газовая турбина

Формула изобретения

Газовая турбина, содержащая корпус, закрытый крышками, вал, установленный в подшипниках крышек, свободный конец которого пропущен в отверстие одной из крышек, рабочие колеса, закрепленные на валу, отличающаяся тем, что рабочие колеса, одинаковые по конструкции, установлены на некотором расстоянии друг от друга и выполнены в форме дисков, каждый из которых имеет сквозные каналы, расположенные по концентрическим окружностям, входное отверстие каждого из которых открывается на торцевую сторону диска, связанную с впускной полостью, а выходное отверстие каждого сквозного канала открывается на противоположную торцевую сторону диска, связанную с выпускной полостью, причем каждый из сквозных каналов выполнен в форме сопла Лаваля, а продольная ось каждого из них в каждой концентрической окружности наклонена в сторону, противоположную вращению диска, и установлена под углом к торцевой стороне диска, на которую открываются впускные отверстия сквозных каналов, причем диаметр каждого сквозного канала уменьшается по мере приближения к центру вращения, кроме того, внутри передней части корпуса установлена передняя обечайка, которая имеет на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу высокого давления, круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса высокого давления пружинами, вставленными в отверстия, выполненные в теле передней обечайки, кроме того внутри задней части корпуса установлена задняя обечайка, которая имеет на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу низкого давления, круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса низкого давления пружинами, вставленными в отверстия, выполненные в теле задней обечайки, кроме того, средняя обечайка установлена внутри корпуса между рабочими колесами высокого и низкого давления и имеет на каждой торцевой стороне круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, при этом пружины, вставленные в отверстия, выполненные в теле средней обечайки, прижимают соответствующие уплотнительные кольца к торцевым сторонам рабочих колес высокого и низкого давления, кроме того, внутреннюю полость газовой турбины рабочие колеса высокого и низкого давления делят на впускную полость, соединенную с впускным патрубком, выпускную полость, соединенную с выпускным патрубком, и среднюю промежуточную полость, которая через внутренние полости сквозных каналов рабочих колес высокого и низкого давления соединена с впускной и выпускной полостями.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя.

Известна одноступенчатая газовая турбина теплового двигателя П. Унрау, содержащая корпус, закрытый передней и задней крышками, вал, один конец которого пропущен в отверстие передней крышки, а второй закреплен в подшипнике задней крышки, рабочее колесо, закрепленное на валу, по окружности которого закреплены полукруглые лопатки, сопловый аппарат с неполной окружной подачей газа, выпускной патрубок /В.И.Дубовской. Автомобили и мотоциклы России 1896-1917 г. М.: Транспорт, 1994, с.278, рис.162/.

Недостатками газовой турбины теплового двигателя П. Унрау являются: небольшая мощность, низкий КПД, малое давление газа.

Указанные недостатки обусловлены проходом газа минуя лопатки в зазоре между корпусом и верхними концами лопаток, неравномерной подачей газа в соответствии с работой поршневого двигателя, использованием только части лопаток для создания вращательного момента.

Известна также многоступенчатая газовая турбина газотурбодвигателя (ГТД) со свободнопоршневым генератором газа, содержащая корпус, закрытый передней и задней крышками, вал, один конец которого установлен в подшипнике передней крышки, а другой вставлен в отверстие задней крышки, рабочее колесо, прикрепленное к валу, по окружности которого в несколько рядов установлены под углом к вертикальной плоскости лопатки, направляющий аппарат в форме лопаток, закрепленных на внутренней поверхности корпуса и размещенных между рядами лопаток рабочего колеса, впускную камеру с полной радиальной подачей газа, выпускную камеру /Б.В.Сазанов. Тепловые электрические станции: Учебное пособие для учащихся техникумов. М., Энергия, 1974, с.101, рис.7.17/.

Известная многоступенчатая газовая турбина газотурбодвигателя со свободнопоршневым генератором газа, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.

Недостатками многоступенчатой газовой турбины газотурбодвигателя со свободнопоршневым генератором газа, принятой за прототип, являются: большая нагрузка на лопатки, проход газа минуя лопатки через зазоры между корпусом и подвижными и неподвижными лопатками, не используется для создания вращающего момента средняя часть рабочего колеса.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией газовой турбины.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД, более полное использование давления и температуры газа.

