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

Изобретение относится к способам передачи потенциальной и кинетической энергии жидкой или газообразной среде, повышения эффективности преобразования механической энергии вращения рабочего колеса лопастных турбомашин в потенциальную и кинетическую энергию перемещаемой ими жидкой или газообразной среды и может использоваться в лопастных турбомашинах радиального, осевого и диагонального типов, способствуя существенному увеличению давления, развиваемого турбомашиной, повышению экономичности (КПД), уменьшению ее габаритов и металлоемкости.
В лопастных турбомашинах преобразование механической энергии вращающегося рабочего колеса в потенциальную и кинетическую 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 вокруг лопаток рабочего колеса и, как результат, возникновением перепада давления между их рабочей и тыльной поверхностями, роста на рабочей поверхности лопаток статического и динамического давления перемещаемой среды, то есть ее потенциальной и кинетической энергии.
Для существенного повышения давления, развиваемого лопастной турбомашиной, и ее экономичности путем роста эффективности процесса передачи энергии от вращающегося рабочего колеса турбомашины перемещаемой ею среде необходимо увеличить циркуляционные силы, действующие на жидкую или газообразную среду, то есть усилить интенсивность циркуляционного течения перемещаемой среды вокруг лопаток рабочего колеса.
Известен способ повышения давления и экономичности, реализуемый в турбомашине, содержащей всасывающий и нагнетательный патрубки, 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. Москва, Недра, 1989, с.416).
Указанный способ усиливает процесс передачи энергии от вращающегося рабочего колеса к перемещаемой жидкой или газообразной среде, тем самым способствуя повышению развиваемого турбомашиной давления по сравнению с колесами классической радиальной турбомашины за счет многократного попадания перемещаемой среды в межлопаточные каналы в результате формирования вихревого движения по винтовой траектории, т.е. возникновения поля циркуляционных сил. Однако дополнительное вихревое движение перемещаемой среды, вызванное вращением рабочего колеса при этом способе повышения давления, реализуемого в условиях данного конструктивного исполнения корпуса турбомашины по отношению к лопаткам ее рабочего колеса, равно как и вектор циркуляционных сил формируются в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения рабочего колеса, что препятствует полному суммированию энергий циркуляции потоков перемещаемой среды от вращательного вихревого движения и циркуляционного течения вокруг лопаток в межлопаточном канале рабочего колеса, возникающих от сил циркуляции, действующих во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это не позволяет существенно усилить передачу энергии перемещаемой среде, а следовательно, увеличить развиваемое турбомашиной давление. Несогласованность поля циркуляционных сил и плоскости вращения лопаток рабочего колеса не позволяет повысить эффективность процесса передачи энергии перемещаемой среде, приводит к существенному росту потерь энергии на «удар», т.е. к снижению экономичности турбомашины.
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения давления и экономичности лопастных турбомашин путем увеличения энергии, передаваемой ими жидкой или газообразной среде, и роста эффективности ее передачи является 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) торцевую поверхности, расположенную внутри вихревую камеру с конфузорными выходными каналами на выпуклую (нерабочую) торцевую поверхность накрылка с тангенциальным аэродинамическим каналом с рабочей поверхности лопатки (RU 2390658 С2, 27.05.2010).
Данный способ позволяет создать в вихревой камере дополнительное вихревое движение в плоскости вращения рабочего колеса, тем самым увеличивая интенсивность циркуляционного течения потока перемещаемой среды вокруг лопаток рабочего колеса, что повышает величину циркуляционных сил, поскольку в этом случае они располагаются в одной плоскости, и соответственно увеличивает создаваемое давление, то есть потенциальную и кинетическую 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, а взаимодействие вихревого течения с потоком в межлопаточных каналах рабочего колеса только на выпуклой тыльной 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 смещения задней критической точки лопатки рабочего колеса и, как результат, достижения с минимальными потерями существенного увеличения потенциальной и кинетической энергии перемещаемой среды, то есть незначительно увеличивает давление, развиваемое лопастной турбомашиной, и ее экономичность.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимальной кинетической энергии вращения циркуляционного потока части перемещаемой среды во внутренней полости объемной лопатки на ее выходе 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.
Этот способ позволяет сделать вихреисточник, формируемый в цилиндрической камере объемной лопатки на ее выходе, основным источником энергии существенного смещения задней критической точки лопатки в направлении к ее рабочей поверхности, а также снижения градиентов давления на наружной поверхности цилиндрической камеры объемной лопатки на ее выходе.
