МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F04D17/06 F04D5/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в компрессорных, вакуумных и насосных установках, а также в гидропневмодвигателях.

Известна многоступенчатая вихревая машина, содержащая последовательно соединенные друг с другом рабочие камеры, заключенные между статором корпуса и ротором (см. авт.св. СССР N 1583644, кл. F 01 D 13/00, 1988). Недостатком данной машины является низкий КПД, обусловленный перетечками рабочей среды из высоконапорного патрубка машины в низконапорный патрубок по кольцевым зазорам между цилиндрическими поверхностями ротора и статора.

Прототипом предложенной машины является вихревая машина, содержащая корпус со статором, выполненным в виде пакета колец, вал с ротором, выполненным в виде пакета дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора, и опоры вала, размещенные в корпусе, причем рабочие камеры, заключенные между дисками ротора и кольцами статора, последовательно сообщены друг с другом перепускными каналами и радиальными и осевыми зазорами между кольцами и дисками статора и ротора (см. Анохин В.Д. и Богатырев А.Г. Теория и расчет вихревых турбомашин. М., Всесоюзный заочный машиностроительный институт, 1986, с. 59-60, рис. 5.3).

В этой машине значительно снижены обратные перетечки рабочей среды со стороны нагнетания в сторону всасывания по зазорам между статором и ротором благодаря их большой протяженности и сложной конфигурации. Однако при работе данной машины на роторе возникает осевое усилие, обусловленное разностью давлений в крайних рабочих камерах, воспринимаемое опорами и снижающее надежность их работы.

Целью изобретения является повышение надежности работы вихревой турбомашины.

Для этого в заявленной многоступенчатой вихревой машине, содержащей корпус со статором, выполненным в виде пакета колец ,вал с ротором, выполненным в виде пакета дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора, и опоры вала, размещенные в корпусе, рабочие камеры, заключенные между дисками ротора и кольцами статора, последовательно сообщены друг с другом перепускными каналами и радиальными и осевыми зазорами между кольцами и дисками статора и ротора и расположены симметрично плоскости поперечного сечения ротора, корпус выполнен с одним всасывающим отверстием, сообщенным со средними смежными камерами, и двумя нагнетательными отверстиями, сообщенными с крайними камерами, опоры расположены с противоположных сторон ротора, одна из опор зафиксирована в корпусе и на валу от продольного перемещения, а другая выполнена плавающей, осевые зазоры между кольцами и дисками выполнены увеличивающимися в сторону плавающей опоры, статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора, расположенного между статором и корпусом со стороны плавающей опоры, при этом сопротивление нагнетательного отверстия, сообщенного с камерой, расположенной со стороны плавающей опоры, выполнено большим, чем сопротивление другого нагнетательного отверстия.

Кроме того, по крайней мере в одном нагнетательном отверстии может быть размещен регулируемый дроссель, обеспечивающий облегчение получения необходимой разницы давлений в нагнетательных отверстиях для выравнивания давлений, действующих на ротор с противоположных сторон.

При снабжении машины датчиками давлений, установленными в крайних рабочих камерах, и блоком управления, входы которого связаны с датчиками, а выход - с приводом упомянутого регулируемого дросселя, обеспечивается автоматическая настройка дросселя в процессе работы без участия обслуживающего персонала.

На чертеже представлена вихревая турбомашина, общий вид.

Вихревая машина содержит корпус 1 со статором, выполненным в виде пакета колец 2, и ротор, выполненный в виде пакета дисков 3. Каждый диск 3 расположен между кольцами 2 статора и зафиксирован на валу 4. Вал 4 установлен в корпусе на опорах 5 и 6, расположенных с противоположных сторон ротора, причем одна из опор, например опора 5, зафиксирована в корпусе и на валу от продольного перемещения, а опора 6 выполнена плавающей.

Рабочие камеры 7, заключенные между дисками 3 и кольцами 2, расположены симметрично плоскости поперечного сечения ротора и сообщены друг с другом перепускными каналами 8 и радиальными и осевыми зазорами 9 и 10 между кольцами 2 и дисками 3. В каждой рабочей камере размещены лопатки 11 и отсекатель 12, закрепленные на дисках и кольцах соответственно.

Средние смежные рабочие камеры 7 сообщены с одним общим всасывающим отверстием 13 корпуса 1, а каждая крайняя камера - с одним из двух нагнетательных отверстий 14 и 15, расположенных в корпусе с противоположных сторон ротора. При этом сопротивление нагнетательного отверстия 14, расположенного со стороны плавающей опоры 6, больше чем сопротивление отверстия 15.

Осевые зазоры 10 между кольцами и дисками выполнены увеличивающимися в сторону опоры 6, т.е. чем ближе к опоре 6 расположены диски и кольца, тем осевой зазор 10 между ними больше.

Статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора 16, расположенного между корпусом и статором со стороны опоры 6.

