СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ЭКОНОМИЧНОСТИ ЛОПАСТНЫХ ТУРБОМАШИН РАДИАЛЬНОГО ТИПА
METHOD FOR INCREASING PRESSURE AND ECONOMY OF BLADED RADIAL TURBOMACHINES

Изобретение относится к способам увеличения внутренней энергии жидкой или газообразной среды, повышения эффективности преобразования механической энергии вращения рабочего колеса лопастных турбомашин радиального типа во внутреннюю энергию перемещаемой ими жидкой или газообразной среды и может использоваться в лопастных турбомашинах радиального типа, способствуя существенному увеличению давления, развиваемого турбомашиной, повышению экономичности (кпд), уменьшению ее габаритов и металлоемкости.
В лопастных турбомашинах радиального типа преобразование механической энергии вращающегося рабочего колеса во внутреннюю энергию перемещаемой среды происходит, главным образом, за счет воздействия на нее циркуляционных сил, возникающих от ее взаимодействия с вращающимся рабочим колесом и обусловленных формированием циркуляционного течения жидкой или газообразной среды в межлопаточных каналах рабочего колеса, образованных его объемными лопатками, и, как результат, возникновением перепада давления между их рабочей и тыльной поверхностями, роста на рабочей поверхности лопаток давления перемещаемой среды, то есть ее внутренней энергии.
Для существенного повышения давления, развиваемого лопастной турбомашиной радиального типа, и ее экономичности путем роста эффективности процесса преобразования механической энергии вращения рабочего колеса турбомашины во внутреннюю энергию перемещаемой ею среды необходимо увеличить циркуляционные силы, действующие на жидкую или газообразную среду, то есть усилить интенсивность циркуляционного течения перемещаемой среды в межлопаточных каналах рабочего колеса, образованных его объемными лопатками.
Известен способ повышения давления и экономичности, реализуемый в турбомашине, содержащей рабочее колесо, несущий и покрывной диски, установленные между ними лопатки, каждая из которых имеет на ее выходной части накрылок, имеющий вогнутую рабочую, выпуклую (нерабочую) торцевые поверхности, расположенную внутри вихревую камеру с конфузорными выходными каналами на выпуклую (нерабочую) торцевую поверхность накрылка и тангенциальным выходным каналом с рабочей поверхности лопатки (RU 2390658 C2, 27.05.2010).
Данный способ позволяет создать в вихревой камере дополнительное циркуляционное движение в плоскости вращения рабочего колеса, тем самым увеличивая интенсивность основного циркуляционного течения в межлопаточных каналах потока перемещаемой среды вокруг лопаток рабочего колеса, что повышает величину циркуляционных сил, поскольку основное и дополнительное циркуляционные течения располагаются в одной плоскости и, суммируясь, увеличивают создаваемое давление, то есть внутреннюю энергию перемещаемой жидкой или газообразной среды, а также и экономичность турбомашины.
Однако направление части перемещаемой жидкой или газообразной среды в вихревую камеру непосредственно на выходном участке лопатки рабочего колеса существенно снижает уровень энергии вихревого течения в ней, а взаимодействие вихревого течения с перемещаемой средой в межлопаточных каналах рабочего колеса только на выпуклой (нерабочей) торцевой поверхности снижает эффективность энергетического взаимодействия циркуляционного течения части перемещаемой среды, закрученной в вихревой камере с циркуляционным потоком в межлопаточном канале рабочего колеса, не обеспечивает значительного увеличения циркуляционных сил и, как результат, достижения с минимальными потерями существенного увеличения внутренней энергии перемещаемой среды, то есть незначительно увеличивает давление, развиваемое лопастной турбомашиной, и ее экономичность.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения давления и экономичности лопастных турбомашин радиального типа путем увеличения энергии, передаваемой ими жидкой или газообразной среде, и роста эффективности ее передачи является способ повышения давления и экономичности, реализуемый в турбомашине радиального типа, содержащей всасывающий и нагнетательный патрубки, рабочее колесо, несущий и покрывной диски, между которыми установлены объемные лопатки, имеющие внутреннюю полость, которая коллектором на входном участке лопатки и соединительным каналом аэродинамически связана в тангенциальном направлении с цилиндрической вихревой камерой, имеющей перфорации и расположенной на выходе лопатки (RU 2482337 C1, 20.05.2013).
