ДИФФУЗОРНОЕ УСТРОЙСТВО РАБОТАЮЩЕЙ НА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ТУРБИНЫ
DIFFUSER DEVICE OF TURBINE OPERATING ON EXHAUST GASES

Область техники
Изобретение относится к области работающих на отработавших газах турбокомпрессоров для двигателей внутреннего сгорания с наддувом. В частности, изобретение относится к диффузорному устройству работающей на отработавших газах турбины работающего на отработавших газах турбокомпрессора.
Предшествующий уровень техники
Чтобы увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания, в настоящее время стандартно используются работающие на отработавших газах турбокомпрессоры, имеющие турбину в тракте отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, который расположен выше по потоку от двигателя внутреннего сгорания. В этом случае отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания декомпрессируются в турбине. Работа, получаемая в этом случае, передаётся посредством вала в компрессор, который сжимает воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания. В результате использования энергии отработавших газов для сжатия воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания для использования в процессе сгорания, процесс сгорания и степень эффективности двигателя внутреннего сгорания могут быть оптимизированы.
В работающих на отработавших газах турбинах, известных из существующего уровня техники, восстановление давления на выходе работающей на отработавших газах турбины обычно производится с помощью диффузоров, которые могут быть сконструированы, например, в виде кольцеобразной и линейно-конической конструкции. В этом случае поток замедляется в осевом направлении. Кроме того, впоследствии может быть выполнено перенаправление потока в радиальном направлении, и отработавший газ может подаваться в пространство для сбора отработавших газов.
Было обнаружено, что с такими диффузорами работающих на отработавших газах турбин, известными из существующего уровня техники, восстановление давления всё ещё оставляет место для улучшения. В частности, было обнаружено, что в диффузорах, известных из существующего уровня техники, происходит разделение потока, например, при радиальном перенаправлении потока, которое оказывает неблагоприятное влияние на восстановление давления.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание работающей на отработавших газах турбины, имеющей диффузорное устройство, которое улучшено по сравнению с работающими на отработавших газах диффузорами, известными из существующего уровня техники. В частности, задачей изобретения является создание работающей на отработавших газах турбины с диффузорным устройством, которое имеет улучшенное восстановление давления и более компактную конструкцию.
Для решения вышеупомянутой задачи создана работающая на отработавших газах турбина по независимому пункту 1 формулы изобретения. Другие аспекты, преимущества и особенности изобретения могут быть получены из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и чертежей.
В соответствии с аспектом изобретения, имеется работающая на отработавших газах турбина. Работающая на отработавших газах турбина содержит ротор турбины, имеющий множество лопаток ротора турбины с высотой H лопаток ротора турбины. Работающая на отработавших газах турбина дополнительно содержит диффузорное устройство, имеющее поперечный диффузор и пространство для сбора отработавших газов. Поперечный диффузор расположен ниже по ходу потока от лопаток ротора турбины. Поперечный диффузор имеет изогнутый канал диффузора, который открыт на выпуске канала диффузора в пространство для сбора отработавших газов. Отношение M/H между осевой протяженностью M пространства для сбора отработавших газов и высотой H лопаток ротора турбины имеет значение 1,0 ≤ M/H ≤ 4,6, а отношение P/H между радиальной протяженностью P диффузорного устройства и высотой Н лопатки ротора турбины имеет значение 2,7 ≤ P/H ≤ 4,9. Отношение D/H между радиальной протяженностью D канала диффузора и высотой H лопаток ротора турбины имеет значение 2,5 ≤ D/H ≤ 3,0, а отношение R/H между радиусом R ступицы турбины и высотой H лопатки ротора турбины имеет значение 1,1 ≤ R/H ≤ 1,5.
Следовательно, имеется работающая на отработавших газах турбина, содержащая диффузорное устройство, которая является улучшенной по сравнению с работающими на отработавших газах турбинами, известными из существующего уровня техники. В частности, в результате создания работающей на отработавших газах турбины в соответствии с изобретением имеется работающая на отработавших газах турбина с улучшенной конструкцией диффузора, которая обеспечивает улучшенное восстановление давления на выходе из работающей на отработавших газах турбины. Кроме того, имеется диффузорное устройство для работающей на отработавших газах турбины, которое имеет более компактную конструкцию, в частности более компактную конструкцию в осевом направлении. Компактная конструкция в осевом направлении дополнительно обеспечивает равномерный выпуск из пространства для сбора отработавших газов в направлении ниже по ходу потока, благодаря чему потери потока уменьшаются.
В соответствии с другим аспектом изобретения, работающий на отработавших газах турбокомпрессор, имеющий работающую на отработавших газах турбину, в соответствии с одним из описанных здесь вариантов осуществления изобретения, выполнен так, чтобы можно было обеспечить усовершенствованный работающий на отработавших газах турбокомпрессор.
