Способ повышения давления лопастных турбомашин и устройство для его реализации
METHOD FOR INCREASING THE PRESSURE OF VANE TURBOMACHINES AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

y
y
Изобретение относится к способам передачи потенциальной и кинетической энергии жидкой или газообразной среде, повышения эффективности преобразования механической энергии вращения рабочего колеса лопатных турбомашин в потенциальную и кинетическую энергию перемещаемой ими жидкой или газообразной среды и может использоваться в лопастных турбомашинах радиального и осевого типов. Способ наиболее применим для лопастных турбомашин, отличающихся малой удельной быстроходностью для радиальных n ≤ 80, для осевых n ≤ 300, способствуя существенному повышению их экономичности (кпд), росту давления, уменьшению габаритов и материалоемкости.
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 экономичности и, как результат, роста давления лопастных турбомашин малой быстроходности путем увеличения эффективности процесса преобразования механической энергии вращающегося рабочего колеса в потенциальную и кинетическую энергию перемещаемой жидкой или газообразной среды необходимо устранить отрывное вихреобразование, возникающее на тыльной поверхности лопаток рабочего колеса турбомашин, снизить локальную диффузорность потока на ее профиле.
Взаимодействие жидкой или газообразной среды с лопатками рабочего колеса турбомашины осуществляется через устойчивую систему присоединенных вихрей, являющуюся гидродинамическим аналогом профилей лопаток.
При изменении параметров турбомашины происходит деформация вихревой системы на профилях лопаток рабочих колес турбомашин, снижение интенсивности присоединенных вихрей. Локальная диффузорность, отрицательные градиенты скоростей, т. е. резкое замедление потока на профиле лопаток, приводит к росту потерь энергии на отрывное вихреобразование через вихревую дорожку Кармана.
Для классических профилей лопаток рабочих колес турбомашин существует внутреннее противоречие между увеличением градиента скорости для роста циркуляции, определяющий теоретическое давление, то есть уровень энергетического взаимодействия до точки максимальной скорости и обеспечением максимально допустимого замедления скорости, то есть отрицательного ускорения потока, отражающего гидродинамическую аналогию локальной диффузорности и угла ее раскрытия, при котором даже в условиях потенциального течения возникают возвратные течения потока до задней критической точки профиля лопаток рабочих колес.
Обладая высокой экономичностью и аэродинамической нагруженностью на номинальном режиме лопастные турбомашины резко снижают эффективность при изменении внешних условий в связи с изменением кинематических параметров потока на входе в рабочее колесо, что приводит к большим отрицательным ускорениям потока и отрывному вихреобразованию.
Локальная диффузорность определяет соотношение между параметрами энергетического взаимодействия лопаток рабочего колеса с потоком и потерями энергии в нем, связанными с изменениями кинематических параметров потока, обуславливающих изменение положения точки отрыва потока в связи с изменениями диффузорности течения на тыльной поверхности лопатки.
Согласно теории Жуковского-Чаплыгина-Кутта, теоретическая циркуляция потока вокруг профиля объемной лопатки, соответствующая энергетическому взаимодействию профиля с потоком, определяется положением выходной кромки лопатки. Положение точки отрыва потока на тыльной поверхности объемной лопатки по отношению к ее выходной кромке определяет потери энергии, т. е. разницу между теоретической и фактической циркуляции потока. Следовательно, необходимо найти способ управления локальной диффузорностью, позволяющий перемещать точку отрыва потока, совмещая ее с выходной кромкой лопатки при изменении условий обтекания ее входной кромки.
Для устранения отрывного вихреобразования необходимо снижать локальную диффузорность потока на тыльной поверхности профиля объемной лопатки аналогично тому, как меняется форма крыла птицы для обеспечения его плавного обтекания при изменении траектории полета. Однако, на практике сложно реализовать способ изменения геометрии профиля лопаток рабочего колеса лопастной турбомашины.
