Результат интеллектуальной деятельности: РАДИАЛЬНО-ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к радиальным вентиляторам, насосам, компрессорам.

Известна радиально-вихревая турбомашина, содержащая спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо с несущим, покрывным дисками и расположенными между ними лопатками, имеющими на рабочей и тыльной поверхностях в области выходной части продольный и дополнительный выступы, образующие в области задней кромки лопатки кольцевую цилиндрическую вихревую камеру, закрепленную на несущем и покрывном дисках, с осью, параллельной задней кромке лопатки, тангенциальным входным каналом со стороны ее рабочей поверхности и перфорированной поверхностью цилиндрической обечайки, установленной с зазором таким образом, что касательная к ней по линии пересечения плоскости, проходящей через ось камеры и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к рабочей и тыльной поверхностям лопатки на ее задней кромке (Патент 2430274 (Россия). Кл. F04D 29/28. Радиально-вихревая турбомашина / Косарев Н.П., Макаров Н.В., Макаров В.Н., опубл. 27.09.2011).

Такая конструкция лопатки рабочего колеса радиально-вихревой турбомашины способствует поступлению части потока, представляющего собой управляющий поток, из межлопаточного канала рабочего колеса через тангенциальный входной канал в вихревую камеру и его закрутке в направлении вращения рабочего колеса. Перфорированная поверхность кольцевой цилиндрической вихревой камеры обеспечивает эффективную передачу энергии циркуляции управляющего потока основному потоку в межлопаточном канале рабочего колеса, способствуя увеличению угла его поворота вокруг цилиндрической обечайки вихревой камеры, то есть угла выхода потока из рабочего колеса. Это способствует росту давления развиваемого радиально-вихревой турбомашиной, то есть его аэродинамической нагруженности.

Однако низкий уровень энергии вращения управляющего потока позволяет незначительно увеличить угол выхода потока из рабочего колеса турбомашины, что приводит к недостаточному повышению давления, развиваемого радиально-вихревой турбомашиной, т.е. ее аэродинамической нагруженности.

Наиболее близкими по исполнению к предлагаемому техническому решению является радиально-вихревая турбомашина, содержащая спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо с несущим и покрывным дисками, расположенные между ними загнутые назад профильные лопатки, каждая из которых в области выходной части снабжена установленным с конфузорным зазором по отношению к ее рабочей поверхности накрылком с вогнутой рабочей, выпуклой торцевой поверхностями и имеющим вихревую камеру, сообщающуюся тангенциально с конфузорным зазором, выпускные конфузорные каналы на его выпуклую торцевую поверхность из вихревой камеры и впускные конфузорные каналы с тангенциальным входом в нее с вогнутой рабочей поверхности накрылка (Патент 2525037 (Россия). Кл. F04Д 29/28. Рабочее колесо центробежного вентилятора. Косарев Н.П., Макаров Н.В., Макаров В.Н., опубл. 08.04.2014).

Данная конструктивная схема за счет дополнительной подачи управляющего потока из межлопаточных каналов в вихревые камеры через впускные конфузорные каналы частично устраняет недостатки ранее описанной конструкции, т.е. повышает аэродинамическую нагруженность радиально-вихревой турбомашины.

Однако такое выполнение выходной части загнутой назад профильной лопатки рабочего колеса радиально-вихревой турбомашины не в полной мере обеспечивает рост энергии вращения управляющего потока, закручиваемого в вихревой камере, улучшение структуры основного потока на рабочей вогнутой поверхности накрылка, что не позволяет существенно повысить аэродинамическую нагруженность радиально-вихревой турбомашины, поскольку не обеспечивает существенного роста перепада давления потока между рабочей и тыльной поверхностями лопатки.

Задача изобретения заключается в повышении аэродинамической нагруженности радиально-вихревой турбомашины за счет существенного увеличения кинетической энергии вращения управляющего потока, закручиваемого в вихревой камере, то есть формирование высокоэнергетического «вихревого жгута», его воздействия на основной поток на выпуклой торцевой и вогнутой рабочей поверхностях накрылка лопатки, тем самым увеличивая угол выхода потока из рабочего колеса и перепад давления потока между рабочей и тыльной поверхностями лопатки.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой радиально-вихревой турбомашине, содержащей спиральный корпус, установленное в нем рабочее колесо, несущий и покрывной диски, расположенные между ними загнутые назад профильные лопатки, каждая из которых в области выходной части снабжена установленным с конфузорным зазором по отношению к ее рабочей поверхности накрылком с вогнутой рабочей, выпуклой торцевую поверхностями и имеющим вихревую камеру, сообщающуюся тангенциально с конфузорным зазором, выпускные конфузорные каналы на его выпуклую торцевую поверхность из вихревой камеры и впускные конфузорные каналы с тангенциальным входом в нее с вогнутой рабочей поверхности накрылка, согласно изобретению в спиральном корпусе на несущем диске в вихревую камеру каждого накрылка выполнен тангенциальный входной конфузорный канал, а на покрывном диске из вихревой камеры каждого накрылка выполнен тангенциальный выходной конфузорный канал.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез радиально-вихревой турбомашины. На фиг. 2 изображен продольный разрез радиально-вихревой турбомашины. На фиг. 3 изображена входная часть назад загнутой профильной лопатки с накрылком. На фиг. 4 изображено сечение А-А на фиг. 2. На фиг. 5 изображено сечение Б-Б на фиг. 2.

