ТУРБОХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 2000 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к устройствам, предназначенным для охлаждения атмосферного воздуха, поступающего в салоны наземного транспорта, в производственные помещения горячих цехов, шахты, а также воздуха в хирургических операционных высокостерильных помещениях с сильным освещением и герметизацией для сохранения стерильности.

Известен турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.], известны также центробежные компрессоры и центростремительные турбины с покрывными экранами на лопатках [Траупель В. Тепловые турбомашины (паровые и газовые турбины, компрессоры). Том первый. Тепловой и аэродинамический расчет. - М. - Л.: Госэнергоиздат. 1961. - с. 214].

Недостатком устройства [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.] является подогрев воздуха от трения при переходе его из каналов вращающегося колеса компрессора на неподвижные элементы статора, а также от трения при разгоне газа в сопловых неподвижных лопатках турбины и в щелевом конфузоре при переходе во вращающиеся каналы ее колеса.

Это трение существенно подогревает воздух в малоразмерных и малорасходных устройствах. В них необходим дополнительный отвод теплоты от воздуха, более глубокое его изобарное охлаждение после сжатия в компрессоре перед расширением в турбине, с одновременным отводом теплоты трения в теплообменниках. Все это увеличивает их габариты. Кроме того, в книге [Жирицкий Г.С. и др. Газовые турбины летательных аппаратов. - М.: Машиностроение. 1971. - с. 236] на странице 236 отмечена недопустимость ширины радиальных лопаток турбины менее 3 мм в местах перехода воздуха из сопловых каналов в каналы рабочего колеса из-за возможного смыкания пограничных слоев в узких каналах. Аналогична оговорка в книге [Стечкин Б.С. и др. Теория реактивных двигателей (лопаточные машины). - М. : Оборонгиз. 1956. - с. 89] на странице 89. Основное трение имеет место в пограничных слоях газового потока. Переход потока из неподвижных каналов во вращающиеся или наоборот из вращающихся каналов в неподвижные при околозвуковых окружных скоростях дает существенный подогрев воздуха в этих местах перехода.

К недостатку устройства [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95. ] следует отнести и необходимость дополнительного насоса или вентилятора для прокачки охладителя через специальный теплообменник.

Кроме того, в устройстве [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.] не используется окружная околозвуковая скорость вращения ротора для дополнительного сжатия воздуха на входе за счет скоростного напора во вращающихся приемных входных устройствах на внешнем радиусе ротора при набегании их на невращающийся воздух. Также не используется эта окружная околозвуковая скорость ротора для дополнительного расширения воздуха с обратной вращению закруткой во вращающихся соплах, расположенных на внешнем радиусе ротора на выходе из последней ступени турбины. Следует отнести к недостаткам и неиспользование вращения ротора для охлаждения его атмосферным воздухом в относительном движении при самопроизвольной циркуляции этого воздуха между покрывными экранами.

Эти перечисленные недостатки влияют на габариты теплообменника, вызывая их увеличение или требуют понижения температуры охладителя в теплообменнике, требуется специальный насос для его прокачки, что в естественных условиях снижает эффективность работы устройства в целом.

Задачей изобретения является снижение габаритов и веса турбохолодильника, обеспечение эффективности его работы при любых малых расходах охлаждаемого циклового воздуха, особенно чувствительного к подогреву от трения в местах перехода из вращающихся каналов в неподвижные или наоборот, при околозвуковых окружных скоростях в местах перехода.

Поставленная задача решается тем, что турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии, в отличие от прототипа снабжен дополнительными парами, состоящими из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки имеют покрывные экраны, диски последовательно расположены по оси, покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска, дополнительно введено оребрение экранов, а в кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия, а центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора, и центростремительная турбина последней ступени на выходе из нее имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора, а в корпусе над приемными отверстиями центростремительных вращающихся диффузоров сжатия выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха, также и над выходными отверстиями центробежных вращающихся конфузоров расширения выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха, причем в полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения, а перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран.

