Патент на изобретение №2187658

(54) ЛОПАТОЧНАЯ РЕШЕТКА ТУРБОМАШИНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области турбостроения. Лопаточная решетка турбомашины содержит межпрофильные каналы и образующие их лопатки. Профильные сечения межпрофильных каналов в меридиональных сечениях имеют изогнутую среднюю линию, направленную своей передней точкой навстречу потоку рабочей среды и плавно от вершины изогнутости нисходящую к хорде, соединяющей оба конца средней линии, при монотонном уменьшении угла склонения между хордой и касательными к средней линии до нулевого значения при движении от передней точки к вершине изогнутости. Средняя линия профильных сечений расположена по одну сторону относительно хорды и сопряжена с последней в задней точке профиля под острым углом склонения, величина которого на участке от задней точки до вершины изогнутости сначала монотонно возрастает, а затем плавно убывает. Профиль лопатки выполнен симметричным относительно средней линии. Поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что оказываются одновременно сниженными в сторону нуля значения, по крайней мере, первых двух частных производных V/y, ²V/y², где V – скорость потока, y – шаговое направление вдоль названного сечения лопаточной решетки. Поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала может быть выровнен по скорости, так что в центральной точке этой области оказываются одновременно равными нулю значения, по крайней мере, первых двух частных производных V/y = 0, ²V/y² = 0. Изобретение позволяет уменьшить шаговую градиентность основного потока за лопаточными венцами, тем самым повысить устойчивость обтекания лопаток и кпд турбомашины. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области турбомашин различного вида и назначения – осевых, диагональных или радиальных центростремительных нагнетателей (компрессоров, вентиляторов, насосов) и турбин.

Известна лопаточная решетка, содержащая межпрофильные каналы и образующие их лопатки, профильные сечения которых имеют S-образную форму (см. SU 448176, F 04 D 29/38, 1974).

Известна также лопаточная решетка турбомашины, содержащая межпрофильные каналы и образующие их лопатки, профильные сечения которых на меридиональных поверхностях имеют изогнутую среднюю линию, направленную своей передней точкой навстречу потоку рабочей среды и плавно от вершины изогнутости нисходящую к хорде, соединяющей оба конца средней линии, при монотонном уменьшении угла склонения между хордой и касательными к средней линии до нулевого значения при движении от передней точки к вершине изогнутости (см. SU 1321838 А1, F 01 D 5/12, 1987).

Однако теория и экспериментальные исследования показывают, что поток непосредственно за лопатками, созданными по общепринятым правилам формообразования их профильных сечений, характеризуется явно выраженной шаговой градиентностью скорости и статического давления в области основного течения, что порождает дополнительные потери энергии, снижает устойчивость обтекания лопаток. Таким образом, целесообразно снижать выходную градиентность потока за лопатками.

Задачей настоящего изобретения является снижение выходной градиентности потока за лопатками.

Поставленная задача решается тем, что в лопаточной решетке турбомашины, содержащей межпрофильные каналы и образующие их лопатки, профильные сечения которых в меридиональных сечениях имеют изогнутую среднюю линию, направленную своей передней точкой навстречу потоку рабочей среды и плавно от вершины изогнутости нисходящую к хорде, соединяющей оба конца средней линии, при монотонном уменьшении угла склонения между хордой и касательными к средней линии до нулевого значения при движении от передней точки к вершине изогнутости, согласно изобретению средняя линия профильных сечений расположена по одну сторону относительно хорды и сопряжена с последней в задней точке профиля под острым углом склонения, величина которого на участке от задней точки до вершины изогнутости сначала монотонно возрастает, а затем плавно убывает, а профиль лопатки выполнен симметричным относительно средней линии, при этом поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что оказываются одновременно сниженными в сторону нуля значения, по крайней мере, первых двух частных производных V/y, ²V/y², где V – скорость потока, y – шаговое направление вдоль названного сечения лопаточной решетки.

Поставленная задача решается за счет того, что поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что в центральной точке этой области оказываются равными нулю значения одновременно, по крайней мере, первых двух частных производных: V/y = 0, ²V/y² = 0.
Поставленная задача решается также тем, что профиль лопатки выполнен тонколистовым.

Поставленная задача решается также тем, что вершина изогнутости выполнена в форме площадки, параллельной хорде.

Поставленная задача решается также тем, что профильные сечения лопатки расположены на участках у корня и периферии пера лопатки.

Поставленная задача решается также тем, что профильные сечения лопатки расположены в средней части по высоте пера лопатки.

Поставленная задача решается также тем, что профильные сечения лопатки расположены по всей высоте пера лопатки.

На фиг.1 изображена лопатка турбомашины.

На фиг.2 представлена лопаточная решетка турбомашины.

На фиг.3 показано типичное распределение скорости в ядре потока в сечении на выходе из межпрофильного канала для случаев известных решеток турбомашин.

