СТРУЙНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области насосной и компрессорной техники и предназначена для перекачки жидкостей, газов и их смесей, а также может быть использована при создании тепловых машин.
Известна струйная установка, содержащая корпус, оснащенный выходным каналом, входным каналом рабочей среды и входным каналом перекачиваемой среды, выполненную в корпусе камеру смешения и размещенное в ней лопастное колесо с валом, подвижный сопловой аппарат, выполненный в лопатках лопастного колеса (US 3496725, 1967 г.).
В известном техническом решении используется один из вариантов турбины Сегнера, для которой характерен недостаток, заключающийся в относительно малой эффективности рабочего процесса. Кроме того, проточные каналы и полые лопатки турбины подвержены воздействию высоких температур, что накладывает ограничения на температуру рабочей среды.
Из известных решений наиболее близким известным решением по технической сущности и достигаемому результату является струйная установка, содержащая корпус, оснащенный выходным каналом с диффузором, входным каналом рабочей среды, входным каналом перекачиваемой среды, выполненную в корпусе камеру смешения и размещенное в ней лопастное колесо с валом, сопловой аппарат, гидравлически связывающий входной канал рабочей среды с камерой смешения, при этом каналы сопла и диффузора выполнены по касательной к образующей цилиндрической поверхности камеры смешения (RU 10803, 1998 г.).
Недостатком известного технического решения является относительно низкая эффективность рабочего процесса из-за рассеивания энергии при взаимодействии струи с лопатками лопастного колеса, что обусловлено спецификой геометрических форм сопла и камеры смешения, когда каналы сопла и диффузора выполнены по касательной к образующей цилиндрической поверхности камеры смешения.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение эффективности турбомашины.
Указанная проблема решается тем, что струйная установка, содержащая корпус с входными каналами рабочей и перекачиваемой среды и выходным каналом, выполненную в корпусе камеру смешения с размещенным в ней лопастным колесом с валом и сопловой аппарат, гидравлически связывающий входной канал рабочей среды с камерой смешения согласно полезной модели, снабжена проточной смесительной теплообменной трубой, в лопастном колесе концентрично с валом выполнен кольцевой канал, гидравлически связывающий сопловой аппарат с камерой смешения, и лопастное колесо оснащено системой турбинных лопаток с проточными каналами, гидравлически связывающими кольцевой канал с выходным каналом, сопловой аппарат подсоединен к проточной смесительной теплообменной трубе с возможностью смешивания горячей рабочей среды с холодной перекачиваемой средой, при этом вход и выход проточной смесительной теплообменной трубы сообщаются с кольцевым каналом и камерой смешения.
В частном случае выполнения струйная установка может быть снабжена дополнительным входным каналом перекачиваемой среды с сопловым аппаратом, подсоединенным к проточной смесительной теплообменной трубе.
Достигаемый технический результат заключается в реализации процесса предварительного теплообмена между рабочей средой и перекачиваемой средой до контакта с турбинными лопатками и, соответственно, в обеспечении оптимальных условий охлаждения турбинных лопаток с одновременной возможностью увеличения температуры рабочей среды, следствием чего является повышение эффективности преобразования энергии в проточной части струйной установки.
На фигуре 1 представлена схема струйной установки, на фигуре 2 схема лопастного колеса, на фигуре 3 схематично показана развертка лопаточной решетки лопастного колеса, на фигуре 4 схематично показано рабочее колесо с сопловым аппаратом в сборке.
Струйная установка содержит корпус 1, оснащенный выходным каналом 2, входным каналом рабочей среды 3 и входным каналом перекачиваемой среды 4. В корпусе 1 выполнена камера смешения 5, в которой размещено лопастное колесо 6, установленное на валу 7. Сопловой аппарат 8 гидравлически связывает входной канал рабочей среды 3 с камерой смешения 5. В лопастном колесе 6 концентрично с валом 7 выполнен кольцевой канал 9, гидравлически связывающий сопловой аппарат 8 с камерой смешения 5. В представленном примере лопастное колесо б оснащено системой турбинных лопаток 10 с проточными каналами 11, гидравлически связывающими кольцевой канал 9 с выходным каналом 2. Выходной канал 2 может быть выполнен в виде диффузора или в виде конфузора, в зависимости от решаемой технической задачи. Проточные каналы в лопастном колесе бив системе турбинных лопаток 10 могут иметь сетчатую структуру. В общепринятом понимании, сетка - это представление более крупной геометрической области меньшими дискретными ячейками. В турбомашине лопатки больших размеров заменяются на набор более мелких лопаток, которые связаны между собой с образованием проточных каналов в виде сетчатой структуры. Сетчатая структура обеспечивает более высокую жесткость и прочность конструкции при ее малой массе.
Сопловой аппарат 8 подсоединен к проточной смесительной теплообменной трубе 12 с возможностью предварительного смешивания горячей рабочей среды с холодной перекачиваемой средой, при этом вход 13 и выход 14 проточной смесительной теплообменной трубы 12 сообщаются с кольцевым каналом 9 и камерой смешения 5.
Режим течения рабочей среды через сопловой аппарат 8и через проточную смесительную теплообменную трубу 12 может быть стационарным или импульсным в зависимости от решаемой технической задачи. Сопловой аппарат 8 может иметь несколько выходных отверстий, направленных на турбинные лопатки 10 в зависимости от решаемой технической задачи. Возможны варианты с использованием двух (или более) проточных смесительных теплообменных труб 12.
