СПИРАЛЬНЫЙ КОРПУС ДЛЯ ТУРБОМАШИН Российский патент 1998 года по МПК F01D9/02 F04D29/42 

Изобретение касается спирального корпуса для турбомашин с асимметрично расположенной относительно поперечных сечений спирали, предвключенной радиальной или диагональной дисковой кольцевой камерой дискового диффузора в компрессоре или входной кольцевой камерой турбины и с приблизительно постоянным диаметром основной окружности D_Z.

Из патента США N 3380711 известна входная спираль радиальной турбины с предвключенным сепаратором (смотри фиг. 3). Там спиральный корпус имеет лишь одну спираль с постоянным внутренним радиусом или радиусом основной окружности и с постоянным наружным радиусом при подогнанном в осевом направлении поперечном сечении потока. Уменьшение наружного радиуса с переходом к круглому сечению в зоне начального участка улитки там распознать невозможно.

В известном из ЕСК, Бруно: "Вентиляторы", издательство Шпрингер, Берлин, Гейдельберг и др., 5-ое издание, 1992, стр. 211, 224 уровне техники в соответствии с фиг. 1 спираль выполнена с прямоугольными или круглыми поперечными сечениями и при достижении начального участка улитки у компрессоров переходит в примыкающий диффузор, который в большинстве случаев выполняется в виде конического диффузора. При этом радиус r_Z основной окружности в большинстве случаев постоянный и соответствует наружному радиусу r_S расположенной в спирали дисковой кольцевой камеры. В зоне начального участка могут быть реализованы при этом оптимальные условия течения. При этом при круглом сечении получаются относительно большие радиусы r_Aмакс., которые, в частности, приводят к большим конструктивным затратам, если спираль при высоких давлениях окружена цилиндрическим наружным корпусом, который в этом случае должен иметь большой внутренний диаметр, что обусловлено величиной r_Aмакс..

Для уменьшения r_Aмаск. при заранее заданном наружном радиусе дисковой кольцевой камеры r_S в соответствии с известным из ЕСК, Бруно Вентиляторы, издательство Берлин, Шпрингер, Гейдельберг, 5-ое издание, 1992, с. 213, уровнем техники в соответствии с фиг. 2 часто радиус r_Z основной окружности с увеличением поперченого сечения спирали вытягивается внутрь (r_Z<r_S), причем наружный радиус r_A сохраняется постоянным.

При этом получаются неблагоприятные условия протекания в спирали, потому что замедленный в компрессоре до конца дисковой кольцевой камеры с увеличением радиуса в соответствии с законом момента количества движения поток при последующем переходе к меньшим радиусам в соответствии с законом момента количества движения должен был бы вновь ускоряться.

Так как однако центры образованных радиусом r_K искривления внутреннего контура окружностей больше не расположены на оси рабочего колеса A и искривление внутреннего контура часто имеет непостоянную форму, получаются отличные от закона момента количества движения неясные условия протекания, также в зоне начального участка улитки Z.

Хотя у осевой спирали с постоянным радиусом r_Z основной окружности и постоянным наружным радиусом r_A на окружности в соответствии с известным из ЕСК, Бруно: "Вентиляторы", издательство Шпрингер Берлин, Гейдельбург и др. 5-ое издание, 1992, с. 214, уровнем техники в соответствии с фиг. 3 путем подгонки осевого прохождения L поперечного сечения спирали на увеличивающемся в направлении окружности объемном потоке на большой части угла обхвата γ спирали может быть реализован закон момента количества движения, однако в зоне начального участка улитки получаются неясные условия.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать спиральный корпус, который исключает упомянутые недостатки названного последним уровня техники и, который отличается тем, что при небольших конструктивных затратах обеспечен коэффициент полезного действия потока.

Решение задачи достигается с помощью приведенных в основном пункте формулы изобретения признаков. В дополнительных пунктах формулы изобретения 2-4 описываются предпочтительные варианты выполнения устройства.

В соответствии с изобретением это достигается благодаря тому, что при приблизительно постоянном диаметре основной окружности в примыкающей к зоне I-II начального участка улитки в направлении окружности зоне II-III поперечное сечение спирали приблизительно круглое и после достижения определенного наружного диаметра D_A = D_G увеличивается еще только в осевом направлении.

Оптимальные условия относительно образования созданного асимметричным входящим потоком в спирали канального завихрения имеются тогда, когда площадь круга радиусом при дальнейшем прохождении спирали разделяется на две площади полукруга перпендикулярно к оси с выделенной между ними прямоугольной площадью 2R_G•L, причем эта прямоугольная площадь с увеличением угла охвата γ при постоянных площадях полукруга и постоянном радиальном прохождении 2R_G относительно L все время увеличивается в осевом направлении.

В спирали в соответствии с изобретением с постоянным диаметром окружности и полукруглым осевым ограничением потоку на начальном участке улитки может быть придана оптимальная форма. В данном случае особенно благоприятно, если начало начального участка спирали на нижней и верхней стороне проходит соосно и в направлении окружности постоянного переходит в касательную в месте входа в патрубок спирали.

Оптимальное преобразование давления в примыкающем к спиральной части диффузора получается тогда, когда этот диффузор выполняется с прямой осью и непрерывно переходит от конечного поперечного сечения спиральной части к круглому сечению.

Описанная здесь для компрессора конструкция спирального корпуса при изменении направления протекания справедлива также для спирального корпуса радиального расширителя.