На фиг.4 показано распределение скорости в ядре потока в сечении на выходе из межпрофильного канала в предлагаемой лопаточной решетке турбомашины.

На фиг.5 показаны экспериментальные графики изменений коэффициента статического давления в рабочей среде в сечении по шагу непосредственно за выходными кромками лопаток на средней по высоте лопатки меридиональной поверхности, где:
– кривая 1 относится к компрессорной лопатке обычной конструкции с C-образными профилями; она показывает, что шаговая градиентность истекающего потока в данном лопаточном аппарате весьма существенная;
– кривая 2 относится к лопатке специального профилирования с видоизмененной средней линией профиля согласно предлагаемому изобретению; она показывает, что шаговая градиентность истекающего потока снижена до своего предельного уровня – нулевого.

Лопаточная решетка турбомашины содержит межпрофильные каналы 1 и образующие их лопатки 2. Профильные сечения лопаток 2 на меридиональных поверхностях имеют изогнутую среднюю линию 3, направленную своей передней точкой навстречу потоку рабочей среды и плавно от вершины 4 изогнутости нисходящую к хорде 5. Хорда 5 соединяет оба конца средней линии 3 при монотонном уменьшении угла склонения между хордой 5 и касательными к средней линии 3 до нулевого значения при движении от передней точки к вершине изогнутости 4. Средняя линия 3 профильных сечений расположена по одну сторону относительно хорды 5 и сопряжена с последней в задней точке профиля под острым углом склонения, величина которого на участке от задней точки до вершины изогнутости сначала монотонно возрастает, а затем плавно убывает. При этом профиль лопатки выполнен симметричным относительно средней линии 3. При этом поток рабочей среды в средней области 6 выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что оказываются одновременно сниженными в сторону нуля значения, по крайней мере, первых двух частных производных: V/y, ²V/y², где V – скорость потока, y – шаговое направление вдоль названного сечения лопаточной решетки. Поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала может быть выровнен по скорости, так что в центральной точке этой области 6 оказываются равными нулю значения одновременно, по крайней мере, первых двух частных производных: V/y = 0, ²V/y² = 0. Профиль лопатки может быть выполнен тонколистовым. Вершина изогнутости 4 может быть выполнена в форме площадки, параллельной хорде 5. Профильные сечения могут располагаться на участках у корня 7 и периферии 8 пера лопатки. Профильные сечения лопатки могут быть расположены в средней части 2 по высоте лопатки. Профильные сечения лопатки также могут быть расположены по всей высоте пера лопатки 2.

В рабочем процессе поток, натекающий на лопатки венца с вектором скорости V₁, претерпевает поворот в межпрофильных каналах 1 лопаточного венца и вытекает с вектором скорости V₂ при сниженном вплоть до предельного – нулевого – значения шаговой градиентности его ядра на выходном срезе межпрофильного канала.

Формула изобретения

1. Лопаточная решетка турбомашины, содержащая межпрофильные каналы и образующие их лопатки, профильные сечения которых на меридиональных поверхностях имеют изогнутую среднюю линию, направленную своей передней точкой навстречу потоку рабочей среды и плавно от вершины изогнутости нисходящую к хорде, соединяющей оба конца средней линии, при монотонном уменьшении угла склонения между хордой и касательными к средней линии до нулевого значения при движении от передней точки к вершине изогнутости, отличающаяся тем, что средняя линия профильных сечений расположена по одну сторону относительно хорды и сопряжена с последней в задней точке профиля под острым углом склонения, величина которого на участке от задней точки до вершины изогнутости сначала монотонно возрастает, а затем плавно убывает, а профиль лопатки выполнен симметричным относительно средней линии.

2. Лопаточная решетка по п.1, отличающаяся тем, что поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что в центральной точке этой области оказываются одновременно сниженными в сторону нуля значения, по крайней мере, первых двух частных производных V/y, ²V/y², где V – скорость потока, y – шаговое направление вдоль названного выходного сечения лопаточной решетки.

3. Лопаточная решетка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что поток рабочей среды в средней области выходного сечения межпрофильного канала выровнен по скорости, так что в центральной точке этой области оказываются равными нулю одновременно значения, по крайней мере, первых двух частных производных V/y = 0, ²V/y² = 0.
4. Лопаточная решетка по пп.1-3, отличающаяся тем, что профиль лопатки выполнен тонколистовым.

5. Лопаточная решетка по пп.1-4, отличающаяся тем, что вершина изогнутости выполнена в форме площадки, параллельной хорде.

6. Лопаточная решетка по пп.1-5, отличающаяся тем, что профильные сечения лопатки расположены на участках у корня и периферии лопатки.

7. Лопаточная решетка по пп.1-5, отличающаяся тем, что профильные сечения лопатки расположены в средней части по высоте лопатки.

8. Лопаточная решетка по пп.1-5, отличающаяся тем, что профильные сечения лопатки расположены по всей высоте лопатки.

РИСУНКИ