Выполнение отверстий на периферии кольцевого выступа диска и расположение покрывных экранов как продолжение покрывных экранов облопачиваний компрессора и турбины с расположением на экранах как снаружи, так и между лопатками компрессора и турбины дополнительного оребрения позволяет передаваться теплоте от воздуха через оребренные экраны к атмосферному воздуху уже в процессе его сжатия, а также при переходе через отверстия в кольцевом выступе диска и в процессе расширения на турбине на обратной стороне диска. То есть вращающиеся экраны выполняют роль теплообменных поверхностей, а попарно расположенные компрессоры и турбины выполняют роль элементов теплообменника, в котором воздух петлеобразно движется от корня к периферии при сжатии в роторе компрессора под экраном с затратой работы на увеличение окружной скорости, а после прохождения отверстий на периферии кольцевого выступа диска движется к корню с расширением в роторе турбины под экраном с возвращением полученной в компрессоре работы из-за уменьшения окружной скорости. Таким образом, все силы замкнуты внутри ротора теплообменника компрессорно-турбинного типа, в котором нет неподвижных спрямляющих или сопловых лопаток, нет зон перехода воздуха от неподвижных элементов к вращающимся и наоборот, от вращающихся к неподвижным - потери трения сведены к минимуму. Интенсификация теплообмена здесь обеспечивается кориолисовыми и центробежными силами и оребрением между лопатками и снаружи. Число ступеней может изменяться по требованиям глубины охлаждения в турбохолодильнике.

Расположение приемного аппарата на входе в первую ступень центробежного компрессора в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора обеспечивает дополнительное предварительное сжатие воздуха за счет скоростного напора от вращения, с подогревом его из-за этого сжатия. Повышение давления при этом определится как

где u_n - окружная скорость ротора на периферии, где расположены приемные отверстия для входа не вращающегося охлаждаемого циклового воздуха; ρ - плотность воздуха на входе; а повышение температуры определится как

где C_p - изобарная теплоемкость воздуха.

Постановка аппарата выпуска на выходе из последней центростремительной турбины в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора обеспечивает дополнительное понижение давления и охлаждение воздуха. В аппарате выпуска происходят процессы, обратные процессам в приемном аппарате, и эти процессы компенсируются в пределах турбохолодильника друг другом в пределах влияния трения и отвода теплоты через стенки воздуху атмосферы по пути движения охлаждаемого циклового воздуха. Аналогично компенсируются работы сжатия и расширения по разные стороны дисков турбокомпрессорного холодильника, но из-за отвода теплоты через покрывные экраны атмосферному охлаждающему воздуху работа расширения в центростремительной турбине несколько ниже, чем работа сжатия в центробежном компрессоре, и необходим привод ротора турбохолодильника во вращение от постороннего источника энергии.

Размещение трубок подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и трубок отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха в полостях между покрывными экранами первого центробежного компрессора и его приемного аппарата, а также между покрывными экранами центростремительных турбин и покрывными экранами центробежных компрессоров, с отогнутыми выпускными отверстиями по направлению вращения у трубок подвода и с отогнутыми приемными отверстиями против направления вращения, обеспечивает использование вращения ротора для интенсивного охлаждения его атмосферным воздухом в относительном движении, при самопроизвольной циркуляции его между покрывными экранами. Вращение экранов обеспечивает подвод атмосферного воздуха в полость между ними из неподвижных трубок подвода в сторону вращения, но с окружной составляющей скоростью меньшей, чем окружная околозвуковая скорость экранов, что обеспечивает интенсивное охлаждение экранов. За оборот атмосферного воздуха в полости между экранами его окружная скорость, из-за трения об экраны, возрастет, и он, достигнув выходных отверстий трубок отвода, покидает за счет скоростного напора турбохолодильник, унося теплоту от периодически сжимаемого и расширяемого охлаждаемого циклового воздуха, проходящего внутри ротора. Таким образом, отпадает необходимость в насосах или вентиляторах и вообще необходимость выносных теплообменников.

Использование отличительных признаков в заявляемом устройстве позволит существенно поднять технический уровень турбохолодильника на новую ступень за счет повышения степени сжатия в первых ступенях компрессора, за счет увеличения глубины расширения в последних ступенях турбин охлаждения, за счет исключения неподвижных лопаточных аппаратов и мест перехода охлаждаемого циклового воздуха из вращающихся каналов в неподвижные и наоборот, из неподвижных во вращающиеся с околозвуковыми окружными скоростями, что позволяет работать с любыми малыми расходами воздуха без существенного подогрева его от трения, за счет использования вращения ротора для интенсификации теплообмена между охлаждающим атмосферным воздухом и охлаждаемым цикловым без дополнительных насосов или вентиляторов и специальных теплообменников.

Сущность турбохолодильника пояснена чертежами.