Примеры выполнения изобретения представлены с помощью схематических чертежей, где на фиг. 1 - два сечения круговой спирали с постоянным диаметром основной окружности в соответствии с уровнем техники; на фиг. 2 - два сечения спирали с постоянным наружным диаметром и втянутым внутрь поперечным сечением спирали в соответствии с уровнем техники; на фиг. 3 - два сечения спирали с постоянным по всей окружности наружным диаметром и диаметром основной окружности и с осевым увеличением поперечного сечения спирали в соответствии с уровнем техники; на фиг. 4 - продольный разрез спирали с разверткой поперечного сечения спирали в соответствии с изобретением; на фиг. 5 - поперечный разрез спирали согласно изобретению в соответствии с фиг. 4; на фиг. 6 - разрез примыкающего к спирали концевого диффузора; на фиг. 7 - поперечный разрез развертки начального участка спирали в зоне перехода к концевому диффузору; на фиг. 8 - продольный разрез развертки поперечного сечения спирали между I-I и II-II.

Ниже кратно описывается вышеупомянутые фигуры патента:
фиг. 1 показывает спираль в соответствии с уровнем техники с постоянным радиусом r_Z основной окружности. Предвключенный дисковый диффузор 1 расположен внутри ограниченной внутрь радиусом r_Z спирали 2. Поперечные сечения спирали увеличиваются с увеличением угла обхвата и тем самым увеличивается также наружный радиус r_A до величины r_Aмакс., после достижения которой примыкает конический диффузор 3.

Фиг. 2 показывает спираль в соответствии с уровнем техники с постоянным наружным диаметром D_A, изменяющимся радиусом r_Z основной окружности. Предвключенный дисковый диффузор 1 имеет, за исключением зоны Z начального участка улитки, больший наружный радиус r_S, чем радиус r_Z внутреннего ограничения спирали 2. r_K характеризует изменяющийся радиус искривления внутреннего контура спирали. На переходе между спиралью 2 и выходным патрубком 3 в зоне Z начального участка улитки возникают неясные условия течения.

Фиг. 3 показывает развертывающуюся в осевом направлении спираль в соответствии с уровнем техники, которая также в зоне Z начального участка улитки имеет неясные условия течения.

Фиг. 4 показывает спираль в соответствии с изобретением, в которой в примыкании к дисковому диффузору в поперечных сечениях I-III спирали 2 осуществлена развертка, как у спирали в соответствии с фиг. 1. Такая спираль простиралась бы до поперечного сечения IV с радиусом R_макс. до наружного радиуса r_Aмакс. Благодаря усовершенствованному варианту выполнения в соответствии с изобретением в форме двух полукругов с радиусом R_G в качестве осевого ограничения и с включенным между полукругами прямоугольником площадью 2R_G•L наружный радиус r_A на не увеличивается больше радиуса R_G.

Фиг. 5 показывает поперечный разрез спирали в соответствии с изобретением согласно фиг. 4, причем можно видеть различные зоны окружностей I-II, II-III, III-IV.

Фиг. 6 показывает вид C в соответствии с фиг. 5 концевого диффузора 3, на котором представлен вид A начального поперечного сечения в соответствии с изобретением и вид B обычного круглого концевого поперечного сечения.

Фиг. 7 показывает в деталях зону I-II фиг. 5 с начальным участком 4 спирали.

Фиг. 8 - показывает в деталях радиальный разрез развертки начального участка 4 спирали, верхняя кромка 5 которого наклоняется от параллельного оси направления в направлении T касательной к круговому ограничению патрубка 3.

Спиральный корпус может быть использован в турбомашинах или компрессорах с подключенной дисковой кольцевой камерой. Зона спирали, следующая за начальной зоной, имеет круговые участки поперечного сечения до достижения определенного наружного диаметра D_A=D_G. После чего поперечные сечения спирали возрастают только в осевом направлении. При этом дисковая кольцевая камера расположена в осевом направлении асимметрично к поперечному сечению потока спирали. Диаметр основной окружности спирали является приблизительно постоянной. Такое выполнение спирали обеспечивает при небольших конструктивных затратах высокий КПД. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

\\\1 1. Спиральный корпус для турбомашин с приблизительно постоянным диаметром D<Mv>Z<D> основной окружности и с постоянно увеличивающимися по части окружности радиальными размерами, которые до конца спирали остаются приблизительно постоянными, причем поперечные сечения спирали выполнены увеличивающимися еще только в осевом направлении, отличающийся тем, что примыкающая к зоне I - II начального участка спирали 2 зона II - III до достижения определенного наружного диаметра D<Mv>A<D> = D<Mv>G<D> имеет круглые поперечные сечения спирали, предвключенная радиальная или полуосевая дисковая кольцевая камера 1 дискового диффузора которых у компрессора или входной кольцевой камеры 1 турбины расположена асимметрично относительно поперечных сечений спирали. \\\2 2. Корпус по п.1, отличающийся тем, что по достижении постоянного наружного диаметра D<Mv>G<D> спирали 2 поперечное сечение спирали аксиально ограничено с обеих сторон соответственно площадью полукругов с радиусом $$$ между площадями полукругов расположена связно замыкающая снаружи и внутри прямоугольная площадь 2R<Mv>G<D> L, где L - текущая длина прямоугольной площади. \\\2 3. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нижняя b, d и верхняя a, c стороны начального участка 4 спирали вначале проходят соосно, а верхняя сторона a, c при отклонении к осевому направлению спирали 2 непрерывно переходит в касательную в месте входа спирали 2 в выходной патрубок 3. \\\2 4. Корпус по пп.1 - 3, отличающийся тем, что после места перехода спирали 2 к выходному патрубку 3 осуществляется непрерывный переход к круглому поперечному сечению.