ТУРБОМАШИНА Российский патент 2001 года по МПК F02C3/73 

Изобретение относится к области энергетики и, в частности, к турбокомпрессорным двигателям.

Известна турбомашина, содержащая статор и ротор с дисками, каждый из которых содержит компрессорные и турбинные лопаточные венцы (см. US 2430399, МКИ 60-264, 1947, фиг. 3-5).

Недостатком известного двигателя являются большие его габариты.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является уменьшение габаритов, упрощение конструкции, снижение его массы и потерь воздуха на охлаждение.

Поставленная задача решается за счет того, что в турбомашине, содержащей статор и ротор с дисками, каждый из которых содержит компрессорные и турбинные лопаточные венцы, имеется колесо центробежного компрессора закрытого типа, снабженное ободом с турбинными лопатками на внешней поверхности и внутренней тороидальной канавкой, сопряженной с расположенным внутри диффузором с изогнутыми назад по ходу ротора криволинейными лопастями. Турбомашина также может содержать барабан с турбинными и компрессорными лопатками на внешней и внутренней поверхностях, диски, один из которых закреплен на валу турбомашины, а другой - посредством подшипников сопряжен с неподвижной цапфой, внутри барабана установлена оболочка с направляющими лопатками и с диском. Один из дисков закреплен на цапфе, а другой сопряжен с валом посредством подшипника. Турбомашина может быть выполненной многоступенчатой. Турбомашина может иметь закрепленную на валу втулку из антифрикционного материала с дросселирующими отверстиями, соединенными с источником сжатого воздуха, на которой с возможностью свободного вращения установлена часть рабочих колес компрессора и турбины. Диск центробежного компрессора имеет лопатки центростремительной турбины. Статор турбомашины на входе снабжен диафрагмой, полость за которой сообщена с полостью сжатого воздуха на выходе из компрессора.

На фиг. 1 изображен осевой разрез турбомашины с барабаном.

На фиг. 2 изображен осевой разрез турбомашины с центробежным компрессором, центростремительной турбиной и осевыми компрессором и турбиной.

На фиг. 3 изображен осевой разрез турбомашин с центробежным компрессором, тороидальной канавкой и диффузором.

На фиг. 4 изображен разрез А-А фиг. 3.

Турбомашина содержит статор 1 (см. фиг. 1) с направляющими лопатками 2, внутри которого на валу 3 установлен ротор с дисками 4, 5 и барабаном 6. Диск 4 скреплен с валом, диск 5 посредством подшипника 7 подвижно с возможностью вращения сопряжен с неподвижной цапфой 8 статора. На внешней поверхности барабана 6 прочно закреплены или выполнены за одно целое (например, литьем) рабочие лопатки 9 турбины, на внутренней поверхности барабана установлены лопаточные венцы 10 компрессора. На внешней поверхности венцов, сопряженной с барабаном, могут быть выполнены гребешки в виде винтовой резьбы, оптимизирующие площадь контакта и теплообмен между лопатками турбины и компрессора. Внутри барабана размещена неподвижная оболочка 11 с диском 12, сопряженным с валом посредством подшипника 13, и с диском 14, неподвижно закрепленным на цапфе 8. На оболочке 11 имеются посадочные поверхности, на которых неподвижно установлены венцы 15 с направляющими лопатками компрессора.

При вращении ротора в рабочем тракте осевого компрессора с лопатками 10, 15 осуществляется сжатие воздуха, который направляется в камеру сгорания (на чертеже не изображена), продукты сгорания поступают в рабочий тракт турбины с лопатками 2, 9, где расширяются, совершая работу на компрессор и на вал двигателя.

Положительный эффект инновации заключается в сокращении габаритов и массы двигателя примерно в 2 раза, повышении эффективного КПД благодаря охлаждению лопаток турбины теплопередачей в тракт компрессора и повышении таким образом максимально допустимой температуры газа в турбине.

Вариант на фиг. 2 содержит статор 1 с направляющим венцом 16, имеющим турбинные лопатки 17 и компрессорные 18. На валу 19 закреплены диск 20 с турбинными и компрессорными лопатками и диск 21 с лопатками 22, 23 центробежного компрессора и центростремительной турбины. Между дисками зажата втулка 24 из антифрикционного материала, на которой с газовой смазкой сжатым воздухом из полости 25 через отверстие 26 и дроссельные каналы 27 установлены диски 28, 29, также снабженные турбинными и компрессорными лопатками. Разделительный диск 30 может быть выполнен сдвоенным с воздушной прослойкой 31, устраняющей чрезмерный теплообмен между трактами центробежной части машины.

