ДИФФУЗОР Российский патент 2012 года по МПК F04D29/44 F04D29/54 F03B11/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, но может найти широкое применение во всех устройствах, содержащих диффузоры.

Наиболее часто в промышленных и бытовых установках используют простейшие плоские, конические или кольцевые диффузоры, основное назначение которых состоит в преобразовании кинетической энергии потока в потенциальную путем снижения скорости течения рабочих тел в расширяющихся по направлению течения каналах. Соответственно, при снижении скорости (согласно уравнению сохранения энергии) его потенциальная энергия возрастает (растет давление в направлении течения рабочей среды) за счет снижения кинетической энергии.

Отсюда вытекает следующая общая формула, объединяющая в единую группу все диффузоры, где указанный выше эффект достигается за счет геометрического воздействия на характер течения в рассматриваемых устройствах.

К числу геометрических диффузоров относятся все устройства, где преобразование кинетической энергии потока в потенциальную осуществляется за счет геометрического воздействия (расширения канала в направлении движения рабочей среды).

Из общего многообразия геометрических диффузоров, объединенных приведенной общей формулой, объектами для реализации предлагаемого изобретения являются плоские, кольцевые и конические диффузоры.

Основными безразмерными геометрическими параметрами указанных диффузоров (фиг.2) являются угол раскрытия (расширения) проточной части α, степень расширения канала , где F₁ - входная, a F₂ - выходная площади диффузора, - относительный шаг ребер плоского диффузора, где t - абсолютный шаг ребер, b - поперечный размер плоского диффузора, и относительная длина или (L - абсолютная длина диффузора, D₁ - диаметр внешнего обвода для конических и кольцевых диффузоров, и h - высота входного сечения в плоском диффузоре).

Основной недостаток известных диффузоров состоит в том, что их максимальная эффективность достигается при угле α порядка 7° независимо от степени расширения n, и при отсутствии отрыва потока величина n определяет степень восстановления давления в диффузоре. Чем выше значение степени расширения n, тем более эффективным оказывается диффузор. Однако при малом значении угла α для достижения высокой эффективности (высокой степени восстановления давления) осевые размеры диффузоров оказываются очень большими. Сократить осевые размеры можно только путем увеличения угла α, но при α>7° течение в диффузорном канале теряет стабильность, а при α>10° наступает отрыв потока, вызывающий не только резкое снижение эффективности диффузоров, но и появляются очень высокие динамические нагрузки на их стенках, снижающие надежность установок, где используются диффузоры (Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. Москва. Энергоатомиздат. 1984 г.).

Предотвратить этот недостаток можно только путем добавочного внешнего воздействия на движущуюся среду.

В конструктивном плане наиболее просто использовать геометрическое воздействие, путем изменения либо формы обводов диффузора, либо путем изменения структуры обтекаемой поверхности.

В предлагаемом изобретении используется именно второй путь воздействия на характер течения рабочих сред в конических, плоских или кольцевых диффузорах.

Обоснование предложенного решения, его конструктивное исполнение и полученные результаты иллюстрируются следующими фигурами:

фиг.1 - диффузоры с продольным оребрением обтекаемых поверхностей внешних обводов: а) плоский диффузор, б) конический диффузор, в) кольцевой диффузор;

фиг.2 - осциллограммы пульсаций давления во входном сечении плоских диффузоров:

а) диффузор с гладкой поверхностью и углом раскрытия канала α≈7°;

б) диффузор с гладкой поверхностью и углом раскрытия α≈15°;

в) диффузор с продольным оребрением и углом α≈15°.

Наиболее близким к предлагаемому решению является диффузор с обтекаемой поверхностью, на которой выполнены продольные канавки прямоугольного профиля глубиной 2-4 мм (Зарянкин А.Е., Грибин В.Г., Парамонов А.Н. Некоторые пути повышения аэродинамической нагрузки на диффузорные элементы турбомашин. // Известия АН СССР. 1989. Выпуск 2. с.40-44).

Такое решение позволило несколько расширить диапазон углов раскрытия диффузора α с безотрывным течением и снизить в 1,3÷1,5 раза уровень динамических нагрузок на обтекаемой поверхности при больших значениях угла α (Носков В.В. Экспериментальное исследование влияния режимов течения на вибродинамическое состояние диффузорных элементов проточных частей турбомашин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва. МЭИ 2010 г. с.24).

Однако абсолютное значение пульсаций давления в таких диффузорах при α>12° оказалось высоким. Так при α=15° амплитуда пульсаций давления в 6 раз превышала аналогичную величину в плоскопараллельном канале. Примерно в таком же соотношении выросли и динамические нагрузки на стенках плоского диффузора.

Поскольку характеристики плоских, конических и кольцевых диффузоров достаточно близко совпадают, то приведенные результаты исследований с полным основанием можно распространить и на конические, и кольцевые диффузоры. Соответственно, для соблюдения единства терминологии стенки плоских и конических диффузоров по аналогии с кольцевыми диффузорами будем называть внешними обводами.