Краткое описание чертежей
Изобретение предназначено для пояснения последующей части описания со ссылками на варианты выполнения, показанные на чертежах, из которых могут быть выведены другие преимущества и модификации.
На фиг. 1 схематично показана часть работающей на отработавших газах турбины, имеющей диффузорное устройство, в соответствии с описанным вариантами осуществления изобретения, вид в продольном разрезе; и
на фиг. 2 – часть работающей на отработавших газах турбины, имеющей диффузорное устройство, в соответствии с другими описанными вариантами осуществления изобретения, вид в продольном разрезе.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 схематично показана часть работающей на отработавших газах турбины, имеющей диффузорное устройство, в соответствии с описанным вариантами осуществления изобретения, вид в продольном разрезе.
В частности, на фиг. 1 показана часть работающей на отработавших газах турбины, содержащая ротор 12 турбины, имеющий множество лопаток 2 ротора турбины с высотой H лопатки ротора турбины. Как правило, ротор 12 турбины поддерживается с возможностью вращения вокруг оси 4 вращения. На виде в разрезе фиг. 1 лопатка 2 ротора турбины с высотой H лопатки ротора турбины показана в качестве примера. Кроме того, работающая на отработавших газах турбина содержит диффузорное устройство 20 с поперечным диффузором 1 и пространство 9 для сбора отработавших газов.
Поперечный диффузор 1 расположен ниже по ходу потока от лопаток ротора турбины 2. Направление 3 потока отработавших газов показано на фиг. 1 и 2 с помощью стрелки. Кроме того, диффузорное устройство 20 содержит корпус 5 диффузора, как показано в качестве примера на фиг. 1. Поперечный диффузор 1 имеет изогнутый канал 13 диффузора. Обычно канал 13 диффузора имеет впуск 18 канала диффузора и выпуск 17 канала диффузора. В частности, впуск 18 канала диффузора сконструирован так, чтобы направлять отработавший газ в направлении 3 потока в канал 13 диффузора.
В этом контексте следует отметить, что поперечный диффузор следует рассматривать как диффузор, который с конструктивной точки зрения представляет собой комбинацию линейного осевого диффузора с изогнутым диагональным диффузором. В линейном осевом диффузоре замедление потока происходит посредством увеличения поперечного сечения канала диффузора в направлении потока. В изогнутом диагональном диффузоре замедление потока происходит посредством увеличения радиального положения поперечного сечения канала диффузора в направлении потока. В поперечном диффузоре поток замедляется посредством обоих механизмов, то есть посредством изменения поперечного сечения канала диффузора и посредством увеличения радиального положения поперечного сечения канала диффузора.
Как показано в качестве примера на фиг. 1, впуск 18 канала диффузора обычно проходит в радиальном направлении r по высоте H лопатки ротора турбины. Канал 13 диффузора открыт на выпуске 17 канала диффузора в пространство 9 для сбора отработавших газов. В частности, канал 13 диффузора изгибается или искривляется радиально наружу, как показано в качестве примера на фиг. 1. Пространство для сбора отработавших газов имеет осевую протяженность M, а диффузорное устройство имеет радиальную протяженность P. На фиг. 1 и 2, осевое направление соответствует направлению оси 4 вращения ротора 12 турбины. Радиальное направление r показано на фиг. 1 и 2 с помощью стрелки. В соответствии с описанными вариантами осуществления изобретения, отношение M/H между осевой протяженностью M пространства 9 для сбора отработавших газов и высотой H лопаток ротора турбины имеет значение 1,0 ≤ M/H ≤ 4,6. В частности, соотношение M/H имеет значение 3,467 ≤ M/H ≤ 3,679. Кроме того, соотношение P/H между радиальной протяженностью P диффузорного устройства 20 и высотой H лопатки ротора турбины имеет значение 2,7 ≤ P/H ≤ 4,9. В частности, соотношение P/H имеет значение 3,779 ≤ P/H ≤ 4,010.
Было обнаружено, что описанные варианты выполнения работающей на отработавших газах турбины, в частности, концепция конструкции описанного диффузорного устройства, имеют конкретные преимущества в отношении восстановления давления, в то же время создавая компактное конструктивное пространство по осевому размеру, в результате чего по сравнению с работающими на отработавших газах турбинами, известными из существующего уровня техники, обеспечивается улучшенная работающая на отработавших газах турбина.
Кроме того, описанная конструктивная схема диффузорного устройства имеет то преимущество, что она может быть приспособлена к различным высотам лопаток ротора турбины, при этом одновременно достигается оптимальное восстановление давления в пределах более короткой осевой длины диффузора, в результате чего может быть изготовлена ступень турбины, которая является более компактной в осевом направлении и, следовательно, может быть изготовлен более компактный турбокомпрессор. Более компактная конструкция особенно предпочтительна из-за конструктивных ограничений пространства в двигателе.
