Ступень осевой газовой микротурбины
Реферат
Использование: при создании малоразмерных турбоприводов, в частности в ручных пневмомашинах. Сущность изобретения: высота рабочих лопаток превышает высоту лопаток соплового аппарата по верхнему и нижнему обводам на определенную величину, определяемую из рекомендуемых соотношений при полном использовании дуги подвода и формулы - при парциальном подходе. 4 ил.
Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано при создании малоразмерных турбоприводов, в частности в ручных пневмомашинах.
Известна ступень газовой микротурбины [1] в которой высота рабочих лопаток на 20.30% больше высоты сопловых лопаток, независимо от степени парциальности (). Это устройство наиболее близко к изобретению. Недостаток такой ступени низкий КПД из-за того, что часть потока газа, выходящего из сопловых каналов, у верхнего обвода ступени не попадает на рабочие лопатки, а часть потока у нижнего обвода ступени ударяет в диск рабочего колеса. Цель изобретения повысить КПД осевой микротурбины за счет полного захвата струи рабочего тела, выходящей из сопл, рабочими лопатками и исключения удара части струи в диск рабочего колеса. Поставленная задача решена тем, что при полном использовании дуги подвода рабочего тела ( 1) по верхнему обводу высота лопаток рабочего колеса больше высоты сопловых лопаток (верхняя перекрыта) на 0,4.0,6 от высоты последних, а по нижнему обводу лопатки рабочего колеса больше высоты сопловых лопаток (нижняя перекрыша) на 0,2.0,4 от высоты последних. При уменьшении длины дуги подвода (при уменьшении степени парциальности) величины наивыгоднейших значений верхней и нижней перекрыш линейно уменьшаются, что хорошо аппроксимируется формулами [()opt]= [()opt]=1-0,53(1-), [()opt] = [()opt]=1-0,53(1-), где [()opt] относительная оптимальная верхняя перекрыша при заданном значении степени парциальности; в/hСA относительная верхняя перекрыша; в абсолютная величина верхней перекрыши; hСА абсолютная величина высоты лопаток соплового аппарата; [()opt]=1 относительная оптимальная верхняя перекрыша при 1; [()opt] относительная оптимальная нижняя перекрыша при заданном значении степени парциальности; н/hСA относительная нижняя перекрыша; н абсолютная величина нижней перекрыши; [()opt]=1 относительная оптимальная нижняя перекрыша при =1. Причем при < 4 наивыгоднейшее значение нижней перекрыши может иметь отрицательное значение. Именно предлагаемое соотношение размеров высот лопаток соплового аппарата и рабочего колеса по верхнему и нижнему обводам при полном использовании длины дуги подвода ( 1), а также изменение величины перекрыш с изменением степени парциальности определяют достижение задачи изобретения. На фиг.1 дана схема меридионального сечения ступени с величинами верхней ( в ) и нижней ( н)перекрыш, определяемых предлагаемым техническим решением при =1. Ступень содержит сопловые лопатки 1 с высотой hСА, рабочие лопатки 2, диск 3 рабочего колеса. Верхняя перекрыша в=(0,2.0,4)hСА. Высота рабочих лопаток hРК=hСА+ в + н. На фиг.2 представлена экспериментально полученная зависимость оптимальных относительных значений верхней [()opt= (в)opt/hCA] и нижней [()opt] ()opt/hCA] перекрыш от величины степени парциальности. На фиг.3 представлена экспериментальная зависимость мощностного КПД (т ) осевой микротурбины при =1 от относительной величины верхней перекрыши () (в)/hCA, где четко виден предлагаемый оптимальный диапазон значений в. На фиг.4 представлена экспериментальная зависимость мощностного КПД (т) осевой микротурбины при 1 от относительной величины нижней перекрыши н/hСA), где хорошо виден предлагаемый оптимальный диапазон значений. Границы оптимальных относительных значений верхней (0,4.0,6), фиг.3 и нижней (0,2.0,4), фиг.4 перекрыш определялись как точки, где значения мощностного КПД (т ) более чем на 3% отличаются от его максимального значения. Предлагаемая ступень осевой газовой микротурбины была реализована на ряде опытных образцов ручных пневмомашин, например ПШТ-3 и ПШТ-6. В указанных пневмомашинах при неизменных сопловых аппаратах были заменены лишь рабочие колеса с высотами лопаток, обеспечивающими величины верхних и нижних перекрыш. В результате замены рабочих колес КПД пневмомашины ПШТ-3 изменялся с 0,22 до 0,26, а у ПШТ-6 с 0,23 до 0,28. Использование предлагаемой ступени осевой микротурбины позволяет существенно увеличить КПД ступени. Так, если для микротурбины с hСА=1,25 и 1 величины перекрыш принять согласно рекомендаций [1] то суммарная перекрыша =(0,2.0,3)hСА, а так как рекомендации по распределению перекрыши на верхнюю и нижнюю в работе [1] нет, то принимали в=0,15hСАи н=0,1hСА, т.е. =0,185 и=0,125.Такие перекрыши привели к снижению мощностного КПД ступени при параметре нагруженности Yт=0,3 на 25% по сравнению с его значением при верхней и нижней перекрышах, принятых согласно предлагаемого изобретения. Еще больший выигрыш по КПД достигается при выполнении перекрыш, при малых значениях степени парциальности. Так, например, если для микротурбины с 0,1 сохранить оптимальные значения перекрыш для =1, то ее КПД будет равен 0,35. Если же для 0,1 перекрыш выполнить согласно предлагаемого изобретения, то КПД ступени будет 0,47, т.е. выигрыш по КПД составит 34,2% Вышеизложенное по ступени осевой газовой микротурбины экспериментально проверено в следующих диапазонах: по степени понижения давления (Пт) от 1,5 до 10; по высоте лопаток соплового аппарата от 0,5 до 5 мм; по среднему диаметру ступени (Dср) от 26 до 110 мм. Области применения предлагаемого изобретения: приводы генераторов электроэнергии космических кораблей, приводы гироскопов систем ориентации, стабилизации и наведения различных ракет, турбодетандеры малой холодопроизводительности в системах кондиционирования самолетов, ручной пневмоинструмент для зачистки сварных швов, подгонки деталей, обработки штампов и пресс-форм, резки металла, медицинский инструмент для костной хирургии, агрегатные головки станков, приводы компрессоров для наддува скафандров, устройства для распыления краски и полимеров.Формула изобретения
СТУПЕНЬ ОСЕВОЙ ГАЗОВОЙ МИКРОТУРБИНЫ, содержащая лопатки соплового аппарата и рабочие лопатки, высота которых по верхнему и нижнему отводам превышает высоту лопаток соплового аппарата, отличающаяся тем, что высота рабочих лопаток превышает высоту лопаток соплового аппарата по верхнему и нижнему отводам соответственно при полном использовании дуги подвода на 0,4 - 0,6 и 0,2 0,4 высоты лопаток соплового аппарата, а при парциальном подводе - на где степень парциальности, оптимальная относительная верхняя перекрыша при полном использовании дуги подвода; в абсолютная величина верхней перекрыши; hс.а абсолютная величина высоты лопаток соплового аппарата; оптимальная относительная нижняя перекрыша при полном использовании дуги подвода; н абсолютная величина нижней перекрыши.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4