Турбомашина /ее варианты/ Советский патент 1992 года по МПК F01D1/38 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к газовым турбинам различной мощности, оно может быть использовано в качестве компрессора.

Известна паровая или газовая турбина, содержащая ротор, на наружной конической поверхности которого выполнены винтовые каналы трапециевидного сечения, закрытые кожухом; на входе каналы соединены с направляющим аппаратом в виде сопел Лаваля, на выходе - с лопаточным венцом. Известное устройство является турбиной трения, принцип действия которой заключается в торможении высокоскоростного потока газа в винтовых каналах, передачей механического импульса газа ротору посредством сил трения и давления и созданием дополнительного крутящего момента на лопаточном венце.

Основным недостатком указанной конструкции являются низкий КПД, характерный для машин трения с неизбежными

необратимыми потерями, а также высокая частота вращения ротора вследствие большой окружной скорости венца, сопоставимой со скоростью звука.

Цель изобретения - турбомашина, лишенная указанных недостатков, т. е. обладающая высоким КПД при относительно низкой частоте вращения силового вала.

Указанная цель достигается другим принципом действия турбомашины, т. е. исполнением ее статора и ротора в виде сопряженных частей акустического волнообменника с последовательно соединенными при вращении ротора резонирующими каналами.

На фиг. 1 изображена турбомашина в осевом разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1.

Турбомашина содержит статор 1 с аксиально-наклонными каналами 2, перемычками 3, впускными патрубками 4 и выпускными патрубками 5. Минимальное число патрубков 4 и 5 - два, при многосекЁ

Х| Х|

О 00

00

ционном исполнении число патрубком увеличивается пропорционально числу секций, в предельном случае число патрубков может быть равно числу каналов 2. В статоре на подшипниках 6 установлен ротор 7 с глухими аксиально-наклонными каналами 8. Глухие каналы статора и ротора могут быть выполнены, например, литьем; в мелкосерийном производстве достаточно технологичным является исполнение аксиально-наклонных каналов 2 и 8 в виде многоэаходной резьбы на внешних цилиндрических поверхностях статора и ротора, снаружи канала закрыты кожухами 9 и 10, которые неподвижно соединены со статором и ротором, например, напрессованы. Внутренние уступы кожухом закрывают внешние торцы каналов, т, е. заглушают их, Угол наклона / каналов статора в соответствии с треугольником скоростей газа и ротора выполняется несколько больше угла наклона «каналов ротора, Суммарная длина каналов ротора и статора соответствует определенному соотношению:

i - СMl

л -СУ (1)

где С - скорость звука в рабочем газе;

г - число каналов в роторе;

со- частота вращения ротора, об/с.

Кроме того, длина каналов h статора исполняется переменной в окружном направлении, т. е, уменьшающейся от впускного патрубка, где она выбирается несколько больше половины I, к выпускному патрубку, где И 1/2.

Для уменьшения пульсации величины крутящего момента на роторе рекомендуется расположить каналы ротора и статора по окружности с разным угловым шагом, например, выполнить число каналов ротора на один больше или меньше числа каналов статора,

Для повышения КПД машины путем разгрузки ротора от осевых усилий и соответствующего снижения потерь на трение целесообразно исполнение ротора с двумя разнесенными по его длине рядами каналов с разным (правым и левым) направлением винтовой линии (подобно шевронной шестерне), причем каналы в этом случае могут быть как глухими, так и сквозными, т. е. могут соединяться в плоскости симметрии; статор в этом варианте состоит из двух частей, сопряженных с двумя торцами ротора с обоих сторон.

Возможно исполнение кожуха 10 неподвижно скрепленным с корпусом машины и с минимальным зазором сопряженным

с ротором, однако такое исполнение сопровождается увеличением уплотняемого периметра каналов, Действует турбомашина следующим образом: при вращении ротора

7 и подключении впускного патрубка 4 к источнику сжатого газа соединение патрубка с аксиально-наклонным каналом 8 ротора вызывает в последнем ударную волну, которая отражается от заглушенного конца ка0 нала, возвращается к открытому концу в области зазора h и проникает в канал 2 статора, вход которого за время прохождения ударной волны в канале 8 совмещается вследствие вращения ротора с открытым

5 концом канала 8; процесс отражения ударной волны повторяется в канале статора, затем снова в канале ротора и так последовательно со ступенчатым падением давления порция сжатого газа расширяется во

0 всех каналах статора и ротора, после чего выпускается через патрубок 5 наружу или в холодильник (в агрегатах с замкнутым циклом). Таким образом, турбомашина функционирует как волнообменный двигатель,

5 пульсирующий поток газа в котором генерирует стоячие акустические волны с длиной, вдвое превышающей суммарную длину I каналов, при этом узлы максимального давления волн расположены на заглушенных

0 концах каналов-резонаторов, а максимальные амплитуды и скорости колебания газа - в области зазора h. Последовательное расширение газа в каналах сопровождается снижением его температуры и скорости зву5 ка, это обстоятельство компенсируется уменьшением суммарной длины И - каналов-резонаторов по ходу ротора.