В крайних рабочих камерах 7 установлены датчики давлений 17 и 18, связанные с блоком 19 управления. Выход блока управления связан с приводом 20 регулируемого дросселя 21, установленного в одном из нагнетательных отверстий. На выходе из нагнетательных отверстий установлены глушители 22 и 23 шума.

Блок управления может содержать первый сумматор, один вход которого соединен с одним входом блока управления непосредственно, а второй вход - с другим входом блока управления через инвертор, второй сумматор, один вход которого подключен к задатчику 27 статического сигнала, второй вход - к выходу первого сумматора, а выход через усилитель к выходу блока управления.

В режиме насоса машина работает следующим образом.

При вращении ротора рабочая среда засасывается через отверстие 13 и разделяется на два потока, попадая в средние смежные камеры. В каждой рабочей камере среда под действием на нее лопаток и стенок рабочей камеры начинает совершать спиралевидное движение, направленное к перепускному каналу, сообщенному с последующей рабочей камерой. Таким образом, рабочая среда, проходя двумя потоками последовательно от средних рабочих камер к крайним с меньшим поперечным сечением, повышает свое давление и выбрасывается через нагнетательные отверстия.

При этом по осевым и радиальным зазорам 9 и 10 между кольцами статора и дисками ротора происходят обратные перетечки рабочей среды во всасывающее отверстие 13, снижающие давление в крайних рабочих камерах 7.

В номинальном режиме работы машины после стабилизации температуры элементов машины происходит их тепловая деформация. При этом удлинение статора относительно корпуса компенсируется упором 16, ротора - плавающей опорой 6, а изменение взаимного положения дисков ротора и колец статора - осевыми зазорами 10, которые для этого увеличиваются в сторону опоры 6.

Поскольку осевые зазоры с противоположных сторон от всасывающего отверстия 13 не одинаковы, обратные перетечки рабочей среды из камеры, расположенной со стороны опоры 6, больше, чем из противоположной камеры, что должно было бы привести к разнице давлений в крайних рабочих камерах и возникновению осевого усилия на роторе, нагружающего опору. Однако благодаря тому, что сопротивление нагнетательного отверстия 14 больше, чем отверстия 15, рабочая точка на характеристике камеры, расположенной со стороны опоры 6, смещается в зону пониженного расхода и более высокого напора относительно рабочей точки противоположной камеры. Разность давлений в этих камерах, вызванная обратными перетечками рабочей среды, компенсируется в результате разностью давлений от неравенства напора в камерах, расположенных симметрично относительно плоскости поперечного сечения.

Для более точной компенсации разности давлений, вызванной обратными перетечками, измеряются давления в крайних рабочих камерах с помощью датчиков 17 и 18 и по ним на блоке 19 управления вырабатывается сигнал, управляющий положением регулируемого дросселя 21. При работе машины в режиме двигателя давление подается в нагнетательные отверстия.

Использование: в энергомашиностроении, в компрессорных, вакуумных и насосных установках, а также в гидропневмодвигателях. Сущность изобретения: при расположении рабочих камер машины симметрично относительно плоскости поперечного сечения ротора усилия от давления среды в рабочих камерах на ротор с противоположных сторон от плоскости симметрии взаимно вычитаются, а разница давлений в рабочих камерах с противоположных сторон от плоскости симметрии, обусловленная различными обратными перетечками среды во всасывающее отверстие, компенсируется за счет разности сопротивлений нагнетательных отверстий. Различие обратных перетечек рабочей среды во всасывающий патрубок обусловлено выполнением осевых зазоров между кольцами статора и дисками ротора увеличивающимися в сторону плавающей опоры вала из соображений компенсации температурных деформаций элементов во время ее работы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА, содержащая корпус с всасывающим и нагнетательными отверстиями, установленный в нем пакет колец статора и ротор, имеющий вал с расположенными на нем пакетом дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора с образованием рабочей камеры, причем рабочие камеры последовательно сообщены одна с другой посредством перепускных каналов, радиальных и осевых зазоров, опоры вала, размещенные в корпусе, отличающаяся тем, что рабочие камеры расположены симметрично относительно плоскости среднего поперечного сечения ротора, всасывающее отверстие расположено в средней части корпуса и сообщено со средними смежными камерами, а крайние рабочие камеры сообщены с нагнетательными отверстиями, опоры размещены с противоположных сторон ротора, причем одна из опор зафиксирована от продольного перемещения, а другая - выполнена плавающей, осевые зазоры между кольцами и дисками выполнены переменными, увеличивающимися в сторону плавающей опоры, статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора, расположенного между крайним кольцом статора со стороны плавающей опоры, и корпусом, при этом сопротивление нагнетательного отверстия, сообщенного с камерой, расположенной со стороны плавающей опоры, выполнено большим, чем сопротивление другого нагнетательного отверстия. 2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере в одном нагнетательном отверстии размещен регулируемый дроссель. 3. Турбомашина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками давлений, установленными в крайних рабочих камерах, и блоком управления, входы которого связаны с датчиками, а выход - с приводом регулируемого дросселя.