Указанная цель согласно изобретения обеспечивается тем, что рабочее колесо с несколькими рядами лопаток, направляющий аппарат заменены рабочим колесом высокого давления и рабочим колесом низкого давления, одинаковыми по конструкции, закрепленными на валу на некотором расстоянии друг от друга и выполненными в форме дисков, каждой из которых имеет сквозные каналы, расположенные по концентрическим окружностям, входное отверстие каждого из которых открывается на торцевую сторону диска, связанную с впускной полостью, а выходное отверстие каждого сквозного канала открывается из противоположную торцевую сторону диска, причем каждый из сквозных каналов выполнен в форме сопла Лаваля, а продольная ось каждого из них в каждой концентрической окружности наклонена в сторону, противоположную вращению диска, и установлена под углом к торцевой стороне диска, на которую открываются впускные отверстия сквозных каналов, передней обечайкой, установленной внутри корпуса в его передней части и имеющей на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу высокого давления, круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса высокого давления, пружинами, вставленными в отверстия, выполненные в теле передней обечайки, задней обечайкой, установленной внутри корпуса в его задней части и имеющей на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу низкого давления, круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса низкого давления пружинами, вставленными в отверстия, выполненные в теле задней обечайки, средней обечайкой, установленной внутри корпуса между рабочими колесами высокого и низкого давления и имеющей на каждой торцевой стороне круглый паз; в который вставлено круглое уплотнительное кольцо, каждое из которых прижимается к торцевой стороне соответствующего рабочего колеса пружинами, установленными в отверстиях, выполненных в теле средней обечайки, причем внутреннюю полость газовой турбины рабочие колеса высокого и низкого давления делят на впускную полость, связанную с впускным патрубком, выпускную полость, соединенную с выпускным патрубком, и среднюю полость, которая через внутренние полости сквозных каналов рабочих колес высокого и низкого давления соединена с впускной и выпускной полостями.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид газовой турбины, на фиг.2 - вид на газовую турбину слева, на фиг.3 - вид на газовую турбину в разрезе, на фиг. 4 - общий вид рабочего колеса газовой турбины, на фиг.5 - вид на рабочее колесо газовой турбины сбоку с частичным разрезом, на фиг.6 - вид слева на рабочее колесо газовой турбины, на фиг.7 - вид справа на рабочее колесо газовой турбины, на фиг.8 - общий вид на переднюю или заднюю обечайку газовой турбины, на фиг.9 - вид сверху на переднюю или заднюю обечайку газовой турбины, на фиг.10 - общий вид средней обечайки газовой турбины с частичным разрезом, на фиг.11 - вид сверху на среднюю обечайку газовой турбины, на фиг.12 - общий вид уплотнительного кольца, на фиг.13 - вид сверху на уплотнительное кольцо, на фиг.14 - устройство сквозного канала рабочего колеса газовой турбины, на фиг.15 - схема создания вращающего момента на рабочем колесе газовой турбины.

