РАДИАЛЬНО-ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
RADIALLY-VORTEX TURBOMACHINE

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к радиальным вентиляторам, насосам, компрессорам.
Известна радиально-вихревая турбомашина [1], содержащая рабочее колесо, несущий и покрывной диски, установленные между ними лопатки, каждая из которых имеет на ее выходной части продольные выступы, способствующие повышению аэродинамической нагруженности и кпд турбомашины.
Однако недостаточная эффективность энергетического взаимодействия потока в незамкнутом канале, образованном продольным и дополнительным выступами, основного потока в межлопаточном канале рабочего колеса незначительно увеличивает циркуляционное течение в турбомашине. Это приводит к недостаточному повышению давления, развиваемого турбомашиной, т.е. его аэродинамической нагруженности и кпд.
Наиболее близкими по исполнению к предлагаемому техническому решению является радиально-вихревая турбомашина [2], содержащая спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо с несущим, покрывным дисками и расположенными между ними лопатками, имеющими на рабочей и тыльной поверхностях в области выходной части продольный и дополнительный выступы, образующие в области задней кромки лопатки кольцевую цилиндрическую вихревую камеру, закрепленную на несущем и покрывном дисках, с осью, параллельной задней кромке лопатки, тангенциальным входным каналом со стороны ее рабочей поверхности и перфорированной поверхностью цилиндрической обечайки, установленной с зазором таким образом, что касательная к ней по линии пересечения плоскости, проходящей через ось камеры и заднюю кромку лопатки, параллельна касательно к рабочей и тыльной поверхностям лопатки на ее задней кромке.
Такая конструкция лопатки рабочего колеса способствует поступлению части потока, представляющего собой управляющий поток, из межлопаточного канала рабочего колеса через тангенциальный входной канал в вихревую камеру, формируя в ней устойчивый высокоэнергетический вихревой жгут. Перфорированная поверхность кольцевой камеры обеспечивает эффективную передачу энергии циркуляции вихревого жгута основному потоку в межлопаточном канале рабочего колеса, способствуя увеличению угла его поворота вокруг цилиндрической обечайки камеры, то есть угла выхода потока из рабочего колеса. Это способствует росту давления, развиваемого турбомашиной, то есть его аэродинамической нагруженности и кпд.
Однако энергетическое взаимодействие управляющего и основного потоков происходит только в области выходной части лопатки, что не в полной мере увеличивает циркуляционное течение вокруг лопатки рабочего колеса по ее длине. Это приводит к недостаточному повышению давления, развиваемого радиально-вихревой турбомашиной, т.е. ее аэродинамической нагруженности и кпд.
Цель изобретения заключается в повышении аэродинамической нагруженности и кпд радиально-вихревой турбомашины за счет достижения энергетического взаимодействия управляющего потока, закручиваемого в вихревых камерах, встроенных в лопатку с основным потоком в межлопаточном канале по всей длине лопатки.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемой радиально-вихревой турбомашине (вентилятор, насос, компрессор), содержащей спиральный корпус, установленное в ней рабочее колесо с несущим, покрывным дисками и расположенными между ними лопатками, имеющими на рабочей и тыльной поверхностях в области выходной части продольный и дополнительный выступы, образующие в области задней кромки лопатки кольцевую цилиндрическую вихревую камеру, закрепленную на несущем и покрывном дисках, с осью, параллельной задней кромке лопатки, тангенциальным входным каналом со стороны ее рабочей поверхности и перфорированной поверхностью цилиндрической обечайки, установленной с зазором таким образом, что касательная к ней по линии пересечения плоскости, проходящей через ось камеры и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к рабочей и тыльной поверхностям лопатки на ее задней кромке, дополнительно цилиндрические камеры с тангенциальным входным каналом встроены в лопатку по всей ее длине таким образом, что их оси расположены на средней поверхности лопатки, а перфорации выполнены выходящими на рабочую и тыльную поверхности лопатки.
Часть потока с рабочей поверхности лопаток рабочего колеса через тангенциальные входные каналы поступает в цилиндрические камеры, закручиваясь в них в вихревой жгут со скорость вращения, превышающей скорость вращения рабочего колеса, через перфорации выходит на рабочую и тыльную поверхности лопаток, замедляя скорость основного потока на рабочей поверхности в межлопаточном канале и ускоряя на тыльной поверхности лопатки, создавая дополнительный перепад давления между рабочей и тыльной поверхностями лопатки за счет эффекта Магнуса.
Это способствует значительному росту давления развиваемого радиально-вихревой турбомашиной, то есть аэродинамической нагруженности и его кпд.
На фиг.1 изображена радиально-вихревая турбомашина, поперечный разрез. На фиг.2 изображена радиально-вихревая турбомашина, продольный разрез. На фиг.3 изображена лопатка турбомашины с цилиндрическими вихревыми камерами.
Радиально-вихревая турбомашина содержит спиральный корпус 1, установленное в нем рабочее колесо 2 с несущим 3 и покрывным 4 дисками, между которыми установлены лопатки 5. Параллельно задней кромке 6 лопаток 5 между несущими 3 и покрывным 4 дисками установлена кольцевая цилиндрическая камера 7, имеющая тангенциальный входной канал 8 со стороны рабочей поверхности 9 лопаток 5. Поверхность обечайки 10 кольцевой камеры 7 выполнена с перфорациями 11 и установлена с зазором 12 таким образом, что касательная к ней по линии пересечения 13 плоскости, проходящей через ось 14 камеры 7 и заднюю кромку 6 лопатки 5, параллельна касательной к рабочей 9 и тыльной 15 поверхностям лопатки 5 на ее выходной кромке 6. В лопатку 5 встроены цилиндрические камеры 16, имеющие тангенциальный входной канал 8 со стороны рабочей поверхности 9 лопатки 5, таким образом, что их оси 14 расположены на средней поверхности 17 лопатки 5. В цилиндрических камерах 16 выполнены перфорации 18 на рабочую 9 и тыльную 15 поверхности лопатки 5.
В процессе работы радиально-вихревой турбомашины поток рабочего тела, взаимодействуя с лопатками 5 вращающегося рабочего колеса 2, движется по межлопаточным каналам, образованным несущим 3, покрывным 4 дисками, лопатками 5, цилиндрическими обечайками 10, кольцевыми цилиндрическими камерами 7 и цилиндрическими камерами 15, приобретая энергию. Величина энергетического насыщения рабочего тела определяется величинами центробежных и циркуляционных сил, действующих на него и возникающих в результате движения по указанным выше каналам. При этом силовое взаимодействие потока рабочего тела и рабочего колеса 2, т.е. величина развиваемого радиально-вихревой турбомашиной давления, определяется разностью давлений между рабочей 9 и тыльной 15 поверхностями лопатки 5 его рабочего колеса 2. Кинематически, в соответствии с уравнением Эйлера для турбомашин давление, развиваемое ею, определяется углом поворота потока в направлении вращения рабочего колеса 2 на выходе из межлопаточного канала, который увеличивается по мере роста разности скоростей потока на рабочей 9 и тыльной 15 поверхностях лопатки 5 и устранения отрывного вихреобразования на поверхности обечайки 10 кольцевой камеры 7.
Часть основного потока, представляющего собой управляющий поток, из межлопаточного канала с рабочей поверхности 9 лопаток 5 через тангенциальные входные каналы 8 поступает в цилиндрические камеры 16 и кольцевую камеру 7, закручиваясь в них в вихревой жгут со скоростью вращения, превышающей скорость вращения лопаток 5 рабочего колеса 2. Закрученный управляющий поток по действием центробежных сил выходит из цилиндрических камер 16 и кольцевой камеры 7 через перфорации 18 и 11 на рабочую 9 и тыльную 15 поверхности лопаток 5. Управляющий поток из кольцевой камеры 7 через перфорации 11 огибает за счет действия эффекта Коанда цилиндрическую обечайку 10 кольцевой камеры 7, устраняя отрывное вихреобразование, тем самым увеличивая угол поворота потока на выходе из межлопаточного канала рабочего колеса 2. При этом сход потока с рабочей 9 и тыльной 15 поверхностей лопаток 5 происходит в одном направлении, поскольку указанные поверхности имеют касательную в задней кромке 6 лопатки 5, параллельную касательной к обечайке 10 кольцевой камеры 7 по линии ее пересечения 13 с плоскостью, проходящей через ось кольцевого канала 7 и заднюю кромку 6 лопатки 5.
Закрученный управляющий поток из цилиндрических камер 16, выходя через перфорации 18 замедляет скорость основного потока в межлопаточном канале на рабочей поверхности 8 лопатки 5 рабочего колеса 2, поскольку движется навстречу ему, и ускоряет - на ее тыльной поверхности 15, т.к. движется в одном направлении с основным потоком, но с большей скоростью, создавая дополнительный перепад давления между рабочей 9 и тыльной 15 поверхностями лопатки 5 за счет эффекта Магнуса.
Таким образом, за счет создания в плоскости вращения рабочего колеса 2 дополнительного циркуляционного потока вокруг цилиндрической обечайки 10, суммирования ее с дополнительной циркуляцией вокруг лопаток 5 за счет увеличения разности скоростей потока на рабочей 9 и тыльной 15 поверхностях лопатки 5 от действия закрученного управляющего потока из цилиндрических камер 16, а также дополнительного поджатия потока к цилиндрической обечайке 10 за счет взаимодействия вихревых потоков полости кольцевой камеры 7 и вне цилиндрической обечайки 10 через перфорации в ней, достигается существенное увеличение угла поворота потока при выходе из рабочего колеса 2 в спиральный корпус турбомашины, устранение отрывного вихреобразования и увеличение перепада давления между рабочей 9 и тыльной 15 поверхностями 5, что, в конечном счете, повышает давление, т.е. аэродинамическую нагруженность и кпд турбомашины.
1. Патент 2067694 (Россия). Кл. F04D 29/28. Рабочее колесо центробежного вентилятора / Гончаров Ю.А., Макаров В.Н., Ковалевская В.И, опубл. 10.10.1996.
2. Патент 2430274 (Россия). Кл. F04D 29/28. Радиально-вихревая турбомашина / Косарев Н.П., Макаров Н.В., Макаров В.Н., опубл. 27.09.2011.