet propulsion engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200521 |