РАДИАЛЬНО-ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА
RADIAL-SWIRL TURBO-MACHINE

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к центробежным, насосам, компрессорам.
Известна вихревая турбомашина (вихревой насос), содержащая корпус, установленное в нем рабочее колесо с радиальными лопатками, образующее совместно с корпусом на периферии кольцевой канал, имеющий перегородку, разделяющую всасывающую и нагнетательную полости (АЛЕКСЕЕВ В. В. Стационарные машины. М.: Недра, 1989. с.416). Указанная турбомашина создает повышенное давление рабочего тела (жидкости, газа) по сравнению с колесами классической радиальной турбомашины за счет многократного его попадания в межлопаточные каналы в результате вихревого движения по винтовой траектории. Однако винтовое движение рабочего тела в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения рабочего колеса, препятствует суммированию энергий циркуляции потоков рабочего тела от вихревого движения и течения вокруг лопаток в межлопаточном канале рабочего колеса, что не позволяет существенно увеличить развиваемое турбомашиной давление. Кроме того, движение вихря и лопаток рабочего колеса в несогласованных плоскостях приводит к существенному росту потерь энергии на «удар», т.е. к снижению КПД турбомашины.
Наиболее близкой по исполнению к изобретению являются радиальная турбомашина (радиальный вентилятор), содержащая спиральный корпус, рабочее колесо с несущим и покрывным дисками и с расположенными между ними лопатками, имеющими в области задней кромки продольный и дополнительный выступы (RU 2067694 С1. МПК 6 F04D 29/28, 10.10.1996).
Данная конструктивная схема частично устраняет недостатки ранее описанной конструкции, т.е. повышает аэродинамическую нагруженность и КПД вентилятора. Однако недостаточная эффективность энергетического взаимодействия потока в незамкнутом канале, образованном продольным и дополнительным выступами, и потока в межлопаточном канале рабочего колеса незначительно увеличивает циркуляционное течение в вентиляторе. Это приводит к недостаточному повышению давления, развиваемого вентилятором, т.е. его аэродинамической нагруженности.
Задача изобретения заключается в создании принципиальной (конструктивной) схемы радиально-вихревой турбомашины (вентилятора, насоса, компрессора), обеспечивающей синергетический эффект суммирования энергий циркуляции (вихревого) движения потока в вихревых камерах на выходе с лопаток рабочего колеса и в его межлопаточных каналах, и, как результат, отличающейся повышенной аэродинамической нагруженностью и КПД.
Технический результат достигается тем, что в радиальной турбомашине, содержащей спиральный корпус, рабочее колесо с несущим, покрывным дисками и с расположенными между ними лопатками, имеющими в области задней кромки продольный и дополнительный выступы, согласно изобретению указанные выступы совмещены в области задней кромки лопатки, образуя кольцевую цилиндрическую камеру с тангенциальным входным каналом и перфорированной обечайкой, закрепленную на несущем и покрывном дисках, параллельно задней кромки лопатки таким образом, что касательная к ней по линии пересечения плоскости, проходящей через ось камеры и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к тыльной и рабочей поверхностям лопаток в ее задней кромке.
Совмещение продольного и дополнительного выступов в задней кромке лопатки с образованием кольцевой цилиндрической камеры с осью, параллельной указанной кромке, и тангенциальным входом со стороны ее рабочей поверхности способствует формированию в камере устойчивого высокоэнергетического вихревого жгута вдоль задней кромки лопатки. Перфорированная поверхность кольцевой камеры обеспечивает эффективную передачу энергии циркуляции вихревого жгута потоку в межлопаточном канале рабочего колеса, способствуя существенному увеличению угла его поворота вокруг цилиндрической обечайки камеры, то есть угла выхода потока из рабочего колеса,
Часть потока межлопаточного канала рабочего колеса, проходящую через зазор между обечайкой камеры и рабочей поверхностью лопаток под действием эффекта Коанда, огибает ее, способствуя более интенсивному повороту потока в направлении вращения рабочего колеса без отрывного вихреобразования. Это способствует значительному росту давления, развиваемого вентилятором, то есть аэродинамической нагруженности и его КПД.
