Рабочее колесо радиальной турбины

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при конструировании рабочих колес турбин радиально-осевого типа.
Известны традиционные радиально-осевые колеса (Шерстюк А.Н. Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности: Учебное пособие. - Машиностроение, 1976, стр. 207), содержащие радиальный и осевой участок, на которых располагаются основные лопатки.
Недостатком таких рабочих колес является наличие периферийного вихревого шнура, являющегося источником дополнительных потерь энергии в потоке.
Известно рабочее колесо радиально-осевой турбомашины (Ntonas K., Aretakis N., Roumeliotis I., Pariotis E., Paraskevopoulos Y., Zannis T. Integrated simulation framework for assessing turbocharger fault effects on diesel-engine performance and operability / Journal of Energy Engineering. - 2020. - №146(4). - 04020023), содержащее радиальный и осевой участок. На осевом участке расположены основные лопатки, а на радиальном как сопряженные с основными лопатками, так и дополнительные укороченные лопатки.
Основной недостаток данного технического решения заключается в низкой аэродинамической эффективности проточной части радиально-осевой турбомашины, связанной с тем, что при установке разделительной лопатки сохраняется вихревой шнур, образуемый за счет потока, стекающего по выпуклой поверхности лопатки на периферию.
В качестве прототипа заявляемой полезной модели принято рабочее колесо по авторскому свидетельству SU №1160061, МПК F01D 5/04, опубл. 07.06.1985, содержащее радиальный и осевой участки, первый из которых имеет основные и дополнительные укороченные лопатки, а второй - сопряженные с основными лопатки. Также осевой участок выполнен двухъярусным и имеет разделительную обечайку, равные по высоте ярусы и меньшее в целое число раз, например 2-4, количество лопаток нижнего яруса.
Основной недостаток данного технического решения заключается в низкой аэродинамической эффективности проточной части радиально-осевого рабочего колеса, связанной с тем, что при разделении осевого участка на два яруса, сохраняется прикорневой вихревой шнур, образуемый за счет прикорневого потока, стекающего по выпуклой поверхности лопатки на периферию.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в предотвращении перетока потока на периферию и, соответственно, уменьшению неравномерности поля скоростей в межлопаточном канале.
Технический результат заключается в повышении КПД проточной части рабочего колеса радиальной турбины.
Это достигается тем, что рабочее колесо радиальной турбины, содержащее радиальный и осевой участки, первый из которых имеет основные и дополнительные укороченные лопатки, а второй - только основные лопатки, дополнительно содержит межъярусную перегородку, расположенную посередине основных и дополнительных укороченных лопаток рабочего колеса.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено меридиональное сечение рабочего колеса, на фиг. 2 и 3 представлены линии тока в прикорневой зоне нижнего яруса прототипа и предлагаемого рабочего колеса, на фиг. 4 и 5 представлена структура линий тока в прикорневой зоне верхнего яруса двухъярусного рабочего колеса, являющегося прототипом, и в периферийной зоне межъярусного предлагаемого рабочего колеса.
Рабочее колесо радиальной турбины содержит радиальный 1 и осевой 2 участки, первый из которых имеет основные 3 и дополнительные 4 укороченные лопатки, а второй - только основные лопатки 3. Радиальный 1 и осевой 2 участки имеют межъярусную перегородку 5, которая делит колесо на верхний 6 и нижний 7 ярусы. Межъярусная перегородка 5 расположена посередине основных и дополнительных укороченных лопаток рабочего колеса. Все лопатки закреплены на ступице 8.
Рабочее колесо радиальной турбины работает следующим образом.
Поток на входе в радиальное колесо разделяется межъярусной перегородкой 5 на две части и попадает в верхний 6 и нижний 7 ярусы рабочего колеса, где кинетическая энергия потока преобразуется в механическую энергию вращения рабочего колеса с помощью рабочих лопаток 3 на радиальном 1, где также происходит турбулизация потока с помощью дополнительных лопаток 4, и осевом 2 участках.
Анализ линий тока на фиг 2. показывает, что при установке межъярусной перегородки на осевом участке прикорневой поток практически в самом начале канала направляется к выпуклой части рабочей лопатки и по ее поверхности движется к периферии, где образует вихревой шнур (фиг. 2). При установке межъярусной перегородки по всей длине рабочего колеса, (фиг. 3) прикорневой поток также направляется к выпуклой части рабочей лопатки, однако ликвидируется область его торможения, и уменьшается угол разворота. Стоит отметить, что часть прикорневого потока, наиболее близко расположенного к выпуклой поверхности рабочей лопатки, достигая поверхности межъярусной перегородки (периферийная зона нижнего яруса рабочего колеса), не образует вихревую структуру, как это было при достижении прикорневого потока периферийной зоны традиционного рабочего колеса.
Для структуры линий тока в прикорневой зоне верхнего яруса, представленной на фиг. 4, также характерно отсутствие вихревой структуры, при этом поток равномерно распределяется по всей ширине межлопаточного канала и не отклоняется от выпуклой поверхности рабочей лопатки другой частью потока, как это имеет место в традиционном варианте рабочего колеса, структура течения разных частей потоков в котором представлена на фиг. 5 (линии тока прикорневого потока окрашены для наглядности в красный цвет).
Использование полезной модели позволяет предотвратить переток потока на периферию и, соответственно, уменьшить неравномерность поля скоростей в межлопаточном канале, что приводит к улучшению газодинамической эффективности рабочего колеса, и также, соответственно, приводит к увеличению внутреннего относительного КПД проточной части радиальной турбины на 1-1,5%.