Этот способ обеспечивает прирост энергии вращения циркуляционного потока части перемещаемой среды во внутренней полости объемной лопатки на ее выходе, то есть в цилиндрической вихревой камере, расположенной на выходном участке объемной лопатки, за счет механической энергии вращения рабочего колеса и передачи этой энергии с минимальными потерями потоку перемещаемой среды в межлопаточных каналах рабочего колеса по всей наружной поверхности полости объемной лопатки на ее выходе, то есть на рабочей и тыльной поверхностях объемной лопатки на ее выходном участке. Он позволяет сделать вихреисточник, формируемый в цилиндрической вихревой камере объемной лопатки на ее выходе, источником увеличения энергии циркуляции, то есть внутренней энергии перемещаемой среды, по всей ширине межлопаточного канала на выходном участке объемной лопатки и снижения градиентов давления на наружной поверхности цилиндрической вихревой камеры объемной лопатки на ее выходе.
Однако взаимодействие циркуляционного потока, вытекающего из вихревой камеры, с перемещаемой средой в межлопаточном канале только на выходном его участке не в полной мере увеличивает ее внутреннюю энергию, тем самым недостаточно увеличивая давление, развиваемое лопастной турбомашиной. Кроме того, направление части перемещаемой жидкой или газообразной среды в цилиндрическую вихревую камеру непосредственно с входного участка лопатки рабочего колеса существенно снижает уровень энергии вихревого течения в ней и, как результат, не позволяет с минимальными потерями существенно увеличить внутреннюю энергию перемещаемой среды, то есть недостаточно увеличивает давление, развиваемое лопастной турбомашиной, и ее экономичность.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимальной энергии вращения циркуляционного потока части перемещаемой среды в цилиндрических вихревых камерах, вписанных во внутреннюю полость объемной лопатки по всей длине, за счет механической энергии вращения рабочего колеса и эффективного преобразования этой энергии с минимальными потерями во внутреннюю энергию перемещаемой среды по всему пространству межлопаточного канала, то есть по всей его ширине и длине.
Задачей изобретения является увеличение давления, развиваемого турбомашиной, и ее экономичности. Это достигается тем, что предлагаемый способ позволяет сделать вихреисточники, формируемые в цилиндрических вихревых камерах объемной лопатки по всей ее длине, основным источником энергии существенного увеличения циркуляции потока жидкой или газообразной среды, перемещаемой по межлопаточным каналам рабочего колеса, то есть существенно увеличить внутреннюю энергию перемещаемой среды, увеличить перепад давления между рабочей и тыльной поверхностями объемной лопатки по всей ее длине.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- повышение внутренней энергии перемещаемой жидкой или газообразной среды и, как результат, увеличение давления, развиваемого турбомашиной радиального типа;
- снижение потерь энергии за счет устранения отрывного вихреобразования и, как результат, повышение экономичности (кпд) турбомашины радиального типа;
- снижение металлоемкости и габаритов турбомашины радиального типа;
- увеличение степени сжатия на одной ступени применительно к многоступенчатой турбомашине радиального типа;
- снижение уровня шума в области рабочих режимов турбомашины за счет устранения вихреобразования на выходе из рабочего колеса и входе в нагнетательный патрубок.
