Диффузор

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании выхлопных диффузоров турбомашин.

Известен диффузор, содержащий внешний обвод, на внутренней стороне которого 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).

Недостатком настоящего технического решения является низкая надежность вследствие наличия значительных пульсаций давления при эквивалентных углах раскрытия диффузора, превышающих 12°.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является диффузор (Патент РФ №2469214, опубл. 10.12.2012, МПК F04D 29/44), содержащий внутренний и внешний обвод и выполненный коническим. При этом на внутренней стороне внешнего обвода выполнено оребрение, содержащее клиновидные ребра, вершины которых расположены во входном сечении диффузора, свободные кромки параллельны продольной оси диффузора, а высота выходной кромки в выходном сечении диффузора h определена как , где L - длина диффузора, а α - угол раскрытия внешнего обвода диффузора.

Недостатком настоящего технического решения является низкая надежность вследствие наличия значительных пульсаций давления при эквивалентных углах раскрытия диффузора, превышающих 12°.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении уровня вибраций стенок широкоугольного диффузора с эквивалентными углами раскрытия α, превышающими 12°, за счет снижения амплитуд пульсаций давления.

Технический результат заключается в повышении надежности элементов турбомашин за счет резкого снижения динамических нагрузок, действующих на стенки широкоугольных диффузоров.

Это достигается тем, что диффузор, содержащий внешний обвод, выполненный коническим, на внутренней стороне которого выполнено оребрение, содержащее основные ребра, выполненные клиновидными переменной высоты, линейно возрастающей от нулевого значения в области входной кромки, расположенной во входном сечении диффузора, до значения h₁ в области выходной кромки, расположенной в выходном сечении диффузора, при этом свободная кромка основных ребер параллельна продольной оси диффузора, снабжен вспомогательными ребрами, расположенными в середине между основными ребрами и выполненными трапециевидными переменной высоты, при этом угловой шаг установки между основными ребрами β₁ не превышает 5°, а угловой шаг установки между основным ребром и вспомогательным ребром β₂ равен половине углового шага установки между основными ребрами β₁, входные кромки вспомогательных ребер расположены на расстоянии L₁ от входного сечения диффузора, выбранном равным половине осевой длины диффузора L, выходные кромки вспомогательных ребер расположены в выходном сечении диффузора, свободная кромка вспомогательных ребер параллельна продольной оси диффузора, высота вспомогательных ребер выполнена линейно возрастающей от значения h₂ в области их входной кромки до значения h₃ в области их выходной кромки, при этом значение h₂ выбрано равным половине значения h₁, а значения h₃ и h₁ равны и выбраны как , где - число Рейнольдса, где с₁ - среднерасходная скорость во входном сечении диффузора, ν - коэффициент кинематической вязкости движущегося рабочего тела.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен диффузор, на фиг. 2 изображена схема расположения основных и вспомогательных ребер, на фиг. 3 изображено основное ребро, на фиг. 4 - вспомогательное ребро.

Диффузор содержит внешний обвод 1, выполненный коническим, на внутренней стороне которого выполнено оребрение, содержащее основные ребра 2 и вспомогательные ребра 3. Основные ребра 2 выполнены клиновидными переменной высоты, линейно возрастающей от нулевого значения в области входной кромки 4, расположенной во входном сечении 5 диффузора, до значения h₁ в области выходной кромки 6, расположенной в выходном сечении 7 диффузора. Угловой шаг установки β₁ между основными ребрами 2 не превышает 5°. Свободная кромка 8 основных ребер 2 параллельна продольной оси О диффузора.

Вспомогательные ребра 3 установлены в середине между основными ребрами 2. Угловой шаг установки β₂ между основным ребром 2 и вспомогательным ребром 3 равен половине углового шага установки β₁. Вспомогательные ребра 3 выполнены трапециевидными переменной высоты. Входные кромки 9 вспомогательных ребер 3 расположены на расстоянии L₁ от входного сечения 5 диффузора, выбранном равным половине осевой длины диффузора L. Выходные кромки 10 вспомогательных ребер 3 расположены в выходном сечении 7 диффузора. Свободная кромка 11 вспомогательных ребер 3 параллельна продольной оси О диффузора. Высота вспомогательных ребер 3 выполнена линейно возрастающей от значения h₂ в области их входной кромки 9 до значения h₃ в области их выходной кромки 10. При этом значение h₂ выбрано равным половине значения h₁, а значения h₃ и h₁ равны и выбраны как , где - число Рейнольдса, где c₁ - среднерасходная скорость во входном сечении 5 диффузора, ν - коэффициент кинематической вязкости движущегося рабочего тела, L - осевая длина диффузора.

Диффузор работает следующим образом.

В рабочем процессе газообразная среда протекает в проточной части диффузора. При этом движение среды происходит в направлении градиента статического давления. В основной зоне потока наблюдается превалирование инерционных сил над силами давления. С приближением к внутренней стороне внешнего обвода 1 в области пограничного слоя скорость рабочей среды уменьшается, в связи с чем изменяется баланс соотношения указанных сил. С приближением к выходному сечению 7 диффузора увеличивается расстояние между основными ребрами 2, что понижает эффективность гашения пульсаций давления.

Вспомогательные ребра 3 уменьшают расстояние между основными ребрами 2 в выходной части диффузора, что препятствует отрыву потока от внешнего обвода 1 за счет увеличения составляющей силы трения, возникающей между частицами основного потока и потока в пристеночной области. В результате повышается эффективность гашения пульсаций давления в пристеночной области за счет предотвращения нестационарного отрыва потока от внешнего обвода 1.

Ограничение высоты основных 2 и вспомогательных 3 ребер до величины, соизмеримой с толщиной пограничного слоя, приводит к снижению коэффициента потерь энергии за счет уменьшения добавочного сопротивления ребер.

Трапециевидная форма вспомогательных ребер 3 с заявленной высотой выходной кромки 10 позволяет понизить пульсации давления, не внося значительного сопротивления потоку за счет нарастающей толщины пограничного слоя.

Использование изобретения позволяет повысить надежность элементов турбомашин за счет эффективной стабилизации потока у широкоугольных диффузоров с углами раскрытия проточной части свыше 12° вследствие предотвращения образования отрывных зон, приводящих к резкому увеличению амплитуд пульсаций давления.