Технический результат повышения давления и экономичности лопастных турбомашин достигается за счет того, что в способе повышения энергии, сообщаемой жидкой или газообразной среде лопастными турбомашинами, включающем в себя подачу жидкой или газообразной среды через всасывающий патрубок турбомашины к входу на объемные лопатки ее рабочего колеса, преобразование механической энергии вращения рабочего колеса в потенциальную и кинетическую энергию жидкой или газообразной среды за счет формирования ее циркуляционного течения вокруг объемных лопаток, обусловленного их вращением, способствующего возникновению перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями лопаток, и выход жидкой или газообразной среды с увеличенной потенциальной и кинетической энергией с объемных лопаток через нагнетательный патрубок турбомашины, согласно изобретению часть жидкой или газообразной среды через всасывающий патрубок с входа на объемные лопатки по внутренней полости направляют к их выходу, закручивают ее в цилиндрической камере на выходе объемных лопаток в интенсивное вихревое движение и смешивают с жидкой или газообразной средой, перемещаемой вокруг объемных лопаток на выходе с них в нагнетательный патрубок.
Это создает дополнительное циркуляционное течение вокруг лопаток рабочего колеса, являющееся основном источником роста потенциальной и кинетической энергии перемещаемой среды.
Область формирования интенсивного вихревого движения жидкой или газообразной среды в цилиндрической камере на выходе объемных лопаток может охватывать не более 12% диаметра рабочего колеса турбомашины, а количество жидкой или газообразной среды, направленной на формирование в цилиндрической камере на выходе объемных лопаток интенсивного вихревого движения жидкой или газообразной среды, может составлять не более 18% от общего количества перемещаемой жидкой или газообразной среды через входной патрубок вентилятора.
В цилиндрическую камеру на выходе объемных лопаток может быть дополнительно направлена часть жидкой или газообразной среды с повышенной потенциальной и кинетической энергией из выходного патрубка турбомашины, что формирует в этой полости прирост интенсивного вихревого движения.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
- повышение потенциальной и кинетической энергий перемещаемой жидкой или газообразной среды и, как результат, увеличение давления, развиваемого турбомашиной;
- снижение потерь энергии за счет устранения отрывного вихреобразования и, как результат, повышение экономичности (КПД) турбомашины.
- снижение металлоемкости и габаритов турбомашины;
- увеличение степени сжатия на одной ступени применительно к многоступенчатой турбомашине;
- снижение уровня шума в области рабочих режимов турбомашины за счет устранения вихреобразования на выходе из рабочего колеса и входе в нагнетательный патрубок.
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);
на фиг.4 изображен осевой вентилятор - продольный разрез;
на фиг.5 - развертка продольного цилиндрического разреза лопаток рабочего колеса;
на фиг.6 - сечение А-А на фиг.4 (тангенциальный вход в спиральную камеру);
на фиг.7 - сечение Б-Б на фиг.4 (объемная лопатка рабочего колеса);
на фиг.8 изображен диаметральный вентилятор - поперечный разрез;
на фиг.9 - сечение А-А на фиг.8;
на фиг.10 - сечение Б-Б на фиг.9 (объемная лопатка рабочего колеса «беличьего» типа).
На фиг.1-3 приведена одна из возможных схем реализации предложенного способа повышения давления и экономичности применительно к радиальной турбомашине.
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 внутреннюю полость 8. Внутренняя полость 8 объемной лопатки 7 имеет на входе в лопатку 7 форму входного коллектора 9, в средней части представляет собой соединительный канал 10, обеспечивающий аэродинамическую связь в тангенциальном направлении входного коллектора 9 с цилиндрической камерой 11 на выходе лопатки 7. Обечайка 12 цилиндрической камеры 11 на выходе лопатки 7 выполнена с перфорациями 13 по ее периметру. Кроме того, цилиндрическая камера 11 на выходе лопатки 7 тангенциально соединена посредством расходных окон 14 в несущем 5 и покрывном 6 дисках рабочего колеса 4 с полостью 15 корпуса 16 вентилятора 1, с которой соединен нагнетательный патрубок 3. Задняя критическая точка 17 лопатки 7 рабочего колеса 4 представляет собой место соединения части потока перемещаемой среды, обтекающей объемную лопатку 7 по ее рабочей поверхности 18, с частью перемещаемой среды, обтекающей ее тыльную поверхность 19, и плавного схода потока перемещаемой среды на выходе с лопатки 7, то есть место, в котором сходятся потоки, движущиеся по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7. Ее положение на профиле лопатки 7 рабочего колеса 4 характеризует аэродинамическую нагруженность турбомашины, то есть величину перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями 18 и 19 лопатки 7, что определяет развиваемое ею давление.
