Двухконтурная турбина заднего хода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

союз советских

СО!!ИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

) ГОСУДАРСТВЕ)НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО CCCP

1(ГОСПАТЕНТ CCCP) (я)ю F 01 0 1/30

OllVICAHVIE ИЗОБРЕТЕНИЯ

:К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ б

1 (21) 981155/06 (22) 02.03.67 (46} 30.08.93, Бюл. М 32 (71) Научно-производственное объединение Машпроект"

2) Ф,И.Кирзнер, В.Я.Казанович, Я,Х.Сороа и Ю.И.Семенов

4) ДВУХКОНТУРНАЯ ТУРБИНА ЗАДНЕГО

ОДА

57) Использование: в газотурбодвигателетроении в качестве турбины заднего хода.

„„ „„1837110 А1

Сущность изобретения: при работе двухконтурной турбины на заднем ходу часть газа поступает во внешний контур 2 на рабочие лопатки 3, размещенные на разделительных полках 4, выполненных заодно с рабочими лопатками 5 основного контура 1 турбины, совершая при атом полезную работу. Остальная часть газа поступает в перепускной контур 2, где дросселируется, не совершая работы. 3 ил.

1837110

10 (2) Ntp,8. k.F» g U h.с„ з

Изобретение относится к судостроительной промышленности и может быть использовано на судах гражданского флота и кораблях Военно-Морского Флота в качестве турбины заднего хода (ТЗХ) газотурбинного двигателя.

В настоящее время на судах применяются отдельно стоящие Т3Х, находящиеся на аднан валу с турбином переднего хода (ТПХ), В последнее время в СПБ "Машпроект",разработана, изготовлена и проходит даводочные испытания двухконтурная реверсивная газовая турбина, у которой ТПХ расположена в первом (нижнем) ярусе, а одноступенчатая ТЗХ вЂ” во втором (верхнем) контуре, причем рабочая лопатка Т3Х расположена на первой рабочей лопатке ТПХ.

Основным недостатком этих турбин является наличие потерь на трение и вентиляцию ТЗХ при работе двигателя на переднем ходу. Рассмотрим структурную формулу потерь на трение и вентиляцию где k — коэффициент, зависящий от геометрии облопачивания, числа ступеней Т3Х и условий на входе и выходе из турбины;

F»- кольцевая площадь рабочего колеса

Т3Х; у — удельный вес среды, в которой вращается облопачивание турбины;

U — окружная скорость облопачивания

Т3Х при работе двигателя на переднем ходу

Как следует из формулы (1), одним из путей уменьшения потерь на трение и вентиляцию является уменьшение скорости вращения U. Этот путь широко используется как при проектировании реверсивных турбин с отдельными ТЗХ, так и при проектировании двухконтурных реверсивных турбин.

Другим путем уменьшения потерь на трение и вентиляцию, как следует иэ формулы (1), является уменьшение кольцевой площади облопачивания F», При этом необходимо иметь в виду, что для того, чтобы не усложнять конструкцию двигателя, ТЗХ должна проектироваться на полный расход газа.

Очевидно, что такое уменьшение возможно лишь до значения где ц(М„) - 1,0 — относительный расход газа через Т3Х;

G, T00, Pop — параметры газа на входе в

Т3Х (расход, полная температура, давление);

m — постоянный коэффициент, зависящий от физических констант рабочего тела.

В ряде случаев это уменьшение получается незначительным по сравнению с кольцевой площадью ТПХ. Можно записать

F».тпх 1 т ек.мм тзх ц а пх

Поскольку для турбин, работающих с показателем эдиабаты k < 1,4, наиболее распространенные значения (тса ) тпх 0,4-0,6, то соответствующее значение 1ь 1,25, т.е. таким путем можно максимум на 25 снизить кольцевую площадь Т3Х по сравнению с кольцевой площадью ТПХ.

Очевидно, что рассмотренный путь уменьшения F, T3X за счет величины осевых отверстий, по которому идут при проектировании одноконтурных ТЗХ, оказывается недостаточно эффективным, так как при больших осевых скоростях необходимо создать развитое затурбинное устройство для восстановления давления, а уменьшение F» получается довольна незначительным.

Изобретение позволяет получить более существенное уменьшение кольцевой площади F» ТЗХ, а следовательно, и мощности трения и вентиляции при прочих равных условиях.