Активные методы управления обтекания рабочего колеса позволяют изменение геометрии профиля объемных лопаток адекватно реализовать с помощью внешних источников, формирующих «изменяемый аэродинамический профиль» переменной формы путем смешивания жидкой или газообразной среды на тыльной поверхности объемных лопаток.   Известен способ повышения экономичности и давления реализуемый в лопастной турбомашине [1], содержащей рабочее колесо, несущий и покрывные диски, установленные между ними лопатки, каждая из которых имеет на ее выходной части накрылок, имеющий вогнутую рабочую и выпуклую нерабочую торцевые поверхности, расположенную внутри вихревую камеру с конфузорными выходными каналами на выпуклую (нерабочую) торцевую поверхность накрылка с тангенциальными аэродинамическим каналом на рабочей поверхности лопаток.
Данный способ позволяет создать в вихревой камере дополнительное вихревое движение в плоскости рабочего колеса, увеличивая интенсивность циркуляционного течения потока перемещаемой среды вокруг лопаток рабочего колеса, что повышает величину циркуляционных сил, расположенных в плоскостях, параллельных плоскости вращения рабочего колеса.
Согласованность поля циркуляционных сил и плоскости вращения лопаток рабочего колеса повышает эффективность процесса передачи энергии перемещаемой среде, приводит к снижению потерь на вихреобразование, т. е. к росту экономичности 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 и, как результат, незначительно увеличивает давление и экономичность, развиваемое лопастной турбомашиной
Наиболее близким по исполнению к предлагаемому способу повышения экономичности и давления лопастных турбомашин путем увеличения энергии передаваемой ими жидкой или газообразной среде, прироста эффективности ее передачи является способ повышения экономичности и давления лопастных турбомашин [2], включающий в себя подачу одной части жидкой или газообразной среды через всасывающий коллектор турбомашины в межлопаточные каналы рабочего колеса, образованные рабочей и тыльной поверхностями объемных лопаток, а второй части жидкой или газообразной среды через входной коллектор объемных лопаток в их внутреннюю полость, 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 рабочий и тыльной поверхностью лопаток и выход ее с увеличенной потенциальной и кинетической энергией по межлопаточным каналам через нагнетательный коллектор турбомашины, при этом жидкую или газообразную среду, поданную во входной коллектор объемных лопаток по их внутренней полости, направляют к 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.
Этот способ позволяет сделать вихреисточник, формируемый в цилиндрической камере объемной лопатки на ее выходе основным источником энергии существенного смещения точки отрыва потока в направлении выходной кромки лопатки, а также снижения градиентов давления на наружной поверхности цилиндрической камеры объемной лопатки на ее выходе.
Повышение давления и экономичности лопастных турбомашин, реализующих указанный способ, достигается за счет того, что часть перемещаемой жидкой или газообразной среды из всасывающего патрубка на входе на объемные лопатки рабочего колеса через их внутреннюю полость направляют к их выходу, закручивают в интенсивное вихревое движение в цилиндрической камере на выходе из объемных лопаток и смешивают закрученный поток в тангенциальном направлении по наружной поверхности цилиндрической камеры на выходе объемных лопаток с жидкой или газообразной средой, перемещаемой вокруг объемных лопаток рабочего колеса, смещая точку отрыва потока в направлении выходной кромки лопатки, что создает дополнительное циркуляционное течение вокруг лопаток рабочего колеса, являющееся основным источником роста потенциальной и кинетической энергии перемещаемой среды.
Однако направление части перемещаемой жидкой или газообразной среды через входной коллектор объемных лопаток непосредственно на их выходе, где расположена вихревая камера, существенно снижает уровень энергии вихревого течения, исключая возможность ее передачи потоку в межлопаточных каналах рабочего колеса на тыльной поверхности лопаток, где происходит отрывное вихреобразование, снижает эффективность энергетического взаимодействия части перемещаемой среды, закрученной в вихревой камер с циркуляционным потоком в межлопаточном канале рабочего колеса, не обеспечивает устранения вихреобразования и, как результат, достижения с минимальными потерями существенного увеличения потенциальной и кинетической энергии перемещаемой среды, то есть повышение экономичности, увеличение давления, развиваемого лопастной турбомашиной.
