СПОСОБ РАБОТЫ ДИФФУЗОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1998 года по МПК F04F5/44 F01D25/30 

Изобретение относится к турбокомпрессоростроению и испытательным станциям авиационных двигателей, а конкретно к диффузорным устройствам. Может найти применение для преобразования энергии выхлопной струи ГТД при работе утилизационной турбины и котла-утилизатора.

Известно диффузорное устройство для расширения потока [1], принятое в качестве аналога. Диффузорное устройство содержит две вихревые камеры, снабженные отверстиями для отвода газа и коническую втулку.

Известен способ и устройство для регулирования давления на срезе сопла реактивного двигателя - камера Эйфеля, которая используется для высотных испытаний авиационных двигателей [2], ближайшая по технической сущности и принятая за прототип. При работе двигателя в камере разрежения создается переменное разрежение, величина которого регулируется дроссельной заслонкой, стоящей в патрубке, соединенном с атмосферой. Камера содержит технологическое сопло с эластичным уплотнением, собственно камеру разрежения, патрубок с дросселем, камеру смешения и диффузор.

Недостатком прототипа является то, что он имеет высокое гидравлическое сопротивление в камере разрежения и не позволяет осуществить регулирование давления на входе в диффузор при давлении в камере разрежения выше атмосферного.

Задачей изобретения является регулирование давления на входе в диффузор при условии снижения гидравлического сопротивления.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе работы диффузора, включающем перепуск газа на вход в диффузор и поддержание за счет перепуска необходимого давления на входе, поток подвергают воздействию внезапного расширения и организуют единое циркуляционное течение - стоячий вихрь, при уменьшении давления на входе в диффузор ниже необходимого уменьшают перепуск газа из области вихря в область пониженного давления до восстановления необходимого давления на входе в диффузор, при этом дроссель перепуска газа из области повышенного давления в область вихря закрыт, если восстановление необходимого давления не достигается при полностью закрытом перепуске газа из области вихря в область пониженного давления, открывают перепуск газа из области повышенного давления в область вихря, при увеличении давления на входе в диффузор выше необходимого, перепуск газа из области повышенного давления в область вихря уменьшают до достижения необходимого давления на входе в диффузор, при этом дроссель перепуска газа из области вихря в область пониженного давления закрыт, если восстановление необходимого давления на входе в диффузор не достигается при полностью закрытом перепуске газа из области повышенного давления в область вихря, открывают перепуск газа из области вихря в область пониженного давления.

В устройстве для осуществления способа, содержащем последовательно расположенные входной участок, вихревую камеру, сообщенную с атмосферой, и диффузорный участок, стенки вихревой камеры спрофилированы по линиям тока потенциального вихря, вихревая камера сообщена через коллектор, имеющий систему отверстий, равномерно расположенных по его длине с двумя патрубками, имеющими дроссельные заслонки, один из которых сообщен с выходом из диффузора или с источником повышенного давления, другой сообщен с атмосферой или с источником пониженного давления, при этом площадь входного участка меньше площади входа в диффузорный участок, входной участок имеет острую кромку, а перепускные отверстия или щели коллектора вихревой камеры выполнены тангенциальными, по касательным к линиям тока вихря.

Сущность способа заключается в следующем: поток газа на входе в диффузор подвергается воздействию внезапного расширения, образуя единое циркуляционное течение - стоячий вихрь, который позволяет увеличить радиальную составляющую скорости газа на входе в диффузор и обеспечивает устойчивое безотрывное течение газа при больших углах раскрытия диффузора. Единое циркуляционное течение - стоячий вихрь позволяет снизить гидравлическое сопротивление. Оно организовано за счет специального профилирования стенок вихревой камеры по методу конформных отображений, предложенного Ринглебом (Friederich O. Ringleb Two-dimensional flow with standing vortexes in ducts and diffusers. /Journal of Basic Engineering, December 1960 pp. 921 - 928).

Повышение давления на входе в диффузор достигают увеличением расхода газа через диффузор либо путем уменьшения перепускаемого расхода из области вихря в область пониженного давления, либо путем увеличения перепускаемого расхода в область вихря из области повышенного давления. В результате увеличения расхода газа через диффузор уменьшается продольный градиент давления и, при неизменных геометрических характеристиках диффузора, давление на входе повысится. Понижение давления на входе в диффузор достигают уменьшением расхода газа через диффузор либо путем уменьшения перепускаемого расхода из области высокого давления в область стоячего вихря, либо увеличением перепускаемого расхода из области стоячего вихря в область пониженного давления. В результате уменьшения расхода газа через диффузор увеличивается продольный градиент давления и, при неизменных геометрических характеристиках диффузора, давление на входе понизится.

На фиг.1 представлена картина течения в диффузоре; на фиг.2 - диффузор, продольный разрез; на фиг. 3 - схемы возможных расположений перепускных отверстий или щелей коллектора вихревой камеры.