Суть предлагаемого способа состоит не в увеличении осевых скоростей, а в их уменьшении. При этом происходит одновременное увеличение кольцевой площади

Т3Х вследствие уменьшения геометрических углов облопачивания и КПД ТЗХ, причем КПД до определенного предела растет быстрее, чем F», Это свойство позволяет найти оптимальную величину уменьшения осевой скорости. Так как КПД ТЗХ увеличивается, то для получения заданной мощности уже не требуется всего расхода газа и появляется возможность часть газа направить в стеклянный перепускной контур, расположенный над Т3Х. Оставшийся газ проходит через Т3Х и совершает полезную работу, причем для пропуска этого газа требуется значительно меньшая кольцевая площадь, чем у одноконтурной Т3Х для пропуска всего расхода газа.

Как показали расчеты, в диапазоне мощностей заднего хода до 40 от мощности переднего хода возможно существенное уменьшение кольцевой площади Т3Х, Поскольку большая мощность судам не требуется, то изобретение позволяет в боль1837110 (5) Lu - U(2aoc0sa1 — U) (3) О "00 R А

Р,оG sin à1 sin à1 (-75 о ТЭХ, G инстве.случаев получить при прочих равых условиях уменьшение кольцевой плоади Т3Х, а следовательно, и потерь ощности на трение и вентиляцию, Это, в вою очередь, приводит к повышению сумэрной экономичности двигателя и к снижеию удельного расхода топлива, Теоретические предпосылки создания вухконтурных турбин заднего хода состоят следующем.

В связи с тем. что при изменении отноительной осевой скорости 4а происходит дновременное изменение как КПД турбиы, так и кольцевой площади, то, по-видимоу, можно найти такое оптимальное

НаЧЕНИЕ (4а )op5, ПрИ КОтсрОМ будЕт ПОЛчена заданная мощнс5сть заднего хода при инимальном значении кольцевой площаи.

Уравнение работы нэ окружности колеэ.

Lu = U5cIcos IzI + w2cos @ — U!

5 или Lu - Ug c5aocos а1+ - — — А W 2 л о1

5 а cos 502-0), % а ость; .

To1" — температура торможения в атноительном движении.

Так кэк для ТЗХ Тоо Т01", а наиболее елесообразны значения 41 = = 1,0, и ринимая а1 =Д, получим

1 р Т вЂ” критическая ско+1 оо

Величина кольцевой площади ТЗХ

",.де G = .. — относительный

Роо к Sln Г2 1 .А 6 "оо

Р асход; А =

Пусть 4> — величина заданной работы

13Х, причем

J е Noòçx — заданная мощность заднего ха,а.

Для всех случаев, когда l < Lu, где Lu

ычисляется по формуле(3), можно записать

ыражение для кольцевой площади двухонтурной Т3Х.

Ь. к2=--- > к5; (-o где F,1 — кольцевая плаьцадь одноконтурнай

Т3Х;

5 Fy2 кольцевая П550щадь двухкантурной

ТЗХ

Fv=

10 (0 Р (.ГЙ CÎS а1 — Uo ) Uo Sl B а1

ЗдССЬ U = Uo, .à5," КаК ВСЕ дэуХКаНтурНЫЕ и однакантурные ТЗХ должны иметь окружную скорость, соответствующую заданному значению Lo.

Выражение для 5=."2 для всех случаев, когда Lo < Lu, показывает, чта вреде тавляется возможным уменьшить кольцевую площадь за счет " избыточной" мощности путем сокращения вы<-аты лапатк55 N уменьшения расхода газа, 55еобходимога для получения заданной мощности задне-а хода. Избыточный расход газа при ятом должен перепускаться через специальный перепускнай контур, располсженный над ТЗХ (см. фиг,1).

Из формулы (5) видн0, чта величина кольцевой пло5цади двухкантурных 5 ЗХ является функцией требуемой Рабаты, угла F1

30 и параметров газа. Поскольку рабата и параметры ãàçç являются заданными, их можно принять пастоянным55. Тогда величина

F 25<> определ55ется путем нахождения экстремума для выражения (5):

О F<2 2 а 00$; Я) — 55 c0s 5х5

2 (3 35П 2 Г".1 — Ь S!nà5 ) д0 Гдв С1 = < .; а = »oU,.; = Uo o.