Согласно изобретению предлагается плоский, конический или кольцевой диффузор, содержащий внутренний и внешний обводы, отличающийся тем, что на обтекаемых поверхностях внешних обводов устанавливаются продольные клиновидные ребра, внешние (свободные) кромки которых устанавливаются параллельно продольной оси диффузора, причем вершина клиновидных ребер располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального (входного) размера внешнего обвода, а внутренние кромки ребер повторяют профиль внешнего обвода диффузора.

При относительной длине конических и кольцевых диффузоров продольные клиновидные ребра устанавливаются по всей длине внутренней поверхности диффузора, а при длина ребер L₁ составляет от 40% до 60% общей длины диффузора L (L₁=(0,4÷0,6)L), причем меньшие значения длин ребер относятся к диффузорам с большей общей длиной L₁, где D₁ - внутренний диаметр внешнего обвода во входном сечении.

Суть предлагаемого изобретения иллюстрируется чертежами новых плоских, конических диффузоров, приведенных на фигуре 1.

В данном случае на расходящихся стенках 1 плоского диффузора (его внешних обводах) (фиг.1,а) и внешних обводах 1 конического (фиг.1,б) и кольцевого диффузоров (фиг.1,в) с внутренней обтекаемой потоком стороны устанавливаются продольные клиновидные ребра 2, внешние (свободные) кромки которых располагаются параллельно продольной оси диффузора, причем вершина клиновидных ребер располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального (входного) размера внешнего обвода, а внутренние кромки ребер повторяют профиль внешнего обвода диффузора.

Для относительно коротких конических и кольцевых диффузоров (. L - длина диффузора, a D₁ - диаметр входного сечения) ребра располагаются по всей длине, а при длина ребер L₁=(0,4÷0,6)L (меньшие значения длин ребер относятся к диффузорам с большей общей длиной L).

Установка продольных ребер указанным образом снижает локальный положительный градиент давления во входном сечении, не уменьшая при этом его проходную площадь, а создание с помощью ребер изолированных друг от друга камер для расширения потока способствует стабилизации течения в самой опасной с точки зрения отрыва потока области за счет введения добавочных поверхностей, увеличивающих сцепление потока с внешней стенкой диффузора.

Угловой шаг установки предлагаемых ребер для осесимметричных диффузоров составляет θ=10÷20°, а для плоских диффузоров линейный шаг равен t=10÷25 мм.

Результаты предлагаемого решения наглядно иллюстрируются соответствующими осциллограммами пульсаций давления, полученных на расстоянии L₂=0,1L от входного сечения плоских диффузоров (фиг.2).

Здесь на фигуре 2,а приведена осциллограмма пульсаций давления для диффузора с углом α=7°, которая принята в качестве базы для сравнения.

При отсутствии продольных ребер (гладкая поверхность) увеличение угла α до 15° привело к росту амплитуды пульсаций примерно в 4 раза (фиг.2,б). При установке ребер амплитуда пульсаций давления оказалась даже ниже, чем в оптимальном диффузоре (α≈7°) (фиг.2,в).

В итоге полные потери энергии по сравнению с обычными диффузорами при α<15° увеличиваются всего на 3%, при α=15° оказываются такими же, а при α>15° заметно снижаются.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет существенно расширить диапазон допустимых с точки зрения динамических нагрузок углов раскрытия проточной части рассматриваемых диффузоров до 15÷20° и тем самым существенно (в 2-3 раза) сократить их длину практически без потери экономичности.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения. Предлагается устанавливать на обтекаемых поверхностях внешних обводов 1 плоских, конических или кольцевых диффузоров клиновидные ребра 2. Внешние свободные кромки ребер 2 устанавливаются параллельно продольной оси диффузора. Вершина клиновидных ребер 2 располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального входного размера внешнего обвода 1. Внутренние кромки ребер 2 повторяют профиль внешнего обвода 1 диффузора 1. Изобретение направлено на расширение диапазона допустимых с точки зрения динамических нагрузок углов раскрытия проточной части диффузоров до 15-20° и тем самым сокращение их длины практически без потери экономичности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плоский, конический или кольцевой диффузор, содержащий внутренний и внешний обводы, отличающийся тем, что на обтекаемых поверхностях внешних обводов устанавливаются продольные клиновидные ребра, внешние свободные кромки которых устанавливаются параллельно продольной оси диффузора, причем вершина клиновидных ребер располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального входного размера внешнего обвода, а внутренние кромки ребер повторяют профиль внешнего обвода диффузора.

2. Диффузор по п.1, отличающийся тем, что при относительной длине конических и кольцевых диффузоров продольные клиновидные ребра устанавливаются по всей длине внутренней поверхности диффузора, а при длина ребер L₁ составляет от 40 до 60% общей длины диффузора L (L₁=(0,4÷0,6)L), причем меньшие значения длин ребер относятся к диффузорам с большей общей длиной L, где D₁ - внутренний диаметр внешнего обвода во входном сечении.