ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ДИФФУЗОР Российский патент 1995 года по МПК F01D25/30 F15D1/08 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкции патрубков и камер отбора паровых турбин, теплообменных устройствах и т.п.

Одна из важнейших технических задач, которая должна быть решена при конструировании диффузора, состоит в обеспечении равномерного распределения потока на выходе из диффузора при одновременном обеспечении малых потерь энергии.

Известен широкоугольный диффузор, содержащий корпус с большим углом раскрытия диффузорного канала.

При таком решении неизбежно возникает отрыв потока, который сопровождается потерей энергии, и потому это решение не удовлетворяет ни одному из указанных выше требований.

Задача устранения отрыва потока частично решается в известном широкоугольном диффузоре, содержащем корпус и установленный внутри корпуса расширяющийся обтекатель со скругленной вершиной, образующий со стенками корпуса диффузорный канал.

Однако в выходном сечении такого диффузора имеет место большая неравномерность потока, обусловленная затенением обтекателем большой обработки выходного сечения. В реальных же конструкциях требуется обеспечить не только допустимый уровень потерь, но и равномерное поле потока на выходе диффузора.

Таким образом, ни одна из известных конструкций широкоугольного диффузора не позволяет получить равномерное распределение потока и малые потери энергии.

Предлагаемое изобретение направлено на решение этой технической задачи, а именно на обеспечение достаточной степени равномерности распределения потока на выходе из диффузора при малых потерях энергии.

В соответствии с изобретением в широкоугольном диффузоре, содержащем корпус и установленный внутри диффузора расширяющийся по ходу потока обтекатель со скругленной вершиной, образующий со стенками корпуса диффузорный канал, эта задача решается тем, что обтекатель выполнен с криволинейным вогнутым перфорированным выходным участком, примыкающим к корпусу, а площадь проходного сечения канала между корпусом и обтекателем на входе канала не более площади входного сечения широкоугольного диффузора.

Благодаря наличию вогнутого перфорированного участка обтекателя, через который проходит весь поток, обеспечивается безотрывное течение при значительно меньшей степени затенения обтекателем, что повышает равномерность потока на выходе из диффузора, а в совокупности с этим выполнение кольцевого канала между стенками корпуса и обтекателем с проходным сечением на входе не выше входного сечения широкоугольного диффузора позволяет обеспечить малый уровень потерь за счет повышения стабильности течения.

На фиг. 1 представлен разрез широкоугольного диффузора; на фиг.2 кривые зависимостей коэффициентов полных потерь ζ_nот безразмерной скорости λ а) в диффузоре описанном в (1); б) в диффузоре-прототипе); в) в предлагаемом диффузоре; на фиг.3 графики распределения динамических напоров в выходном сечении диффузора.

Широкоугольный диффузор содержит корпус 1 с углом раскрытия α ≥40^о, в котором расположен расширяющийся обтекатель 2, представляющий собой соосный с корпусом 1 конус со скругленной вершиной 3, переходящий в выходной части в криволинейный вогнутый (если смотреть с наружной стороны обтекателя 2) участок 4, например, тороидальный. Криволинейный участок 4 выполнен перфорированным. Суммарная площадь перфорирующих отверстий 5 определяет степень расширения диффузора.

Между стенками корпуса 1 и обтекателем 2 образован диффузорный канал 6. Проходное кольцевое сечение на входе канала 6 выполнено не более входного сечения широкоугольного диффузора. Выходной участок 4 обтекателя примыкает (вплотную или с небольшим зазором) к корпусу 1.

При течении рабочего тела в диффузоре происходит превращение кинетической энергии потока в потенциальную, сопровождающееся уменьшением скорости и ростом давления к выходному сечению, то есть имеет место течение с положительным градиентом давления > 0
В диффузорах с углами раскрытия канала α ≥ 10-15^о кинетической энергии потока в пристеночных слоях становится уже недостаточно для преодоления положительного градиента давления, что приводит к отрыву потока. Отрыв потока сопровождается неустойчивым характером течения, повышенным уровнем потерь энергии и шума. В диффузорах с углами раскрытия превышающих 40^о место отрыва перемещается к входному сечению и имеет место ярко выраженное нарушение симметрии потока, т.е. отрыв становится односторонним. На стороне отрыва образуется стационарный вихрь, занимающий 60-80% проходного сечения канала. Уровень потерь в таких диффузорах достигает 80%
В диффузорах с углами раскрытия α ≥ 40-50^о без использования активных способов воздействия на поток, таких как вдув и отсос, можно добиться повышения экономичности путем частичного заполнения канала установкой различного рода обтекателей. Недостатком данного метода является образование затененных зон в выходном сечении канала.

При течении рабочего тела по диффузору предлагаемой конструкции поток обтекает скругленную вершину 3 обтекателя 2 и проходит по диффузорному каналу 6 между корпусом 1 диффузора и обтекателем 2, а затем проходит через перфорированные криволинейный участок 4 обтекателя, равномерно заполняя выходное сечение широкоугольного диффузора.

Наличие скругленного участка 3 обтекателя и то, что площадь входного участка диффузорного канала 6 между корпусом 1 и обтекателем 2 не превышает площади входного участка широкоугольного диффузора, обеспечивая равномерное, безотрывное обтекание криволинейного обтекателя.

Равномерность потока в выходном сечении обеспечивается прохождением потока через перфорацию 5 криволинейных участков обтекателя по нормам к перфорированной поверхности. Поток заполняет не только периферийные, но и в значительной мере центральную область выходного сечения диффузора.

Такая конструкция обеспечивает значительно более низкий уровень потерь и равномерное поле потока на выходе по сравнению с известными конструкциями широкоугольных диффузоров.

Из приведенных графиков (фиг.2) видно, что диффузор предлагаемой конструкции имеет наименьшие потери, причем по сравнению с диффузором без обтекателя снижение потерь достигает 40%
На фиг. 3 представлены сравнительные графики распределения динамических напоров в выходных сечениях исследуемых диффузоров. Если в первых двух случаях имеет место очень большая неравномерность потока (кривые "а" и "б"), то в диффузоре предлагаемой конструкции поле динамических напоров практически равномерно (кривая в).

Использование: в области энергомашиностроения и при конструировании выхлопных патрубков и камер отбора паровых турбин. Сущность изобретения: широкоугольный диффузор выполнен с расположенным соосно с корпусом 1 расширяющимся обтекателем 2 со скругленной вершиной 3 и криволинейным вогнутым выходным участком 3, примыкающим к стенкам корпуса. Криволинейный участок обтекателя 2 выполнен перфорированным. Диффузорный кольцевой канал 6 между корпусом 1 и обтекателем 2 имеет выходное сечение не более входного сечения широкоугольного диффузора. Это обеспечивает безотрывное течение потока при значительно большей, чем у известных конструкций, равномерности распределений потока на выходе диффузора и малых потерях энергии. 3 ил.

ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ДИФФУЗОР, содержащий корпус и соосно установленный внутри корпуса расширяющийся по ходу потока полый обтекатель со скругленной вершиной и основанием, образующий со стенками корпуса диффузорный кольцевой канал, отличающийся тем, что обтекатель выполнен с примыканием основания к торцу корпуса, при этом участок обтекателя в зоне выхода выполнен перфорированным и вогнутым по направлению движения потока, а площадь поперечного сечения диффузорного кольцевого канала на входе не превышает площади входного поперечного сечения диффузора.