к
При d=0 предлагаемая конструктивная схема соответствует классической радиальной турбомашине, а при  соответствует вихревой турбомашине с вихревым циркуляционным течением в кольцевой цилиндрической камере в плоскости вращения рабочего колеса.
рк
л
При  - по принципу действия конструктивная схема соответствует радиально-вихревой турбомашине, где Д, n - диаметр и количество лопаток рабочего колеса соответственно.
На фиг.1 изображен поперечный разрез радиально-вихревой турбомашины.
На фиг.2 - продольный разрез радиально-вихревой турбомашины.
На фиг.3 - лопатка турбомашины с кольцевой цилиндрической вихревой камерой.
Радиально-вихревая турбомашина содержит спиральный корпус 1, установленное в нем рабочее колесо 2 с несущим и покрывным дисками 3, 4, между которыми установлены лопатки 5. Параллельно задней кромке 6 лопаток 5 между несущим и покрывным дисками 3, 4 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 13 пересечения плоскости, проходящей через ось камеры 7 и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к рабочей и тыльной поверхностям 9, 14 лопатки 5 на ее выходной кромке 6.
В процессе работы радиально-вихревой турбомашины поток рабочего тела, взаимодействуя с вращающимся рабочим колесом 2, движется по межлопаточным камерам, образованным несущим и покрывным дисками 3, 4, лопатками 5, цилиндрическими обечайками 10 и кольцевыми камерами 7, приобретая энергию. Величина энергетического насыщенного потока рабочего тела определяется величинами центробежных и циркуляционных сил, действующих на него и возникающих в результате движения по указанным выше каналам. Кинематически величина силового взаимодействия рабочего тела и рабочего колеса 2, характеризующая величину развиваемого давления, определяется углом поворота потока в направлении вращения колеса 4 на выходе из межлопаточных каналов. При движении потока по рабочей поверхности 9 лопаток 5, он, проходя через зазор 12, огибает за счет действия эффекта Коанда цилиндрическую обечайку 10 кольцевой камеры 7, существенно смещая в направлении вращения колеса 2 точку схода потока с аэрогазодинамически вращающейся поверхности, образованной лопаткой 5 и кольцевой камерой 7, тем самым дополнительно поворачивая его в указанном направлении. Это способствует дополнительному росту давления, создаваемого турбомашиной за счет суммирования циркуляционных потоков, возникающих раздельно вокруг лопатки 5 и кольцевой камеры 7, т.е. за счет синергетического эффекта, поскольку указанные циркуляционные (вихревые) течения происходят в одной плоскости - плоскости вращения рабочего колеса 2. При этом сход потока с рабочей и тыльной поверхностей 9, 14 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 13 ее пересечения с плоскостью, происходящей через ось кольцевой камеры 7 и заднюю кромку 6 лопатки 5.
Таким образом, за счет создания в плоскости вращения рабочего колеса 2 дополнительного циркуляционного потока вокруг цилиндрической обечайки 10 и эффекта суммирования ее с циркуляцией вокруг лопаток 5, а также дополнительного поджатая потока к цилиндрической обечайке 10 за счет взаимодействия вихревых потоков полости кольцевой камеры 7 и вне цилиндрической обечайки 10 через перфорации 11 в ней, достигается существенное увеличение угла поворота потока при выходе из рабочего колеса 2 в спиральный корпус 1 турбомашины и устранение отрывного вихреобразования, что, в конечном счете, повышает давление, т.е. аэродинамическую нагруженность и КПД турбомашины. Наибольший прирост аэродинамической нагруженности достигается при .
В этом случае радиально-вихревая турбомашина по принципу действия трансформируется в вихревую турбомашину, т.к. вихревая камера перекрывает полностью межлопаточные каналы колеса, и основную роль в развиваемом турбомашиной давлении будет играть циркуляция потока внутри вихревой камеры.