Задача изобретения решается и технический результат достигается за счет того, что в способе повышения энергии, сообщаемой жидкой или газообразной среде лопастными турбомашинами радиального типа, включающем в себя подачу жидкой или газообразной среды через всасывающий патрубок турбомашины в межлопаточные каналы рабочего колеса, образованные его объемными лопатками, преобразование механической энергии вращения рабочего колеса во внутреннюю энергию жидкой или газообразной среды за счет формирования ее циркуляционного течения вокруг объемных лопаток в межлопаточных каналах рабочего колеса, создающего прирост давления на рабочей поверхности лопаток по отношению к тыльной их поверхности и выход жидкой или газообразной среды с увеличенной внутренней энергией из межлопаточных каналов через нагнетательный патрубок турбомашины, согласно изобретению часть перемещаемой жидкой или газообразной среды, подаваемой через всасывающий патрубок в межлопаточные каналы, направляют из них по входным каналам с рабочей поверхности лопаток в цилиндрические вихревые камеры, расположенные по всей длине объемной лопатки, закручивают ее в вихревое интенсивное вращательное движение, далее перемещают по выходным каналам на рабочую и тыльную поверхности объемных лопаток, смешивают с жидкой или газообразной средой, перемещаемой по межлопаточным каналам по всему пространству, и направляют смешенный поток из межлопаточных каналов на вход в нагнетательный патрубок.
Кроме того, при осуществлении способа цилиндрические вихревые камеры могут быть максимально вписаны во внутреннюю полость объемных лопаток до рабочей и тыльной поверхностей, центры цилиндрических вихревых камер расположены на расстоянии, равном сумме диаметров смежных камер, а количество жидкой или газообразной среды, направленной на формирование в цилиндрических вихревых камерах, расположенных по всей длине объемных лопаток, интенсивного вихревого движения, составляет не менее 28% и не более 55% от общего количества перемещаемой жидкой или газообразной среды через входной патрубок турбомашины.
Это создает дополнительное интенсивное циркуляционное течение в межлопаточных каналах рабочего колеса и, как результат, вокруг его объемных лопаток, являющееся основном источником роста внутренней энергии перемещаемой среды.
На фиг.1 изображен центробежный вентилятор - продольный разрез;
на фиг.2 - рабочее колесо, поперечный разрез;
на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1 (объемная лопатка рабочего колеса).
Центробежный вентилятор 1 содержит всасывающий и нагнетательный патрубки 2, 3, рабочее колесо 4, несущий и покрывной диски 5, 6, между которыми установлены объемные лопатки 7, имеющие рабочую, тыльную поверхности 8, 9 и образующие межлопаточные каналы 10.
Во внутреннюю полость объемной лопатки 7 по всей ее длине вписаны цилиндрические вихревые камеры 11. Входные каналы 12 обеспечивают аэродинамическую связь в тангенциальном направлении межлопаточного канала 10 с цилиндрическими вихревыми камерами 11 со стороны рабочей поверхности 8 объемной лопатки 7. Выходные каналы 13, 14 обеспечивают аэродинамическую связь в тангенциальном направлении цилиндрических вихревых камер 11 с межлопаточными каналами 10 с рабочей 8 и тыльной 9 поверхностями объемных лопаток 7 соответственно. Входной канал 12 и выходной канал 13 на рабочей поверхности 8 объемной лопатки 7 аэродинамически связаны между собой с помощью обечайки 15, установленной с зазором A по отношению к рабочей поверхности 8 объемной лопатки 7.
p
ω
При вращении рабочего колеса 4 центробежного вентилятора 1 поток перемещаемой среды поступает через всасывающий патрубок 2 в межлопаточные каналы 10, образованные рабочими 8 и тыльными 9 поверхностями объемных лопаток 7, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения рабочего колеса 4. Часть потока перемещаемой среды за счет избыточного давления на рабочей поверхности 8 объемных лопаток 7 из межлопаточных каналов 10 поступает через входные каналы 12 (V) в цилиндрические вихревые камеры 11, расположенные во внутренней полости объемных лопаток 7 по всей их длине, закручиваясь в них со скоростью, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса 4 (V).
ω
p
ω
p
ц
т
ц
т
За счет избыточной скорости вращения в вихревых камерах 11 часть закрученного в них потока по выходным каналам 13 (V) поступает на рабочую поверхность 8 объемных лопаток 7 в направлении, противоположном перемещаемой в межлопаточных каналах 10 среды (V), и через зазор Δ между обечайкой 15 и рабочей поверхностью 8 по входному каналу 12 возвращается в цилиндрические вихревые камеры 11, способствуя увеличению давления на рабочей поверхности 8 объемных лопаток 7 за счет эффекта Магнуса (V)>(V). За счет центробежной силы вращения другая часть закрученного потока из цилиндрических вихревых камер 11 по выходным каналам 14 (V) поступает в направлении движения перемещаемой в межлопаточных каналах 10 среды на тыльную 9 поверхность объемных лопаток 7 (V), способствуя при смешивании с перемещаемой по межлопаточным каналам 10 жидкой или газообразной средой за счет эффекта Магнуса и эжекции (V)>(V) снижению давления на тыльной поверхности 9 лопатки 7.