Кроме того, в описанных вариантах выполнения диффузорного устройства потери при разделении потока сводятся к минимуму в результате плавного и непрерывного вращения потока из осевого направления в радиальное направление, и в результате изменения поперечного сечения канала диффузора в направлении потока. Изменение приспособлено к соотношениям потока, в результате чего риск разделения потока уменьшается или даже исключается.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, высота H лопатки ротора турбины выбирается из диапазона от минимальной высоты H2 лопатки ротора турбины до максимальной высоты H1 лопатки ротора турбины. Максимальная высота H1 лопатки ротора турбины и минимальная высота H2 лопатки ротора турбины показаны в качестве примера на фиг. 2. Соотношение H2/H1 между минимальной высотой H2 лопатки ротора турбины и максимальной высотой H1 лопатки ротора турбины обычно имеет значение 0,8 ≤ H2/H1 ≤ 1,0.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, выпуск 17 канала диффузора имеет осевую протяженность E, как показано в качестве примера на фиг. 2. В частности, соотношение E/H между осевой протяженностью E выпуска 17 канала диффузора и высотой H лопатки ротора турбины могут иметь значение 0,9 ≤ E/H ≤ 1,8. В частности, соотношение E/H имеет значение 1,052 ≤ E/H ≤ 1,116.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, канал 13 диффузора имеет осевую длину L, как показано в качестве примера на фиг. 2. В частности, соотношение L/H между осевой длиной L канала 13 диффузора и высотой H лопатки ротора турбины могут иметь значение 1,5 ≤ L/H ≤ 3,0. Альтернативно, соотношение L/H может иметь значение 2,0 ≤ L/H ≤ 2,7. В частности, соотношение L/H имеет значение 2,312 ≤ L/H ≤ 2,452.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, канал 13 диффузора имеет радиальную протяженность D, как показано в качестве примера на фиг. 2. Как правило, радиальная протяженность D соответствует радиальному расстоянию между начальным местом 15 второго профиля 6B канала диффузора и конечным местом 8 первого профиля 6А канала диффузора. В частности, соотношение D/H между радиальной протяженностью D канала 13 диффузора и высотой H лопатки ротора турбины может иметь значение 2,3 ≤ D/H ≤ 3,5. Альтернативно, соотношение D/H может иметь значение 2,5 ≤ D/H ≤ 3,0. В частности, соотношение D/H имеет значение 2,623 ≤ D/H ≤ 2,782.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, ротор 12 турбины имеет радиус R ступицы турбины, как показано в качестве примера на фиг. 1 и 2. Как правило, радиус R ступицы турбины проходит от оси 4 вращения ротора турбины до профиля 11 ступицы турбины. В частности, соотношение R/H между радиусом R ступицы турбины и высотой H лопатки ротора турбины может иметь значение 1,0 ≤ R/H ≤ 1,7. Альтернативно, соотношение R/H может иметь значение 1,1 ≤ R/H ≤ 1,5. В частности, соотношение R/H имеет значение 1,248 ≤ R/H ≤ 1,324.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления канал 13 диффузора содержит первый профиль 6А канала диффузора, который проходит от начального места 14 первого профиля 6А канала диффузора до конечного места 8 первого профиля 6А канала диффузора, как показано в качестве примера на фиг. 2. Как правило, первый профиль 6А канала диффузора находится напротив второго профиля 6В канала диффузора. Начальное место 14 первого профиля 6А канала диффузора расположено дальше наружу в радиальном направлении, чем начальное место 15 второго профиля 6В канала диффузора, как показано на фиг. 2 в качестве примера.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который может быть объединен с любыми другими описанными вариантами осуществления, первый профиль 6А канала диффузора сконструирован так, что в конечном месте 8 первого профиля 6А канала диффузора обеспечивается угол А раскрытия выпуска 17 канала диффузора, как показано в качестве примера на фиг. 2. Угол A раскрытия выпуска 17 канала диффузора представляет собой угол, который образуется между касательной в конечном месте 8 первого профиля 6А канала диффузора и радиальным направлением r. Как правило, угол A раскрытия имеет значение 20° ≤ A ≤ 70°. В качестве альтернативы, угол A раскрытия может иметь значение 30° ≤ A ≤ 60°. В частности, угол A раскрытия имеет значение 40° ≤ A ≤ 50°.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, пространство 9 для сбора отработавших газов имеет радиальную протяженность N, как показано в качестве примера на фиг. 2. В частности, соотношение N/H между радиальной протяженностью N пространства 9 для сбора отработавших газов и высотой H лопатки ротора турбины могут иметь значение (P-D)/H ≤ N/H ≤ (P-H)/H, где P – радиальная протяженность диффузорного устройства 20, и где D – радиальная протяженность канала 13 диффузора. В частности, соотношение N/H имеет значение 2,130 ≤ N/H ≤ 2,260.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, который можно комбинировать с любыми другими описанными вариантами осуществления, канал 13 диффузора может иметь вставной элемент 16. Как показано в качестве примера на фиг. 2, вставной элемент 16 может быть сконструирован так, что вставной элемент 16 образует третий профиль 7 канала диффузора. Как правило, вставной элемент 16 расположен так, что третий профиль 7 канала диффузора в переходном месте 10 соединяется с первым профилем 6А канала диффузора. Как показано на фиг. 2, переходное место10 имеет радиальное расстояние T относительно начального места 15 второго профиля 6В канала диффузора. В частности, соотношение T/H между радиальным расстоянием T и высотой H лопатки ротора турбины имеет значение 1,0 ≤ T/H ≤ (PN)/H, где P – радиальная протяженность поперечного диффузора, и где N – радиальная протяженность пространства для сбора отработавших газов. В частности, соотношение T/H имеет значение 1,334 ≤ T/H ≤ 1,415.
