ТУРБОКОМПРЕССОР Российский патент 1999 года по МПК F04D17/08 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в качестве агрегата воздухоснабжения для двигателей внутреннего сгорания и в газотурбинных двигателях.

Известен турбокомпрессор, состоящий из центробежного компрессора без лопаток во входном устройстве и диффузоре и центростремительной реактивной газовой турбины, которая не имеет лопаток, установленных в корпусе входного направляющего аппарата. Рабочее колесо компрессора установлено на одном валу с колесом турбины, а сам вал не имеет привода вращения от внешнего источника. Отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в турбину и входят в специально спрофилированные межлопаточные каналы рабочего колеса. Проходя через рабочее колесо, газы совершают работу, в результате чего появляется крутящий момент на валу, который приводит во вращение рабочее колесо компрессора. Воздух втягивается во входное устройство компрессора и в рабочем колесе ему сообщается кинетическая и потенциальная /в виде давления/ энергия. Для превращения кинетической энергии в энергию давления за рабочим колесом установлен диффузор, из которого воздух подается в двигатель внутреннего сгорания /1/.

Недостатком турбокомпрессора /при отсутствии регулирования/ является недостаточная благоприятность протекания характеристик для совершенствования показателей ДВС.

Известен также волновой обменник давления, содержащий цилиндрический корпус, в котором с возможностью вращения установлен ротор с радиальными перегородками, образующими каналы трапециевидного сечения /2/.

Ротор приводится во вращение ременной передачей от коленчатого вала двигателя. Левый торец ротора соединен с воздушным подводящим и отводящим трубопроводами, а правый торец - с аналогичными трубопроводами для подвода и отвода выпускных газов. Ротор имеет каналы. Один из каналов ротора с обеих торцевых сторон закрыт и заполнен атмосферным воздухом. При вращении ротора правый торец канала сообщается сначала с окном подвода выпускных газов. В этот момент возникает волна давления, которая распространяется в канале со сверхзвуковой скоростью и сжимает находящийся в нем воздух. Длина канала и частота вращения ротора выбираются таким образом, чтобы к моменту открытия окна на выходе воздуха волна давления достигла левого торца канала. Одновременно в канал, но уже с меньшей скоростью, чем распространяется волна давления, поступают выпускные газы и подобно поршню вытесняют сжатый воздух в выпускной воздушный трубопровод. В тот момент, когда левый торец канала проходит кромку, перекрывающую окно выхода воздуха, выпускные газы заполняют приблизительно две трети канала и отделяются от воздуха зоной перемешивания. После этого оба торца канала снова закрываются, а давление газа в нем становится меньше, чем в зоне входа газа, но выше атмосферного. Поэтому газы вытекают из канала как только ротор поворачивается в положение, при котором канал сообщается с окном выхода газа. При этом создается волна разрежения, которая достигает левого торца канала, когда он подойдет к окну входа воздуха. Под действием перепада давлений канал заполняется свежим воздухом, а выпускные газы по инерции продолжают вытекать в отводной патрубок выхода газа. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующаяся при их непосредственном контакте, полностью вытекают из канала, цикл повторяется. Аналогичные явления происходят в других каналах.

Недостатком волнового обменника давления является необходимость привода от внешнего источника /от ДВС/ и большие габаритные размеры.

Изобретение направлено на снижение размеров агрегатов воздухоснабжения, обеспечение благоприятных рабочих характеристик, на использование энергии газового потока для вращения ротора.

Для этого в известном устройстве, содержащем корпус и ротор с радиальными перегородками, между которыми имеются каналы, выполненные с возможностью временного сообщения с газовыми и воздушными трубопроводами, каналы между перегородками ротора выполнены в виде полукольца, при этом каналы от входа до середины спрофилированы по типу центростремительной реактивной газовой турбины, а от середины до выхода - по типу центробежного компрессора, причем входы в каналы ротора выполнены с возможностью временного соединения по периферии с впускными газовым и воздушным трубопроводами, а выходы из каналов ротора - с выпускными воздушным и газовым трубопроводами, причем каналы между перегородками ротора по периферии ограничены кольцевой поверхностью корпуса.

На фиг. 1 представлен предлагаемый трубокомпрессор в разрезе.

На фиг. 2 - разрез по А-А.

На фиг. 3 - разрез по Б-Б.