Кроме того, вихревая камера увеличивает толщину выходной кромки лопаток рабочего колеса, что приводит к существенным потерям энергии на вихреобразование в «утолщенном кромочном следе» вихревой дорожки Кармана, не позволяя существенно повысить экономичность лопастных турбомашин.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в достижении максимальной эффективности использования в лопастных турбомашинах малой быстроходности кинетической энергии части жидкой или газообразной среды, подаваемой через коллектор на входе в объемные лопатки во внутреннюю их полость для устранения отрывного вихреобразования на тыльной поверхности за счет эжектирующего эффекта струй, снижения локальной диффузорности вследствие увеличения количества жидкой или газообразной среды, перемещаемой по тыльной поверхности лопаток в межлопаточных каналах и устранения интенсивного кромочного следа вихревой дорожки Кармана за выходной кромкой объемных лопаток.
Наиболее эффективно данный способ реализуется в лопастных турбомашинах малой удельной быстроходности, отличающихся высокими значениями коэффициента давления по отношению к их коэффициенту производительности, и соответственно использующими лопатки с профилями большой кривизны, что увеличивает локальную диффузорность на тыльной поверхности лопаток, рост потерь на вихреобразование, устраняемые предложенными способом.
Этот способ позволяет обеспечить устойчивость присоединенных вихрей вокруг объемных лопаток, являющихся гидродинамическим аналогом их профилей, снижает интенсивность вихревой дорожки Кармана за выходной кромкой лопаток, что обуславливает наибольшую эффективность преобразования механической энергии вращения лопаток в потенциальную и кинетическую энергию жидкой или газообразной среды, поступающей из межлопаточных каналов в нагнетательный коллектор турбомашины.
Технический результат повышения экономичности и давления лопастных турбомашин малой удельной быстроходности достигается за счет того, что часть жидкости, подаваемой через входной коллектор объемных лопаток ускоряют в их внутренней полости и с повышенной кинетической энергией подают через конфузорные каналы по касательной к тыльной поверхности объемных лопаток, в том числе и в области их выходной кромки, соответствующей схождению рабочей и тыльной поверхностей, в межлопаточные каналы рабочего колеса, смешивая ее с жидкой или газообразной средой подаваемой в межлопаточные каналы рабочего колеса, увеличивая за счет эжекции кинетическую энергию жидко или газообразной среды на тыльной поверхности объемных лопаток в межлопаточных каналах и на выходе из них в нагнетательный коллектор, что устраняет отрывное вихреобразование на тыльной поверхности объемных лопаток, совмещая точку схода отрыва потока (отрыва потока) с тыльной поверхности лопатки с ее выходной кромкой, являющейся задней критической точкой, уменьшая «кромочный след» вихревой дорожки Кармана, являющейся основным источником потерь энергии, а так же увеличивает циркуляцию жидкой или газообразной среды вокруг объемного профиля лопаток за счет увеличения скорости на ее тыльной поверхности, способствуя росту давления.
Техническим результатом использования предлагаемого изобретения является:
1. Снижение потерь энергии за счет устранения отрывного вихреобразования и, как результат, повышение экономичности (кпд) турбомашины;
2. Повышение циркуляционного течения перемещаемой жидкой или газообразной среды вокруг объемных лопаток и, как результат, увеличение давления, развиваемого турбомашиной;
3. Снижение металлоемкости и габаритов турбомашины;
4. Увеличение степени сжатия на одной ступени применительно к многоступенчатой турбомашине;
5. Снижение уровня шума в области рабочих режимов турбомашины за счет устранения вихреобразования на выходе из рабочего колеса и входе в нагнетательный коллектор.
На фиг. 1-7 приведены лопастные турбомашины радиального и осевого типа соответственно, реализующие предложенный способ повышения экономичности и давления.
На фиг. 1 и 6 изображены лопастные турбомашины радиального и осевого типа соответственно - продольный разрез; на фиг. 2 и 7 изображены рабочие колеса - поперечный разрез; на фиг. 3, 4 и 5 изображены сечения А-А (объемные профильные лопатки рабочего колеса лопастной турбомашины радиального и осевого типа соответственно).
Лопастная турбомашина 1 содержит корпус 2 со всасывающим 3 и нагнетательным 4 коллекторами, рабочее колесо 5 с объемными профильными лопатками 6, имеющие входной коллектор 7 и внутреннюю полость 8 в форме конфузорного канала, аэродинамически соединяющую входной коллектор 7 с выходом 9 из межлопаточного канала 10, образованного тыльной 11 и рабочей 12 поверхностями объемных профильных лопаток 6 по средней линии 13 в их выходной кромке 14 параллельной тыльной поверхности 11.
Кроме того, тыльная поверхность 11 объемных профильных лопаток 6 аэродинамически соединена с внутренней полостью 8 конфузорными каналами 15 с тангенциальным выходом 16 на нее.
Точка отрыва потока 17 на тыльной поверхности 11 лопатки 6 рабочего колеса 5 представляет собой место соединения части потока перемещаемой среды, обтекающей объемную лопатку 6 по ее рабочей поверхности 12 с частью перемещаемой среды, обтекающей ее тыльную поверхность 11 и плавного схода потока перемещаемой среды на выходе с лопатки 6, то есть место, в котором сходятся потоки перемещаемой жидкой и газообразной среды, движущиеся по рабочей 12 и тыльной 11 поверхностям объемной лопатки 6 в режиме безотрывного обтекания, отсутствия кромочного следа, обусловленного вихревой дорожкой Кармана. При отклонении параметров потока на входе на объемные лопатки 6 рабочего колеса 5 точка отрыва потока 17 потока с тыльной поверхности 11 объемной лопатки 6 смещается в направлении противоположном течению жидкой или газообразной среды в межлопаточном канале 10, удаляясь от выходной кромки 14, соответствующей задней критической точке, что приводит к отрывному вихреобразованию, кромочному следу в форме вихревой дорожки Кармана за выходной кромкой 14.
Совмещение точки отрыва 17 жидкой или газообразной среды на тыльной поверхности 11 объемной лопатки 6 рабочего колеса 5 с ее выходной кромкой 14, совпадающей с задней критической точкой способствует режиму обтекания с минимальными потерями энергии.
При этом положение точки отрыва 17 на тыльной поверхности 11 объемной лопатки 6 рабочего колеса 5 влияет на величину развиваемого ею давления.
При вращении рабочего колеса лопастной турбомашины 1 поток жидкой или газообразной среды поступает через всасывающий патрубок 3 на объемные лопатки 6, расслаивается на часть потока, обтекающую объемные лопатки 6 по их рабочей поверхности 12 и тыльной поверхности 11, взаимодействуя с ними, поворачивается в направлении вращения рабочего колеса 5. Другая часть потока за счет разрежения во всасывающем патрубке 3 поступает через входной коллектор 7 объёмных лопаток 6 в их внутреннюю полость 8 и под действием центробежных сил по конфузорным каналам 15 через тангенциальные выходы 16 поступает по касательной к тыльную поверхность 11 лопаток 6 со скоростью значительно превышающей скорость перемещаемой в межлопаточных каналах 10 вдоль тыльной поверхности 11 жидкой или газообразной среды.
Взаимодействие жидкой или газообразной среды с лопатками 6 рабочего колеса 5 турбомашины 1 осуществляется через устойчивую вихревую систему присоединенных вихрей, являющуюся гидродинамическим аналогом профиля лопаток 6. При отклонении аэродинамических параметров на входе во всасывающий коллектор лопастной турбомашины 1 от номинального режима работы происходит деформация вихревой системы вокруг профилей лопаток 6, ее разрыв и, как результат, снижение интенсивности присоединенных вихрей, являющихся гидродинамическим аналогом циркуляционного течения, то есть распределения давления по профилю лопатки согласно теоремы Остроградского-Гаусса. Одновременно со снижением циркуляционного течения происходит рост потерь давления на отрывное вихреобразование через вихревую дорожку Кармана за выходной кромкой 14 объемных лопаток 6, обусловленное возникновением локальной диффузорности, отрицательной циркуляции ускорения потока.
Поток жидкой или газообразной среды, поступающей по конфузорным каналам 15 через тангенциальные выходы 16 по касательной к тыльной поверхности 11 объемных лопаток 6, обладая большой кинетической энергией, взаимодействует с жидкой или газообразной средой, перемещаемой по межлопаточным каналам 10 вдоль тыльной поверхности 11 объемных лопаток 6, уменьшает локальную диффузорность, за счет эжекции устраняет отрицательную (обратную) циркуляцию ускорения потока, восстанавливает устойчивую систему присоединенных вихрей, устраняет вихревую дорожку Кармана, т.е. потери на отрывное вихреобразование.