Двухступенчатая газовая турбина содержит корпус 1, выполненный за одно целое с опорами 2. Корпус закрыт передней 3 и задней 4 крышками, в подшипниках 5, 6 которых установлен вал 7. Свободный конец вала 7 пропущен в отверстие одной из крышек 3 или 4. На валу 7, на некотором расстоянии друг от друга, закреплены рабочее колесо высокого давления 8 и рабочее колесо низкого давления 9. Рабочие колеса делят внутреннюю полость корпуса на три полости: впускную 10, имеющую впускной патрубок 11, выпускную 12, имеющую выпускной патрубок 13, и среднюю 14 между рабочими колесами. Внутри впускной полости привернута болтами к корпусу передняя обечайка 15, имеющая на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу высокого давления, круглый паз 16, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо 17, удерживаемое от вращения выступами 18 и прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса высокого давления пружинами 19, установленными в отверстиях 20, выполненными в теле передней обечайки. Внутри выпускной полости корпуса привернута к нему болтами задняя обечайка 21, имеющая на торцевой стороне, обращенной к рабочему колесу низкого давления, круглый паз, в который вставлено круглое уплотнительное кольцо 22, прижимаемое к торцевой стороне рабочего колеса низкого давления пружинами 23, установленными в отверстиях, выполненных в теле задней обечайки. Внутри средней полости корпуса привернута болтами к нему средняя обечайка 24, имеющая на обеих торцевых сторонах круглые пазы 25, 26, в которые вставлены круглые уплотнительные кольца 27, 28, которые прижимают к торцевым сторонам рабочих колес высокого и низкого давления пружины 29, 30, установленные в отверстиях 31, 32, выполненных в теле средней обечайки. Оба рабочих колеса одинаковы по конструкции, каждое из которых выполнено в форме диска, по концентрическим окружностям которого установлены сквозные каналы 33, входное отверстие 34 каждого из которых открывается на торцевую сторону диска, связанную с впускной полостью (для рабочего колеса низкого давления впускной полостью является средняя полость), а выпускное отверстие 35 каждого сквозного канала открывается на торцевую сторону диска, связанного с выпускной полостью (для рабочего колеса высокого давления выпускной полостью будет средняя полость). Все сквозные каналы обоих рабочих колес выполнены в форме сопла Лаваля, а диаметр а сквозного канала тем меньше, чем ближе он находится к центру вращения (О сопле Лаваля см. Авиация: Энциклопедия. Гл. ред. Г.П.Свищев. Большая Российская энциклопедия. Центральный Аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского, М., 1994, с.304). Продольная ось каждого сквозного канала у обоих рабочих колес наклонена в сторону, противоположную вращению диска, и установлена под углом к торцевой стороне диска, на которую открываются впускные отверстия сквозных каналов.

Работа газовой турбины.

При подаче горячего газа под давлением через впускной патрубок 11 во впускную полость 10 он попадает во внутренние полости сквозных каналов 33 рабочего колеса высокого давления 8. Достигнув критического сечения, газ дополнительно сжимается и затем со скоростью, равной или больше скорости звука, выходит через выходные отверстия 35 в среднюю полость 14. В этом случае в каждом сквозном канале 33 возникает реактивная сила F, вектор которой направлен в сторону, противоположную движению газа. Она действует под углом к торцевым сторонам рабочего колеса высокого давления и раскладывается на две составляющие: первая - сила Fв, создающая вращающий момент, вторая - сила Fp, равнодействующая первых двух сил. Силы Fв, создающие вращающий момент, каждой пары сквозных каналов 33, расположенных по разные стороны от оси вращения и находящиеся на линии диаметра, образуют пару сил, приводящих рабочее колесо высокого давления 8 во вращение (фиг.15, рабочее колесо условно развернуто на 90 градусов). Газ, прошедший через сквозные каналы 33 рабочего колеса высокого давления 3, потерявший часть своего давления, попадает в среднюю полость 14 и далее поступает во внутренние полости сквозных каналов 53 рабочего колеса низкого давления 9. Пройдя критические сечения сквозных каналов 33, газ с силой вырывается в выпускную полость 12, создавая вращательный момент на рабочем колесе низкого давления 9 так, как было описана выше. Еще больше понизив давление, газ поступает в выпускную полость 12 и через выпускной патрубок 13 покидает газовую турбину, тем самым преобразуя энергию горячего сжатого газа в механическую работу. Так как сквозные каналы 33, близко расположенные к оси вращения рабочих колес высокого 8 и низкого 9 давления, создают меньший вращающий момент, чем сквозные каналы, находящиеся дальше от оси вращения, то первые, во избежания лишнего расхода газа, выполняются с меньшим диаметром. Для получения наибольшей мощности от газовой турбины необходимо, чтобы давление газа во впускной полости 10 обеспечивало движение газового потока через сквозные каналы 33 рабочего колеса высокого давления 8 со скоростью, превышающей скорость звука, а движение газового потока через сквозные каналы 33 рабочего колеса низкого давления было равно скорости звука, и, кроме этого, продольные оси сквозных каналов должны иметь угол наклона как можно меньше 45 градусов и ни в коем случае не превышать его. Положительный эффект: полное использование без потерь давления газа, более быстрое движение газового потока и, следовательно, более высокий КПД, более высокая прочность рабочего колеса, что позволяет газовой турбине вращаться с более высокой скоростью.