Устройство (фиг.2) содержит последовательно расположенные входной участок 1 с острой кромкой 2, вихревую камеру 3 и диффузорный участок 4. Стенки вихревой камеры 3 выполнены по линиям тока потенциального вихря, вихревая камера 3 сообщена через коллектор 5, имеющий систему отверстий или щелей 6, равномерно расположенных по его длине, с двумя патрубками, один из которых 7, имеющий дроссельную заслонку 8, сообщается с атмосферой или источником пониженного давления, другой 9, имеющий дроссельную заслонку 10, сообщен с выходом из диффузора 11, имеющий коллектор 12 с системой отверстий или щелей 13 для отбора газа. При этом перепускные отверстия или щели 6 коллектора 5 (фиг. 3) выполнены тангенциальными, по касательным к линиям тока вихря, что позволяет осуществить перепуск с минимальными гидравлическими потерями.

Работает устройство следующим образом.

Поток газа (фиг. 1), проходя через входной участок 1, под воздействием внезапного расширения отрывается от острой кромки 2, обтекает вихревую камеру 3 и образует в ней единое циркуляционное течение - стоячий вихрь. Для снижения потерь энергии потока на образование и поддержание циркуляционного течения стенки вихревой камеры 3 спрофилированы по линиям тока потенциального вихря. При снижении давления на выходе из диффузора 11 и, следовательно, снижении давления на входе его 1, например, при отключении пенного котла - утилизатора, для поддержания необходимого давления на входе 1 открывают дроссельную заслонку 10, осуществляют перепуск газа с выхода диффузора 11 через щели или отверстия 13, коллектор 12, патрубок 9, коллектор 5 и отверстия или щели 6 в вихревую камеру 3. При этом дроссельная заслонка 8 закрыта. При повышении давления на выходе из диффузора 11 и, следовательно, повышении давления на его входе 1, например, при включении пенного котла - утилизатора, для поддержания необходимого давления на входе 1 закрывают дроссельную заслонку 10, уменьшают перепуск газа с выхода диффузора 11 в вихревую камеру 3. В случае невозможности понизить давление на входе 1 до необходимого при полностью закрытой дроссельной заслонке 10 открывают дроссельную заслонку 8, осуществляют перепуск газа из вихревой камеры 3 через отверстия или щели 6, коллектор 5, патрубок 7 в область пониженного давления.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют регулировать давление газа на входе в диффузор, снизить гидравлические потери, обеспечить устойчивое безотрывное течение газа при больших углах раскрытия диффузора, повысить за счет перерасширения удельные параметры авиационных турбовинтовых и турбовальных двигателей, что может найти применение в диффузорах камер сгорания; в системах, преобразующих кинетическую энергию газа в энергию давления; в системах регулирования выходной мощности приводных газотурбинных установок; в системах полной утилизации энергии выхлопных газов на испытательных станциях авиационных ГТД и приводных ГТУ.

Способ работы диффузора и устройство для осуществления способа предназначены для преобразования энергии выхлопной струи. На входе в диффузор поток подвергают воздействию внезапного расширения и организуют циркуляционное течение. При уменьшении давления на входе в диффузор уменьшают перепуск газа из области циркуляционного течения в область пониженного давления. При увеличении давления на входе в диффузор перепуск газа из области повышенного давления в область циркуляционного течения уменьшают. В устройстве стенки вихревой камеры выполнены по линиям тока потенциального вихря. Вихревая камера сообщена через коллектор с двумя патрубками, имеющими дроссельные заслонки, один из которых сообщен с выходом из диффузора или с источником повышенного давления, а другой сообщен с атмосферой или с источником пониженного давления. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы диффузора, включающий перепуск газа на вход в диффузор и поддержание за счет перепуска необходимого давления на входе, отличающийся тем, что на входе в диффузор поток подвергают воздействию внезапного расширения и организуют единое циркуляционное течение - стоячий вихрь, при уменьшении давления на входе в диффузор ниже необходимого уменьшают перепуск газа из области вихря в область пониженного давления до восстановления необходимого давления на входе в диффузор, при этом дроссель перепуска газа из области повышенного давления в область вихря закрыт, если восстановление необходимого давления не достигается при полностью закрытом перепуске газа из области вихря в область пониженного давления, открывают перепуск газа из области повышенного давления в область вихря, при увеличении давления на входе в диффузор выше необходимого, перепуск газа из области повышенного давления в область вихря уменьшают до достижения необходимого давления на входе в диффузор, при этом дроссель перепуска газа из области вихря в область пониженного давления закрыт, если восстановление необходимого давления на входе в диффузор не достигается при полностью закрытом перепуске газа из области повышенного давления в область вихря открывают перепуск газа из области вихря в область пониженного давления. 2. Устройство для осуществления способа, содержащее последовательно расположенные входной участок, вихревую камеру, сообщенную с атмосферой, и диффузорный участок, отличающееся тем, что стенки вихревой камеры выполнены по линиям тока потенциального вихря, вихревая камера сообщена через коллектор, имеющий систему отверстий или щелей, равномерно расположенных по его длине, с двумя патрубками, имеющими дроссельные заслонки, один из которых сообщен с выходом из диффузора или источником повышенного давления, другой сообщен с атмосферой или источником пониженного давления, при этом площадь входного участка меньше площади входа в диффузорный участок, а входной участок имеет острую кромку. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что перепускные отверстия или щели коллектора вихревой камеры выполнены тангенциальными, по касательной к линиям тока вихря.