При вращении рабочего колеса 4 центробежного вентилятора 1 поток перемещаемой среды поступает через всасывающий патрубок 2 на вход на объемные лопатки 7, расслаивается на часть потока, обтекающую объемные лопатки 7 по ее рабочей поверхности 18, и часть, обтекающую по тыльной поверхности 19, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения колеса 4. Часть потока за счет избыточного давления на входе на лопатку 7 поступает через входной коллектор 9 внутренней полости 8 объемной лопатки 7 и под действием центробежных сил через соединительный конфузорный канал 10 поступает тангенциально на выход лопатки 7 в ее цилиндрическую камеру 11, закручиваясь в ней со скоростью, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса 4.
За счет центробежной силы вращения закрученный поток через перфорации 13 поступает на внешнюю поверхность обечайки 12, способствуя при смешивании с перемещаемой по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7 средой за счет эффекта Магнуса росту давления на рабочей поверхности 18 лопатки 7 и снижению давления на тыльной поверхности 19 лопатки 7.
Это обусловлено тем, что высокоэнергетический поток цилиндрической камеры 11, закрученный в направлении вращения рабочего колеса 4, подкручивает перемещаемую среду в этом же направлении, смещая заднюю критическую точку 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18, то есть существенно увеличивает угол поворота потока перемещаемой среды на выходе из рабочего колеса 4 и устраняет отрывное вихреобразование путем поджатая потока к внешней поверхности обечайки 12 за счет реализации эффекта Коанда.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в предложенной конкретной конструкции лопастной радиальной турбомашины, позволяет за счет использования эффекта Магнуса существенно сместить в направлении к рабочей поверхности 18 лопатки 7 ее заднюю критическую точку 17, тем самым увеличить аэродинамическую нагруженность радиальной турбомашины 1, то есть развиваемое ею давление, а за счет реализации эффекта Коанда снизить вихреобразование на наружной поверхности обечайки 12 цилиндрической камеры 11 лопатки 7, то есть существенно увеличить ее экономичность.
Вышеуказанное обеспечено тем, что в предложенной конструкции радиальной турбомашины цилиндрическая камера 11, являющаяся частью внутренней полости 8 объемной лопатки 7, через тангенциально связанный с ней соединительный конфузорный канал 10 и входной коллектор 9 соединена с входом на лопатки 7 и сообщается через перфорации 13 с рабочей и тыльной поверхностями 18 и 19 лопатки 7.
Это позволяет создать внутри объемной лопатки 7 вперед загнутую лопатку с вихреисточником на выходе, способствующую созданию избыточного давления на ней, что обеспечивает интенсивную закрутку потока в цилиндрической камере 11 и, соответственно, формирование устойчивого вихря с большой циркуляцией, являющегося основным источником энергии, обеспечивающим поворот задней критической точки 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18.
В случае применения в конструкции рабочего колеса 4 турбомашины 1 расходных окон 14 с тангенциальным входом в цилиндрическую камеру 11, часть потока воздуха из полости 15 высокого давления корпуса 16 поступает через расходные окна 14 в несущем и покрывном дисках 5 и 6 в цилиндрическую камеру 11 лопаток 7, дополнительно усиливая интенсивность вихреисточника.
На фиг.4-7 приведена одна из возможных схем реализации предложенного способа повышения давления и экономичности применительно к осевой турбомашине.
Осевой вентилятор 1 содержит всасывающий и нагнетательный патрубки 2, 3, рабочее колесо 4, внутреннюю и наружную обечайки 5, 6, между которыми установлены объемные лопатки 7, имеющие внутреннюю полость 8. Внутренняя полость 8 объемной лопатки 7 имеет на входе в лопатку 7 форму входного коллектора 9, в средней части представляет собой соединительный канал 10, обеспечивающий аэродинамическую связь в тангенциальном направлении входного коллектора 9 с цилиндрической камерой 11 на выходе лопатки 7. Обечайка 12 цилиндрической камеры 11 на выходе лопатки 7 выполнена с перфорациями 13 по ее периметру. Кроме того, цилиндрическая камера 11 на выходе лопатки 7 тангенциально соединена посредством расходных окон 14 во внутренней обечайке 5 рабочего колеса 4 с полостью 15 корпуса 16 вентилятора 1, с которой соединен нагнетательный патрубок 3. Задняя критическая точка 17 лопатки 7 рабочего колеса 4 представляет собой место соединения части потока перемещаемой среды, обтекающей объемную лопатку 7 по ее рабочей поверхности 18, с частью перемещаемой среды, обтекающей ее тыльную поверхность 19, и плавного схода потока перемещаемой среды на выходе с лопатки 7, то есть место, в котором сходятся потоки, движущиеся по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7. Ее положение на профиле лопатки 7 рабочего колеса 4 характеризует аэродинамическую нагруженность турбомашины, то есть величину перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями 18 и 19 лопатки 7, что определяет развиваемое ею давление.