При колебаниях газа в каналах вдоль их оси возникает реактивная сила, окружная

0 компонента которой создает на роторе 7 крутящий момент. Действие варианта сдвоенной турбомашины, когда вторая ее часть является зеркальным отражением первой части относительно плоскости симметрии,

5 аналогично, при этом осевые силы, приложенные к обоим половинам ротора с шевронными каналами, взаимно скомпенсированы и не воспринимаются подшипниками. Машина работоспособна при сквозном (не заглушенном)

0 исполнении шевронных каналов; функциональным эквивалентном глухой стенки или акустического отражателя в этом случае служит ударная волна второй части канала ротора, взаимно отражающаяся от волны в

5 первой части канала, поскольку волны приходят в плоскость симметрии машины в про- тивофазе. По сравнению с прототипом, являющимся машиной трения, предложенная турбомашина характеризуется относительно низкими скоростями газа,

локализованными в малой части длины каналов вблизи зазора h, поэтому потери на трение в каналах значительно меньше и выше КПД. Как следует из формулы (1), оптимальная частота вращения ротора находится в обратной зависимости от длины и числа каналов ротора, поэтому создание турбины с малой частотой вращения ротора (примерно в 20 раз меньшей, чем у прототипа) не представляет проблемы. Сле- довательно, устраняется в ряде случаев потребность в понижающем редукторе (например,в шлифмашинках), упрощается конструкция привода, повышается надежность. При использовании машины в качест- ее компрессора вращение ротора от внешнего привода осуществляется в противоположном направлении, при этом описанные выше газодинамические процессы происходят в обратном порядке, обеспечи- вая выход сжатого газа через патрубок 5. Формула изобретения 1. Турбомашина, содержащая расположенные в корпусе рабочее колесо, выполненное в виде цилиндрического барабана с аксиально наклоненными каналами, направляющее устройство, подключенное к источнику сжатого газа и к рабочему колесу со стороны его торцевых поверхностей, о т- личающаяся тем, что, с целью повыше- ния КПД и упрощения конструкции, направляющее устройство выполнено в виде цилиндра с аксиально наклоненными каналами и дополнительно подключено к внешней среде, каналы рабочего колеса и

направляющего устройства последовательно соединены между собой, причем каналы рабочего колеса заглушены со стороны, противоположной направляющему устройству, а каналы последнего - со стороны внешних торцов.

2.Турбомашина по п. 1 ,о т л и ч а ю щ а- я с я тем, что каналы рабочего колеса и направляющего устройства расположены по окружности с разным угловым шагом.

3.Турбомашина по пп. 1 и 2, о т л и ч а- ю щ а я с я тем, что каналы направляющего устройства расположены по винтовой линии.

4.Турбомашина по пп. 1 -3. отличающая с я тем, что каналы направляющего устройства в окружном направлении от входа к выходу выполнены с переменной, последовательно уменьшающейся длиной.

5.Турбомашина, содержащая расположенные в корпусе рабочее колесо, выполненное в виде цилиндрического барабана с аксиально наклоненными каналами, направляющее устройство, подключенное к источнику сжатого газа и к рабочему колесу со стороны его торцевых поверхностей, о т- личающаяся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения конструкции, она снабжена дополнительным перепускным устройством в виде цилиндрического барабана с наклонными каналами, установленным за рабочим колесом, причем углы наклона каналов основного и дополнительного устройства противоположны, а каналы рабочего колеса выполнены V-образными.

Использование: в энергетическом машиностроении. Сущность изобретения: в турбомашине, содержащей ротор и направляющее устройство, выполненные в виде барабанов с расположенными по окружности аксиально-наклонными каналами, заглушенными с внешних торцов, каналы рабочего колеса заглушены со стороны, противоположной направляющему устройству, каналы направляющего устройства подключены к источнику сжатого газа и внешней среде. При подаче сжатого газа и вращении ротора в аксиально-наклонных каналах генерируется система стоячих акустических волн и возникает реактивная сила, окружная компонента которой создает крутящий момент на валу машины. 2 с и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Фиг t

в-в

раздертка

1776818

А-А

фии