Вставной элемент 16 может быть, например, выполнен в виде кольцевой конструкции. Как правило, размер вставного элемента 16 подобран так, что он адаптирует впуск 18 канала диффузора. Как показано на фиг. 2 в качестве примера, третий профиль 7 канала диффузора вставного элемента 16 может быть выполнен так, что проем впуск 18 канала диффузора адаптирован в радиальном направлении r к высоте H лопатки ротора турбины (на фиг. 2 – к минимальной высоте H2 лопатки ротора турбины).
Как можно видеть из вариантов осуществления изобретения, описанных в данном документе, предпочтительно имеется работающая на отработавших газах турбина, содержащая диффузорное устройство, которая является улучшенной по сравнению с работающими на отработавших газах турбинами, известными из существующего уровня техники. В частности, в качестве полученной в результате работающие на отработавших газах турбины в соответствии с изобретением, имеется работающая на отработавших газах турбина с улучшенной конструкцией диффузора, которая обеспечивает улучшенное восстановление давления и более компактную конструкцию, в частности более компактную конструкцию в осевом направлении. Соответственно, когда работающая на отработавших газах турбина используется в соответствии с одним из описанных вариантов осуществления изобретения, для работающего на отработавших газах турбокомпрессора предпочтительно может иметься улучшенный работающий на отработавших газах турбокомпрессор.
Наконец, следует отметить, что конструкция описанного диффузорного устройства может быть соответствующим образом адаптирована с учётом требуемого размера. Другими словами, конструкция описанного диффузорного устройства в общем является действительной для разных размеров, и может быть перенесена на небольшие, средние и большие размеры конструктивного пространства. Кроме того, описанная концепция диффузора может применяться к осевым турбинам, турбинам со смешанным потоком и радиальным турбинам, но не ограничивается осевыми турбинами, турбинами со смешанным потоком и радиальными турбинами. Кроме того, следует отметить, что на фиг. 1 и 2 показан продольный разрез в плоскости x-z. Соответственно, изложенные значения и соотношения обычно относятся к продольному разрезу диффузорного устройства согласно описанным вариантам осуществления в плоскости x-z, как показано в качестве примера на фиг. 1 и 2.
Список ссылочных обозначений
1 Поперечный диффузор
2 Лопатки ротора турбины
3 Направление потока
4 Ось вращения/осевое направление
5 Корпус диффузора
6A Первый профиль канала диффузора
6B Второй профиль канала диффузора
7 Третий профиль канала диффузора
8 Конечное место первого профиля канала диффузора
9 Пространство для сбора отработавших газов
10 Переходное место между третьим профилем канала диффузора и первым профилем канала диффузора
11 Профиль ступицы турбины
12 Ротор турбины
13 Канал диффузора
14 Начальное место первого профиля 6А канала диффузора
15 Начальное место второго профиля 6В канала диффузора
16 Вставной элемент
17 Выпуск канала диффузора
18 Впуск канала диффузора
20 Диффузорное устройство
r Радиальное направление
R Радиус ступицы турбины
H Высота ротора
H1 Максимальная высота лопатки ротора турбины
H2 Минимальная высота лопатки ротора турбины
L Осевая длина канала диффузора
D Радиальная протяженность канала 13 диффузора
P Радиальная протяженность диффузорного устройства 20
M Осевая протяженность пространства 9 для сбора отработавших газов
N Радиальная протяженность пространства 9 для сбора отработавших газов
E Осевая протяженность выпуска 17 канала диффузора
T Радиальное расстояние переходного места 10 от начального места 15 второго профиля 6В канала диффузора
А Угол открытия выпуска 17 канала диффузора относительно радиального направления r.