Действует машина подобно двигателю на фиг. 1; особенность заключается в том, что диски 28, 29 образуют автономный узел, выполняющий функции свободного турбокомпрессора, не связанного с валом и более быстроходного, т.е. с окружными скоростями 300. ..400 м/с, характерными для турбин. Лопатки этих дисков вращаются относительно дисков 20, 21 в противоположном направлении, благодаря чему устраняется необходимость в двух направляющих венцах, упрощается конструкция, уменьшаются габариты и масса. Вал 19 является выходным валом быстроходного роторного двигателя, для которого устройство на фиг. 2 является агрегатом турбонаддува, частота вращения его примерно в два раза ниже, чем у дисков 28, 29.

Турбомашина на фиг. 3, 4 содержит вал 32, на котором установлены колеса 33 с лопатками 34 центробежного компрессора закрытого типа. На периферии колес имеются ободы с внутренней тороидальной канавкой 35, обеспечивающей поворот потока воздуха на вход в диффузоры 36 центростремительного типа, снабженные направляющими лопатками 37, 38, изогнутыми назад по ходу вала. Диффузоры неподвижно соединены или выполнены за одно целое с направляющими венцами 39 осевой турбины, скрепленными со статором; венцы с турбинными лопатками 40 установлены на ободах центробежных колес. Подобно варианту на фиг. 2 по меньшей мере одно из колес 33 может быть установлено на валу 32 с возможностью автономного вращения с более высокой частотой. Рабочие тракты компрессоров и турбин на фиг. 1, 2, 3, 4 расположены коаксиально (соосно) и расположены один внутри другого (на фигурах компрессорный тракт внутри турбинного). Машина при наличии камеры сгорания 41 может функционировать в качестве автономного турбокомпрессорного двигателя, без камеры может входить в состав комбинированного ДВС в качестве агрегата турбонаддува и продолженного расширения. С улиткой 42 статора соединена диафрагма 43, образующая полость 44, которая сообщена с полостью 45 повышенного давления, например, трубопроводом, что обеспечивает снижение осевой силы давления газов, приложенной к ротору.

Турбомашина содержит статор и ротор с дисками, каждый из которых имеет компрессорные и турбинные лопаточные венцы. Турбомашина также содержит колесо центробежного компрессора закрытого типа, снабженное ободом с турбинными лопатками на внешней поверхности и с внутренней тороидальной канавкой, сопряженной с расположенным внутри диффузором с изогнутыми назад по ходу ротора криволинейными лопастями. Турбомашина содержит также барабан с турбинными и компрессорными лопатками на внешней и внутренней поверхностях, диски, один из которых закреплен на валу турбомашины. Другой диск посредством подшипников сопряжен с неподвижной цапфой. Изобретение позволяет уменьшить габариты турбомашины. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Турбомашина, содержащая статор и ротор с дисками, каждый из которых содержит компрессорные и турбинные лопаточные венцы, отличающаяся тем, что она содержит колесо центробежного компрессора закрытого типа, снабженное ободом с турбинными лопатками на внешней поверхности и с внутренней тороидальной канавкой, сопряженной с расположенным внутри диффузором с изогнутыми назад по ходу ротора криволинейными лопастями. 2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что она содержит барабан с турбинными и компрессорными лопатками на внешней и внутренней поверхностях, диски, один из которых закреплен на валу турбомашины, а второй посредством подшипников сопряжен с неподвижной цапфой, внутри барабана установлена оболочка с направляющими лопатками и с дисками, один из которых закреплен на цапфе, а другой сопряжен с валом посредством подшипника. 3. Турбомашина по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она выполнена многоступенчатой. 4. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что на валу закреплена втулка из антифрикционного материала с дросселирующими отверстиями, соединенными с источником сжатого воздуха, на которой с возможностью свободного вращения установлена часть рабочих колес компрессора и турбины. 5. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что диск центробежного компрессора имеет лопатки центростремительной турбины. 6. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что статор ее на входе снабжен диафрагмой, полость за которой сообщена с полостью сжатого воздуха на выходе из компрессора.