Устройство содержит неподвижный корпус 1, в котором с возможностью вращения установлен ротор 2, имеющий радиальные перегородки 3, между которыми имеются каналы 4, которые от входа середины спрофилированы по типу центростремительной реактивной газовой турбины, т.е. по закону профилирования проточной части центробежной газовой турбины, а от середины до выхода - по типу центробежного компрессора, т.е. по закону профилирования проточной части центробежного компрессора, при этом входы 5 в каналы ротора 2 соединены по периферии с впускным газовым трубопроводом 6 и впускным воздушным трубопроводом 7, а выходы 8 из каналов 4 соединены по периферии с выпускным воздушным трубопроводом 9 и с выпускным газовым трубопроводом 10. Каналы 4 между перегородками 3 ротора 2 ограничены по периферии кольцевой поверхностью корпуса 1.

Агрегат работает следующим образом. Один из каналов ротора 2 с обеих сторон закрыт и заполнен атмосферным воздухом. При вращении ротора 2 вход 5 канала 4 сообщается сначала с влажным газовым трубопроводом. В этот момент возникает волна давления, которая распространяется в канале 4 со сверхзвуковой скоростью и сжимает находящийся в нем воздух. Одновременно с этим газ, проходя по турбинной части канала 4, производит работу и вращает ротор 2, а воздух дополнительно поджимается в компрессорной части. Длина канала 4 и частота вращения ротора 2 выбираются таким образом, чтобы к моменту открытия окна в трубопроводе 9 на выходе воздуха волна давления достигла выхода 8 из канала 4. При этом в канал 4, но уже с меньшей скоростью, чем распространяется волна давления, поступают выпускные газы и подобно поршню вытесняют сжатый воздух в выпускной воздушный трубопровод 9. В тот момент, когда канал 4 проходит кромку, перекрывающую трубопровод 9, выпускные газы заполняют приблизительно две трети канала 4 и отделяются от воздуха зоной перемешивания. После этого канал 4 снова закрывается. Когда канал 4 сообщается с выпускным газовым трубопроводом 10 под действием компрессорной ступени и перепада давлений, газ вытекает из канала 4. При этом создается волна разрежения, которая достигает начала 5 канала 4, когда он подходит к впускному воздушному трубопроводу 7. Под действием перепада давлений канал 4 заполняется свежим воздухом, а выпускные газы по инерции продолжают вытекать в выпускной газовый трубопровод 10. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующаяся при их непосредственном контакте, полностью вытекает из канала 4, цикл повторяется. Аналогичные явления происходят в других каналах. Таким образом энергия отработавших газов, проходящих по турбинной части каналов ротора 2, приводит его во вращение и сжимает воздух, который дополнительно поджимается в компрессорной части каналов 4 и под давлением поступает в двигатель внутреннего сгорания.

Источники информации:
1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" / В.П.Алексеев, В.Ф.Воронин, Л.B.Грехов и др.; Под общ.ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1990. -288с.: ил 110.

2. То же, с. 113.

Турбокомпрессор предназначен для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Турбокомпрессор содержит неподвижный корпус, ротор с радиальными перегородками, между которыми имеются каналы. Каналы выполнены в виде полукольца. При этом от входа до середины они спрофилированы по типу центростремительной реактивной газовой турбины, а от середины до входа - по типу центробежного компрессора. Входы в каналы ротора соединены по периферии с впускным газовым трубопроводом и впускным воздушным трубопроводом, а выходы из каналов соединены по периферии с выпускным воздушным трубопроводом и с выпускным газовым трубопроводом. Причем каналы между перегородками ротора, по периферии ограничены кольцевой поверхностью корпуса. Такое выполнение турбокомпрессора позволит снизить его габариты и обеспечить благоприятные рабочие характеристики. 3 ил.

Турбокомпрессор, содержащий корпус и ротор с радиальными перегородками, между которыми имеются каналы, которые выполнены с возможностью временного соединения с газовыми и воздушным трубопроводами, отличающийся тем, что каналы между перегородками ротора выполнены в виде полукольца, при этом каналы от входа до середины спрофилированы по типу центростремительной реактивной газовой турбины, а от середины до выхода - по типу центробежного компрессора, причем входы в каналы ротора выполнены с возможностью временного соединения по периферии с впускными газовым и воздушным трубопроводами, а выходы из каналов ротора - с возможностью временного соединения по периферии с выпускными воздушным и газовым трубопроводами, причем каналы между перегородками ротора по периферии ограничены кольцевой поверхностью корпуса.