К примеру, в проточной смесительной теплообменной трубе 12 можно также выполнить дополнительный сопловой аппарат 15 с входным каналом 16 для активизации теплообменных процессов.
Для подвода дополнительной мощности вал 7 может быть соединен с дополнительным двигателем (с двигателем внутреннего сгорания или с электрическим двигателем), в зависимости от решаемой технической задачи. Дополнительный двигатель на фигурах не показан.
Для отвода избыточной мощности вал 7 может быть соединен с дополнительной машиной (с электрическим генератором, с дополнительным компрессором или насосом), в зависимости от решаемой технической задачи. Дополнительная машина на фигурах не показана.
Струйная установка работает следующим образом.
Через входной канал 3 рабочая среда (жидкость, газ или газожидкостная смесь, с высокой температурой) под давлением подается в сопловой аппарат 8. Поток горячей рабочей среды проходит через сопловой аппарат 8, поступает к выходу 14, и далее оказывает силовое воздействие на турбинные лопатки 10, заставляя вращаться лопастное колесо 6. Лопастное колесо 6 оказывает силовое воздействие на перекачиваемую среду. При вращении лопастное колесо 6 создает поток перекачиваемой среды (жидкость, газ или газожидкостная смесь), при этом температура перекачиваемой среды может быть значительно ниже температуры рабочей среды. Перекачиваемая среда поступает через входной канал 4, далее проходит через каналы лопастного колеса 6, проточные каналы 11 и отводится через выходной канал 2. Рабочая среда, пройдя через проточные каналы 11, смешивается с перекачиваемой средой и отводится через выходной канал 2.
Таким образом, передача энергии от рабочей среды к перекачиваемой среде осуществляется посредством вращающегося лопастного колеса 6, оснащенного системой турбинных лопаток 10. При вращении лопастного колеса 6 и турбинных лопаток 10 через проточные каналы 11 периодически проходит либо поток рабочей среды, либо поток перекачиваемой среды. Горячий поток, проходящий через выход 14, нагревает турбинные лопатки 10, а более холодный поток перекачиваемой среды отводит тепло и охлаждает турбинные лопатки 10. Снижение тепловой нагрузки на турбинные лопатки 10 обеспечивается также за счет того, что сопловой аппарат 8 подсоединен к проточной смесительной теплообменной трубе 12 с возможностью предварительного смешивания горячей рабочей среды с холодной перекачиваемой средой. При этом вход 13 и выход 14 проточной теплообменной трубы 12 сообщаются с кольцевым каналом 9 и камерой смешения 5.
Режим течения рабочей среды через сопловой аппарат 8, и через проточную смесительную теплообменную трубу 12, может быть стационарным, к примеру, при реализации известного изобарного процесса горения топлива в потоке воздуха. Для рассматриваемой струйной установки, в этом случае, через сопловой аппарат 8 подают горячий газ, а перекачиваемой средой является атмосферный воздух. Холодный воздух поступает на вход 13 проточной смесительной теплообменной трубы 12. На выходе 14 проточной смесительной теплообменной трубы 12 кинетическая энергия подогретого воздуха возрастает из-за подвода тепловой энергии в проточной смесительной теплообменной трубе 12.
Режим течения рабочей среды через сопловой аппарат 8, и через проточную смесительную теплообменную трубу 12, может быть импульсным, к примеру, при реализации известного изохорного процесса горения топлива в потоке воздуха. Для рассматриваемой струйной установки, в этом случае, через входной канал 16 и дополнительный сопловой аппарат 15 подают топливо (к примеру, топливный газ), а перекачиваемой средой является атмосферный воздух. В сопловой аппарат 8 подают горячий газ от газового генератора. Холодный воздух импульсами поступает на вход 13 проточной смесительной теплообменной трубы 12. Смесь воздуха и топлива из соплового аппарата 15 периодически воспламеняется от горячего газа на выходе соплового аппарата 8. На выходе 14 проточной смесительной теплообменной трубы 12 кинетическая энергия импульсного потока возрастает из-за подвода тепловой энергии при изохорном горении топлива в проточной смесительной теплообменной трубе 12.
В заявляемом техническом решении обеспечивается повышение эффективности рабочего процесса турбомашины. Турбинные лопатки 10 профилируются под параметры потока рабочей среды, а лопастное колесо 6 профилируется под параметры потока перекачиваемой среды. При этом за счет кольцевого канала 9 скоростной поток рабочей среды направлен только на турбинные лопатки 10 и не направлен на лопатки лопастного колеса 6, что способствует повышению эффективности преобразования энергии в проточной части турбомашины. Кроме того, за счет более благоприятных условий охлаждения турбинных лопаток 10 появляется возможность для повышения температуры рабочей среды (газа), что, как известно, способствует росту эффективности рабочего процесса в турбомашине. К примеру, для тепловой машины, когда перекачиваемой средой является холодный воздух, а рабочей средой является горячий газ из газового генератора. При этом открываются новые возможности для использования изохорного процесса в тепловых машинах. Как известно, изохорный процесс более эффективен по сравнению с изобарным процессом в тепловой машине.
Таким образом, предлагаемая струйная установка обеспечивает улучшение условий охлаждения турбинных лопаток с возможностью повышения температуры рабочего газа, и, соответственно, повышение эффективности преобразования энергии в проточной части турбомашины.