Это обусловлено тем, что высокоэнергетический поток цилиндрических вихревых камер 11, закрученный в направлении вращения рабочего колеса 4, ускоряет перемещаемую в межлопаточном канале 10 среду в направлении ее движения на тыльной 9 поверхности лопатки 7, одновременно подкручивает перемещаемую среду на рабочей поверхности 8 объемной лопатки 7 в направлении вращения рабочего колеса 4, то есть в направлении, противоположном движению перемещаемой среды, замедляя ее скорость на рабочей поверхности 8, тем самым за счет эффекта Магнуса и эжекции увеличивая перепад давления между рабочей 8 и тыльной 9 поверхностями объемной лопатки 7 по всей ее длине.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в предложенной конкретной конструкции лопастной радиальной турбомашины, позволяет за счет использования эффекта Магнуса и эжекции по всему пространству межлопаточных каналов 10, образованных объемными лопатками 7, существенно увеличить перепад давления между рабочей и тыльной 8, 9 поверхностями объемных лопаток 7, тем самым увеличить аэродинамическую нагруженность радиальной турбомашины 1, то есть развиваемое ею давление, а также снизить вихреобразование на тыльной 9 поверхности объемных лопаток 7 за счет эффекта Коанда, то есть существенно увеличить ее экономичность.
Вышеуказанное обеспечено тем, что в предложенной конструкции радиальной турбомашины цилиндрические вихревые камеры 11, вписанные во внутреннюю полость объемной лопатки 7 по всей ее длине, через тангенциально связанные с ними входные каналы 12 соединены с межлопаточным каналом 10 со стороны рабочей 8 поверхности объемной лопатки 7, а через выходные каналы 13, 14 тангенциально связаны с межлопаточными каналами 10 со стороны рабочей и тыльной 8, 9 поверхностей объемной лопатки 7 соответственно.
Это позволяет создать внутри объемной лопатки 7 по всей ее длине вперед загнутые лопатки с вихреисточниками, способствующие созданию избыточного давления на них, что обеспечивает интенсивную закрутку потока в цилиндрических вихревых камерах 11, соответственно формирование устойчивого вихря с большой циркуляцией, являющегося основным источником энергии, обеспечивающим существенное увеличение перепада давления между рабочей и тыльной 8, 9 поверхностями объемных лопаток 7 по всей их длине.
По результатам испытаний вентилятора радиального типа вышеуказанной конструкции с цилиндрическими вихревыми камерами в сравнении с прототипом (RU 2482337 C1) получено увеличение коэффициента давления на 15%, то есть до значения ψ=1,69.
Данные результаты достигнуты для цилиндрических вихревых камер, максимально вписанных во внутреннюю полость объемных лопаток до рабочей и тыльной поверхностей и расположенных друг от друга на расстоянии, равном сумме диаметров смежных камер.
Уменьшение диаметра цилиндрических вихревых камер приводит к снижению давления, а уменьшение расстояния между цилиндрическими вихревыми камерами, способствуя незначительному увеличению развиваемого турбомашиной давления, приводит к существенному снижению ее кпд.
Таким образом, применение данного способа повышения давления и экономичности лопастных турбомашин на базе предложенных, в частности, технических решений, учитывающих специфику конструкции и условий эксплуатации радиальных турбомашин, позволяет поднять на качественно новый уровень развиваемое ими давление и экономичность, снижая их габариты и металлоемкость, способствуя повышению конкурентоспособности.
Данный способ повышения давления и экономичности лопастных турбомашин радиального типа может быть эффективно реализован в конструкциях насосов, компрессоров, воздуходувок и турбин.