При вращении рабочего колеса 4 осевого вентилятора 1 поток перемещаемой среды поступает через всасывающий патрубок 2 на вход на объемные лопатки 7, расслаивается на часть потока, обтекающую объемные лопатки 7 по ее рабочей поверхности 18, и часть, обтекающую по тыльной поверхности 19, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения колеса 4. Часть потока за счет избыточного давления на входе на лопатку 7 поступает через входной коллектор 9 внутренней полости 8 объемной лопатки 7 и через ее конфузорный канал 10 поступает тангенциально на выход лопатки 7 в ее цилиндрическую камеру 11, закручиваясь в ней со скоростью, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса 4.
За счет центробежной силы вращения закрученный поток через перфорации 13 поступает на внешнюю поверхность обечайки 12, способствуя при смешивании с перемещаемой по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7 средой за счет эффекта Магнуса росту давления на рабочей поверхности 18 лопатки 7 и снижению давления на тыльной поверхности 19 лопатки 7.
Это обусловлено тем, что высокоэнергетический поток цилиндрической камеры 11, закрученный в направлении вращения рабочего колеса 4, подкручивает перемещаемую среду в этом же направлении, смещая заднюю критическую точку 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18, то есть существенно увеличивает угол поворота потока перемещаемой среды на выходе из рабочего колеса 4 и устраняет отрывное вихреобразование путем поджатая потока к внешней поверхности обечайки 12 за счет реализации эффекта Коанда.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в предложенной конкретной конструкции лопастной осевой турбомашины, позволяет за счет использования эффекта Магнуса существенно сместить в направлении к рабочей поверхности 18 лопатки 7 ее заднюю критическую точку 17, тем самым увеличить аэродинамическую нагруженность осевой турбомашины 1, то есть развиваемое ею давление, а за счет реализации эффекта Коанда снизить вихреобразование на наружной поверхности обечайки 12 цилиндрической камеры 11 лопатки 7, то есть существенно увеличить ее экономичность.
Вышеуказанное обеспечено тем, что в предложенной конструкции осевой турбомашины цилиндрическая камера 11, являющаяся частью внутренней полости 8 объемной лопатки 7, через тангенциально связанный с ней конфузорный канал 10 и входной коллектор 9 соединена с входом на лопатки 7 и сообщается через перфорации 13 с рабочей 18 и тыльной 19 поверхностями лопатки 7.
Это позволяет создать внутри объемной лопатки 7 вперед загнутую лопатку с вихреисточником на выходе, способствующую созданию избыточного давления на ней, что обеспечивает интенсивную закрутку потока в цилиндрической камере 11 и, соответственно, формирование устойчивого вихря с большой циркуляцией, являющегося основным источником энергии, обеспечивающим поворот задней критической точки 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18.
В случае применения в конструкции рабочего колеса 4 турбомашины 1 расходных окон 14 с тангенциальным входом в цилиндрическую камеру 11, часть потока воздуха из полости 15 высокого давления корпуса 16 поступает через расходные окна 14 во внутренней обечайке 5 рабочего колеса 4 в цилиндрическую камеру 11, дополнительно усиливая интенсивность вихреисточника.
На фиг.8-10 приведена одна из возможных схем реализации предложенного способа повышения давления и экономичности применительно к диаметральной турбомашине.