На фиг. 1 изображен заявляемый турбохолодильник, поперечное сечение, с отверстиями на периферии кольцевых выступов дисков, с покрывными экранами компрессоров и турбин, замкнутыми над отверстиями выступов дисков, с оребрением экранов между лопатками компрессора и турбины, с приемным аппаратом в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия за счет скоростного напора от вращения, с аппаратом выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения, с трубками подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - симметричные сечения В-В и С-С фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Д-Д фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Е-Е фиг. 1.

Турбохолодильник содержит корпус 1, в котором размещены опоры 2 и 3. В опорах расположен вал 4 с первым диском 5 и первым покрывным экраном 6 приемного аппарата с системой центростремительных вращающихся диффузоров сжатия 7, образованных лопатками 8, с возможностью вращения, с набором дисков 9 с отверстиями 10 на периферии, на обоих сторонах которых симметрично расположены лопатки центробежного компрессора 11 и лопатки центростремительной турбины 12 с последующими покрывными экранами облопачивания компрессора 13 и облопачивания турбины 14, под которыми между лопатками компрессора и турбины расположено дополнительное оребрение 15, а также с диском 16 и последним покрывным экраном 17 аппарата выпуска с системой центробежных вращающихся конфузоров расширения 18, образованных лопатками 19. В корпусе выполнены отверстия 20 входа охлаждаемого циклового воздуха и отверстия 21 его выхода, а также расположены в полостях между покрывными экранами трубки 22 подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки 23 отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения. Перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран 24.

Турбохолодильник работает следующим образом. При вращении вала 4 с угловой скоростью ω в опорах 2 и 3 вращающиеся диффузоры сжатия 7 набегают на невращающийся охлаждаемый цикловой воздух, поступающий через отверстия 20 в корпусе и за счет скоростного напора, в относительном движении с перемещением к центру, где окружная скорость мала, сжимают его с повышением температуры, и затем он засасывается на вход первой ступени центробежного компрессора с лопатками 11, где он дополнительно сжимается, потребляя работу с дополнительным повышением температуры с переходом к периферии первого диска 9, где он переходит через отверстия 10 в диске на сторону центростремительной турбины с лопатками 12 и с гашением окружной скорости движется к центру, совершая работу. При этом теплота передается от охлаждаемого циклового воздуха через экраны 13 и 14 с оребрением 15 охлаждающему воздуху, поступающему в полость между экранами из атмосферы через трубки 22 и эвакуируемому из этой полости через трубки 23. Вращение ротора автономно обеспечивает циркуляцию охлаждающего воздуха и не требуется какого-либо насоса или вентилятора. Периодическое сжатие и расширение циклового воздуха происходит и в последующих ступенях турбокомпрессоров, выполняющих роль специального теплообменника. После охлаждения циклового воздуха в последней центростремительной турбине он попадает во вращающиеся конфузоры расширения 18, где расширяется с разгоном до скорости, равной окружной скорости выпускных отверстий, и охлажденный дополнительно за счет совершения работы покидает турбохолодильник через отверстия 21 в корпусе без закрутки. Отражательный экран 24, который может быть как неподвижным, так и вращающимся, уменьшает перетечки теплоты от охлаждающего атмосферного воздуха к более охлажденному цикловому воздуху при расширении его в конфузорах 18 на последней стадии. Число ступеней турбокомпрессоров определяется расходом охлаждаемого циклового воздуха, потребной глубиной его охлаждения при заданных оборотах и радиальных габаритах ротора.

Предлагаемый турбохолодильник позволяет уменьшить вес габариты и повысить эффективность работы устройства.

В турбохолодильнике центробежные компрессоры и центростремительные турбины расположены попарно. Их лопатки размещены на общих дисках и имеют покрывные экраны. Диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии и последовательно расположены по оси. Покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска. Дополнительно введено оребрение экранов. В кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия. Центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора. Центростремительная турбина последней ступени на выходе имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора. В корпусе над приемными отверстиями диффузоров выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха. Над выходными отверстиями конфузоров выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха. В полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха. Перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран. Использование изобретения позволит уменьшить вес, габариты и повысить эффективность работы устройства. 5 ил.

Турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными парами, состоящими из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки имеют покрывные экраны, диски последовательно расположены по оси, покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска, дополнительно введено оребрение экранов, а в кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия, а центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора и центростремительная турбина последней ступени на выходе из нее имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора, а в корпусе над приемными отверстиями центростремительных вращающихся диффузоров сжатия выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха, также и над выходными отверстиями центробежных вращающихся конфузоров расширения выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха, причем в полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения, а перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран.