ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F03B17/00 F04D17/06 

Изобретение относится к турбомашиностроению и относится к конструкциям вихревых машин, в частности турбомашин со свободновихревой камерой и открытыми рабочими лопатками, предназначенных для работы в качестве малоразмерных гидротурбин с низкопотенциальной энергией рабочего тела.

Известна вихревая турбомашина [1], содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, рабочее колесо с диском, на внутренней поверхности которого расположены лопатки. Повышение экономичности известной турбомашины достигается за счет повышения эффективности вихреобразования во внутреннем периферийном канале.

Недостатком такой турбомашины является то, что в ее проточной части невозможно использовать рабочее тело, обладающее низкопотенциальной энергией, так как в этом случае из-за низкого давления во впускном патрубке рабочее тело при многократном поступлении в межлопаточные каналы колеса, а из них в вихревой канал, уже на первых участках отдает всю избыточную энергию рабочему колесу и дальнейшее течение рабочего тела по окружности в такой конструкции будет проходить с поглощением энергии. В этом случае, в вихревой турбомашине на выходном участке межлопаточные каналы рабочего колеса будут работать в насосном режиме, отдавая часть энергии рабочему телу для его проталкивания в выходной патрубок и снижая, таким образом, экономичность рассматриваемой вихревой машины.

Цель изобретения - повышение эффективности и рациональное использование низкопотенциальной энергии рабочего тела при работе вихревой турбомашины за счет организации свободновихревой закрутки рабочего тела в вихревой камере.

Заявляемая вихревая турбомашина, работающая на низкопотенциальной жидкости, снабжена центробежным спиралевидным завихрителем с открытыми со стороны вихревой камеры рабочими каналами и рабочим колесом с открытыми лопатками, охватывающими противополож- ную от завихрителя и периферийную стороны вихревой камеры. Нижняя часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного осевого патрубка и торцевой глухой стенкой кольцевого входного патрубка. Такие технические решения обладают отличительными признаками в сравнении с прототипом и аналогичными решениями. На основании этого можно сделать вывод, что данное решение имеет существенные отличия.

Сущность изобретения состоит в том, что в пределах центробежного спиралевидного завихрителя рабочий поток жидкости, поступающий из входного кольцевого патрубка движется к периферии по спиральным рабочим каналам с постоянной, относительно полюса, степенью закрутки и, взаимодействуя через открытые рабочие каналы со стороны рабочего колеса с жидкостью, находящейся в вихревой камере, за счет массообмена и сил трения, вызывает ее интенсивную подкрутку. Движение рабочей жидкости в пределах вихревой камеры в результате такой организации подвода энергии способствует формированию свободного вихря, т. е. отвечает закону вращения твердого тела вокруг неподвижной оси. Обладая, таким образом, кинетической энергией, рабочая жидкость в вихревой камере при взаимодействии с периферийными и боковыми открытыми лопатками передает свою энергию рабочему колесу турбомашины. Происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости в механическую энергию вращения рабочего колеса. Для постоянного поддержания энергообмена, отработанная часть рабочей жидкости удаляется из вихревой камеры через выпускной осевой патрубок. Энергетический баланс и получение требуемой мощности турбины осуществляется в этом случае за счет увеличения расхода или плотности рабочей жидкости. Проходные сечения спиральных каналов центробежного завихрителя с увеличением расхода способствуют с минимальными потерями создать в вихревой камере необходимую интенсивность закрутки потока. При этом, объем рабочей части вихревой камеры соизмерим с объемом каналов центробежного завихрителя. Использование вихревой турбомашины со свободновихревым рабочим колесом расширяет функциональные возможности вихревой машины, так как способствует применению ее в качестве вихревого турбопривода в областях народного хозяйства, где применение других турбомашин становится неэффективным.