За счет эжекции, обладая большей кинетической энергией жидкая или газообразная среда из внутренней полости 8 объемных лопаток 6 по конфузорному каналу 15 через тангенциальный выход 16 по касательной к тыльной поверхности 11 в выходной кромке 13 объемных лопаток 6 достигается совмещение точки отрыва потока 17 с выходной кромкой 14, являющейся задней критической точкой, тем самым дополнительно снижаются потери энергии на «кромочный след» вихревой дорожки Кармана.
Увеличение скорости жидкой или газообразной среды на тыльной поверхности 11 объемных лопаток 6, совмещение ее точки отрыва 17 до выходной кромки 14 увеличивает циркуляционное течение потока вокруг лопаток 6, т.е. давление, развиваемое турбомашиной 1 в широком диапазоне режимов ее работы.
Таким образом, высокоэнергетическая часть жидкой или газообразной среды, поступающей через входной коллектор 7 во внутреннюю полость 8 объемных лопаток 6, взаимодействуя с остальной частью жидкой или газообразной среды по конфузорным каналам 15 через тангенциальные выходы 16, обеспечивает устойчивость системы присоединенных вихрей вокруг тыльной 11 и рабочей 12 поверхностей объемных лопаток 6, совмещая точку отрыва потока 17 с ее выходной кромкой 14, способствуя повышению экономичности и давления лопастной турбомашины в широком диапазоне режимов ее работы.
Локальная диффузорность объемных профилей лопаток 6 на их тыльной поверхности 11 принимает отрицательные значения за сечением максимальной толщины, в котором диффузорность равна нулю, то есть положительная локальная диффузорность через «нулевое» значение переходит к отрицательным значениям в силу геометрической форму профилей объемных лопаток 6 по мере перемещения от входного коллектора 7 к выходной кромке 14.
По этой причине подачу высокоэнергетической жидкой или газообразной среды на тыльную поверхность 11 объемных лопаток 6 целесообразно осуществлять от сечения максимальной толщины ее профиля до выходной кромки 43.
Количество подаваемой во внутреннюю полость 8 объемных лопаток 6 жидкой или газообразной среды, обеспечивающее устранение отрывного вихреобразования зависит от площади входного коллектора 7, плоскость которого в номинальном положении перпендикулярна средней линии 13 внутренней полости 8.
Поскольку при отклонении режима работы лопастной турбомашины 1 от номинального требуемый  расход жидкой или газообразной среды,  подаваемой через входной коллектор 7 растет в силу роста интенсивности отрывного вихреобразования по тыльной поверхности 11 объемных лопаток 6, следовательно для достижения наибольшего прироста экономичности в области больших давлений, т. е. режима «дросселирования» по отношению к номинальному режиму больший прирост подаваемой во входной коллектор жидкой или газообразной среды должен быть в режиме «дросселирования».
В этом случае плоскость входного коллектора 7 должна быть наклонена в направлении рабочей поверхности 12 объемных лопаток 6 в плоскости вращения лопаток рабочего колеса 5 на угол α>90°.
В случае оптимизации «форсирующих» режимов работы лопастной турбомашины, т. е. необходимости наибольшего повышения экономичности при большей по отношению к номинальной производительности из-за больших по отношению к номинальному режиму подачи, плоскость входного коллектора 7 должна быть наклонена в направлении к тыльной поверхности 11 объемной лопатки 6, т. е. угол между средней линией 13 и входным коллектором в плоскости вращения лопаток α<90°.
Результаты исследования радиальных турбомашин предложенной конструкции с использованием новой аэродинамической схемы Ц 76.16 позволили достичь роста кпд при отклонении от номинальной производительности в 1,8 раз на 12% с 0,6 до 0,74. Для осевой турбомашины, выполненной по схеме ОВ 29 при вышеуказанном отклонении от номинального режима прирост кпд составил 9% с 0,63 до 0,72.