Диаметральный вентилятор 1 содержит всасывающий и нагнетательный патрубки 2, 3, рабочее колесо «беличьего» типа 4, диски 5, 6, между которыми установлены объемные лопатки 7, имеющие внутреннюю полость 8. Внутренняя полость 8 объемной лопатки 7 имеет на входе и выходе форму входных коллекторов 9, совмещенных с цилиндрическими камерами 11 с тангенциальным подводом к ним соединительного канала 10. Обечайки 12 цилиндрических камер 11 на входе и выходе лопатки 7 выполнены с перфорациями 13 по их периметру. Кроме того, цилиндрические камеры 11 на входе и выходе лопатки 7 тангенциально соединены посредством расходных окон 14 в дисках 5, 6 рабочего колеса «беличьего» типа 4 с полостью 15 корпуса 16 вентилятора 1, с которой соединен нагнетательный патрубок 3. Задние критические точки 17 лопаток 7 рабочего колеса «беличьего» типа 4, расположенных у всасывающего 2 и нагнетательного 3 патрубков, представляют собой место соединения части потока перемещаемой среды, обтекающей объемные лопатки 7 по их рабочей поверхности 18, с частью перемещаемой среды, обтекающей их тыльную поверхность 19, и плавного схода потока перемещаемой среды на выходе с лопаток 7 соответственно во внутреннюю полость рабочего колеса «беличьего» типа 4 и в нагнетательный патрубок 3, то есть место, в котором сходятся потоки, движущиеся по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопаток 7. Их положение на профиле лопаток 7 рабочего колеса «беличьего» типа 4 характеризует аэродинамическую нагруженность турбомашины, то есть величину перепада давления между рабочей и тыльной поверхностями 18 и 19 лопаток 7, что определяет развиваемое ею давление.
При вращении рабочего колеса «беличьего» типа 4 диаметрального вентилятора 1 поток перемещаемой среды поступает через всасывающий патрубок 2 на вход на объемные лопатки 7, расслаивается на часть потока, обтекающую объемные лопатки 7 по ее рабочей поверхности 18, и часть, обтекающую по тыльной поверхности 19, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения колеса 4. Часть потока за счет избыточного давления на входе на лопатку 7 поступает через входной коллектор 9 внутренней полости 8 объемной лопатки 7 и под действием центробежных сил через соединительный конфузорный канал 10 поступает тангенциально на выход лопатки 7 в ее цилиндрическую камеру 11, закручиваясь в ней со скоростью, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса «беличьего» типа 4.
За счет центробежной силы вращения закрученный поток через перфорации 13 поступает на внешнюю поверхность обечайки 12, способствуя при смешивании с перемещаемой по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7 средой за счет эффекта Магнуса росту давления на рабочей поверхности 18 лопатки 7 и снижению давления на тыльной поверхности 19 лопатки 7.
Это обусловлено тем, что высокоэнергетический поток цилиндрической камеры 11, закрученный в направлении вращения рабочего колеса «беличьего типа» 4, подкручивает перемещаемую среду в этом же направлении, смещая заднюю критическую точку 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18, то есть существенно увеличивает угол поворота потока перемещаемой среды на выходе с лопатки 7 во внутреннюю полость рабочего колеса «беличьего» типа 4 и устраняет отрывное вихреобразование путем поджатия потока к внешней поверхности обечайки 12 за счет реализации эффекта Коанда.
Одновременно часть потока из внутренней полости рабочего колеса «беличьего» типа 4 за счет избыточного давления на входе лопатки 7 по отношению к нагнетательному патрубку 3 диаметрального вентилятора 1 поступает через входной коллектор 9 внутренней полости 8 объемной лопатки 7 и под действием центробежных сил через соединительный конфузорный канал 10 поступает тангенциально в ее цилиндрическую камеру 11 на входе лопатки 7, по отношению к нагнетательному патрубку 3 диаметрального вентилятора 1, закручиваясь в ней со скоростью, значительно превышающей скорость вращения рабочего колеса «беличьего» типа 4.
За счет центробежной силы вращения закрученный поток через перфорации 13 поступает на внешнюю поверхность обечайки 12, способствуя при смешивании с перемещаемой по рабочей и тыльной поверхностям 18 и 19 лопатки 7 средой за счет эффекта Магнуса росту давления на рабочей поверхности 18 лопатки 7 и снижению давления на тыльной поверхности 19 лопатки 7 в области нагнетательного патрубка 3 диаметрального вентилятора 1.
Это обусловлено тем, что высокоэнергетический поток цилиндрической камеры 11, закрученный в направлении вращения рабочего колеса «беличьего» типа 4, подкручивает перемещаемую среду в этом же направлении, смещая заднюю критическую точку 17 лопатки 7 в области нагнетательного патрубка 3 диаметрального вентилятора 1 в направлении к ее рабочей поверхности 18, то есть существенно увеличивает угол поворота потока перемещаемой среды на выходе из рабочего колеса «беличьего» типа 4 и устраняет отрывное вихреобразование путем поджатия потока к внешней поверхности обечайки 12 за счет реализации эффекта Коанда.