Поставленная цель достигается тем, что в корпусе вихревой турбомашины установлен центробежный спиралевидный завихритель с открытыми со стороны вихревой камеры спиральными каналами, а рабочее колесо снабжено открытыми лопатками, охватывающими противоположную от завихрителя и периферийную стороны вихревой камеры. Нижняя часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного осевого патрубка и торцевой стенкой кольцевого входного патрубка. Такое конструктивное решение позволяет организовать закрутку рабочей жидкости в вихревой камере по закону свободного вихря, т.е. скорость в каждом кольцевом сечении вихревой камеры активной жидкости пропорциональна радиусу сечения и каждая частица жидкости движется с одной и той же угловой скоростью. Такая организация потока активной жидкости в пределах вихревой камеры способствует равномерному съему энергии в соответствующих радиальных сечениях рабочего колеса. В центральной части вихревой камеры, где располагается выхлопной патрубок, вращение и, следовательно, кинетическая энергия отработанной жидкости минимальна и, соответственно, потери энергии минимальны. Преобразование кинетической энергии свободновращающейся жидкости в вихревой камере в механическую энергию вращения диска рабочего колеса турбины позволяет использовать в качестве рабочего тела любую жидкость, в том числе и жидкость с низкопотенциальной энергией.

На фиг. 1 изображен продольный разрез вихревой турбомашины; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, где изображена проточная часть центробежного спиралевидного завихрителя; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, где изображено рабочее колесо с открытыми лопатками.

Движение жидкости отсутствует.

Вихревая турбомашина содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, вал 4, рабочее колесо 5 с открытыми лопатками 6, вихревую камеру 7 и центробежный спиралевидный завихритель 8 со спиральным каналом 9.

Вихревая турбомашина работает следующим образом.

Энергоемкая жидкость подводится в проточную часть центробежного спиралевидного завихрителя 8 по кольцевому каналу входного патрубка 2.

При течении по спиральному каналу 9 жидкость подвергается закрутке. В результате массообмена и энергообмена посредством открытой части спирального канала 9, закрученная жидкость вызывает вращение рабочей жидкости в вихревой камере 7. Кинетическая энергия рабочей жидкости передается открытым лопаткам 6 и рабочее колесо 5, аккумулируя механическую энергию, приводит во вращение вал 4.

Повышение эффективности турбомашины достигается за счет организации свободновихревой закрутки рабочего тела в кольцевой вихревой камере.

Использование: турбомашиностроение, в частности, конструкция турбомашины со свободновихревой камерой и открытыми рабочими лопатками, предназначенных для работы в качестве малоразмерных гидротурбин с низкопотенциальной энергией рабочего тела. Сущность изобретения: турбомашина содержит корпус с впускными и выпускными патрубками и вихревой камерой, рабочее колесо с диском, на внутренней поверхности которого расположены лопатки, при этом корпус снабжен центробежным спиралевидным завихрителем с открытыми рабочими каналами со стороны вихревой камеры, открытые лопатки рабочего колеса охватывают противоположную от завихрителя и периферийную сторону вихревой камеры, выпускной патрубок выполнен осевым, а впускной - кольцевым и охватывающим выпускной патрубок, а центральная часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного патрубка и торцевой поверхностью входного патрубка. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА, содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками и вихревой камерой, рабочее колесо с диском, на внутренней поверхности которого расположены лопатки, отличающаяся тем, что, с целью расширения диапазона работы путем рационального использования низкопотенциальной энергии рабочего тела и повышения эффективности работы вихревой машины в турбинном режиме за счет организации свободновихревой закрутки рабочего тела в вихревой камере, корпус снабжен центробежным спиралевидным завихрителем с открытыми рабочими каналами со стороны вихревой камеры. 2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что открытые лопатки рабочего колеса охватывают противоположную от завихрителя и периферийную сторону вихревой камеры. 3. Турбомашина по п.2, отличающаяся тем, что выпускной патрубок выполнен осевым, а впускной - кольцевым и охватывающим выпускной патрубок, при этом центральная часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного патрубка и торцевой поверхностью входного патрубка.