Тогда 00sa1 =--, — + „о2

Ь а1„Р5=агссоз(+- 5- 2+ 5 t.

83 8 5 j

Величина F 2 555 апредел;е;c =i5epy505i5NM образам: к2иин = "к17 у.т1-,, -,— — — с, 50 *,, - .-0003 1 г — 0 0

На Фиг,2 Г5риведены результаты Расчетов па определению значения площади двухкантурной ТЗХ для различных значений отнасительнОЙ мощности зад55ега хОДЗ на параметры газа, типиччые для газовых турбин открытого цкклт

l «=2,4 х5-/см,. Т 0=760 К; 6 =-100 кг/с, Как видно из фиг.2, применение двухконтурных ТЗХ является цслесОсбра. .н!-.5м, 1837110 так как позволяет существенно уменьшить кольцевую площадь, а следовательно, и уровень потерь мощности на трение и вентиляцию при заданном уровне мощности заднего хода по сравнению.с одноконтурными ТЗХ, При этом сравниваемые одноконтурные ТЗХ имеют минимально возможную кольцевую площадь для данной мощности, На фиг.2 огибающая кривая, расположенная на графике справа, характеризует значения кольцевых площадей одноконтурных ТЗХ.

Назовем

- kf — коэффициентом площаF@1

К2МИИ ди.

Коэффициент kf позволяет оценить уменьшение величины потерь мощности на трение и вентиляцию двухконтурной ТЗХ.

На фиг.3 приведена зависимость kf от угла а1 и относительной мощности заднего хода йтэх, где Мтзх = - - -" .

Р тпх

На фиг.3видно,,что применение двухконтурной Т3Х особенно целесообразно для относительных мощностей заднего хода порядка 10 — 30 от мощности переднего хода, хотя возможно получение снижения потерь мощности на трение и вентиляцию и для значений Нтэх - 40-507.

Следует отметить конструктивную простоту изобретения, а также то, что при применении двухконтурной ТЗХ практически не увеличиваются вес и габариты двигателя.

Hs фиг.1 приведена схема двухконтур. ной ТЗХ; на фиг.2 и 3 — результаты расчетов по определению эффективности изобретения.

Двухконтурная ТЗХ (фиг.1) состоит из собственно ТЗХ 1 и перепускного контура 2, расположенного над Т3Х 1, Т3Х 1 состоит из рабочих лопаток 3, размещенных на раз-делительных полках 4, выполненных заодно с рабочей лопаткой 5 ТПХ, и сопловой лопат5 ки 6. Для уменьшения перетечек между контурами переднего и заднего . хода выполнено торцовое лабиринтное уплотнение 7. Перепускной контур 2 представляет собой кольцевой канал, расположенный

10 между наружным корпусом турбины 8 и обечайкой 9. Внутри канала размещены стойки

10, предназначенные для крепления обечайки и соплового аппарата ТЗХ к наружному корпусу турбины.

15 При работе турбины на заднем ходу часть газа поступает в ТЗХ, где совершает полезную работу, а часть газа поступает в перепускной контур и дросселируется, не совершая работы. По выходе из ТЗХ и пере20 пускного контура гаэ поступает в соответствующее выхлопное устройство.

Применение двухконтурной ТЗХ возможно как для двухконтурных реверсивных турбин, так и для отдельно стоящих Т3Х. В

25 последнем случае лопатки ТЗХ крепятся не на лопатках ТПХ, а в. соответствующих дисках.

Формула изобретения

30 Двухконтурная турбина заднего хода, например, для судовых газотурбинных установок, содержащая сопловые аппараты и рабочие колеса, образующие основной контур, отличающаяся тем, что, с целью

35 уменьшения на режиме прямого хода потерь мощности на трение и вентиляцию, предусмотрен соединяющий полости перед турбиной и за турбиной канал для перепуска части газа мимо основного контура за тур40 бину.

1837110

0 и 1о зо ю >а ьв м go и

Жм2

У,О

О/ 0 43 04 ОЗ 06 о7 yg од

Составитель Ф.Кирзнер

Техред М.Моргентал Корректор A.Îáðó÷àð

Редактор Т. Горячева

Заказ 2857 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101