Таким образом, вышеуказанный способ, реализуемый в предложенной конкретной конструкции лопастной диаметральной турбомашины, позволяет за счет использования эффекта Магнуса существенно сместить в направлении к рабочей поверхности 18 лопатки 7 ее заднюю критическую точку 17, тем самым увеличить аэродинамическую нагруженность диаметральной турбомашины 1, то есть развиваемое ею давление, а за счет реализации эффекта Коанда снизить вихреобразование на наружной поверхности обечайки 12 цилиндрической камеры 11 лопатки 7, то есть существенно увеличить ее экономичность.
Вышеуказанное обеспечено тем, что в предложенной конструкции диаметральной турбомашины цилиндрическая камера 11, являющаяся частью внутренней полости 8 объемной лопатки 7, через тангенциально связанный с ней соединительный конфузорный канал 10 и входной коллектор 9 соединена с входом на лопатки 7 и сообщается через перфорации 13 с рабочей и тыльной поверхностями 18 и 19 лопатки 7.
Это позволяет создать внутри объемной лопатки 7 вперед загнутую лопатку с вихреисточником на выходе, способствующую созданию избыточного давления на ней, что обеспечивает интенсивную закрутку потока в цилиндрической камере 11 и, соответственно, формирование устойчивого вихря с большой циркуляцией, являющегося основным источником энергии, обеспечивающим поворот задней критической точки 17 лопатки 7 в направлении к ее рабочей поверхности 18.
В случае применения в конструкции рабочего колеса «беличьего» типа 4 турбомашины 1 расходных окон 14 с тангенциальным входом в цилиндрическую камеру 11, часть потока воздуха из полости 15 высокого давления корпуса 16 поступает через расходные окна 14 в несущем 5 и покрывном 6 дисках в цилиндрическую камеру 11 лопаток 1, дополнительно усиливая интенсивность вихреисточника.
Таким образом, при оптимальных геометрических параметрах лопатки 7 рабочего колеса 4, то есть оптимальной геометрической форме и взаимном расположении внутренней полости 8, ее входного коллектора 9, цилиндрической камеры 11 формируется аэрогазодинамический высокоэнергетический вихреисточник. Взаимодействие вихреисточника с потоком перемещаемой среды позволяет за счет использования эффекта Магнуса существенно сместить в направлении к рабочей поверхности 18 лопатки 7 ее заднюю критическую точку 17, тем самым увеличить аэродинамическую нагруженность турбомашины 1, то есть развиваемое ею давление, а за счет реализации эффекта Коанда снизить вихреобразование на наружной поверхности 12 цилиндрической камеры 11 лопатки 7, то есть существенно увеличить ее экономичность в условиях значительного изменения режимов работы турбомашин как радиального, так осевого и диаметрального типов. Профилирование цилиндрической камеры 11, ее перфораций 13 позволяет с использованием, в частности, предложенной конструкции достичь режимов суперциркуляции, при которых давление, развиваемое турбомашиной, превышает его теоретическое значение, соответствующее классической лопатке рабочего колеса.
В
Результаты испытаний радиального вентилятора вышеуказанной конструкции с вихревыми устройствами, выполненного на базе классической аэродинамической схемы Ц70-20, имеющей коэффициент статического давления ψ=0,7, подтверждают увеличение его коэффициента давления в 2,1 раза, то есть до значения ψ=1,47.
Данные результаты получены для геометрических параметров внутренней полости, при которых диаметр цилиндрической камеры составляет 12% диаметра рабочего колеса турбомашины, а суммарная площадь входных коллекторов объемных лопаток составляет 18% от площади входа в рабочее колесо турбомашины. Дальнейшее увеличение диаметра цилиндрической камеры или площади входного коллектора приводит к незначительному увеличению развиваемого турбомашиной давления при существенном снижении ее к.п.д.
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, осевых и диаметральных турбомашин, позволяет поднять на качественно новый уровень их аэродинамическую нагруженность и экономичность, тем самым способствуя также уменьшению их габаритов и металлоемкости, являющихся основными критериями, характеризующими их эффективность.
Данный способ повышения давления и экономичности лопастных турбомашин может быть эффективно реализован в конструкциях насосов, компрессоров, воздуходувок и турбин, в том числе и имеющих в настоящее время большую перспективу турбомашинах ортогонального типа.