Радиально-вихревая турбомашина содержит спиральный корпус 1, установленное в нем рабочее колесо 2, несущий 3 и покрывной 4 диски, расположенные между ними загнутые назад профильные лопатки 5, каждая из которых в области выходной части снабжена установленным с конфузорным зазором 6 по отношению к ее рабочей поверхности 7 накрылком 8 с вогнутой рабочей 9, выпуклой торцевой 10 поверхностями и имеющим вихревую камеру 11, сообщающуюся тангенциально с конфузорным зазором 6, выпускные конфузорные каналы 12 на его выпуклую торцевую поверхность 10 из вихревой камеры 11 и впускные конфузорные каналы 13 с тангенциальным входом в нее с вогнутой рабочей 9 поверхности накрылка 8. В спиральном корпусе 1 на несущем диске 3 в вихревую камеру 11 каждого накрылка 8 выполнен тангенциальный входной конфузорный канал 14, а на покрывном диске вихревой камеры 11 каждого накрылка 8 выполнен тангенциальный выходной конфузорный канал 15.

При вращении рабочего колеса 2 радиально-вихревой турбомашины поток воздуха, поступающий в межлопаточные каналы, образованные несущим 3, покрывным 4 дисками и лопатками 5, взаимодействуя с последними, поворачивается в направлении вращения колеса 2 по рабочим поверхностям 8, 9 лопаток 5 и их накрылков 8. Часть потока, представляющая собой управляющий поток, за счет перепада давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями накрылка 8 лопатки 5 через тангенциальный вход конфузорного зазора 6 поступает в тангенциальном направлении в вихревую камеру 11, закручиваясь в ней со скоростью, превышающей скорость вращения рабочего колеса 2. За счет избыточного давления на рабочей вогнутой поверхности 9 накрылка 8 по отношению к давлению в вихревой камере 11 часть потока из межлопаточного канала по впускным конфузорным каналам 13 тангенциально, то есть по касательной, поступает в вихревую камеру 11, дополнительно увеличивая энергию вращения управляющего потока.

Под действием избыточного давления во входном конфузорном канале 14 и разрежения в выходном конфузорном канале 15, обусловленных повышенным давлением в спиральном корпусе 1, вращением рабочего колеса 2 и эффектом эжекции, в вихревой камере 11 создается устойчивый, высокоэнергетический «вихревой жгут», что существенно увеличивает энергию вращения управляющего потока.

За счет центробежной силы вращения высокоэнергетический управляющий поток через выпускные конфузорные каналы 12 поступает на тыльную поверхность 10 накрылка 8 лопатки 5 рабочего колеса 2, способствуя устранению области отрывного вихреобразования, и, как результат, существенному увеличению угла выхода основного потока из рабочего колеса 2 и соответственно обеспечивает существенный рост перепада давления потока между рабочей и тыльной поверхностями лопатки. В результате этого происходит значительный рост аэродинамической нагруженности радиально-вихревой турбомашины.

Отсос части потока из межлопаточного канала на рабочей вогнутой поверхности 9 накрылка 8 через впускные конфузорные каналы 13 за счет высокоэнергетического «вихревого жгута» приводит к улучшению структуры основного потока на рабочей вогнутой поверхности 9 накрылка 8, снижению скорости потока на рабочей поверхности 9 накрылка 8 лопатки 5, способствуя росту давления на ней за счет эффекта Магнуса, то есть росту перепада давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями накрылка 8 лопатки 5, что увеличивает аэродинамическую нагруженность радиально-вихревой турбомашины.

Синергетический эффект увеличения угла выхода основного потока из рабочего колеса 2 и увеличения перепада давления между рабочей 9 и тыльной 10 поверхностями накрылка 8 лопатки 5 за счет формирования высокоэнергетического «вихревого жгута» существенно увеличивает энергию вращения управляющего потока, приводит к существенному росту аэродинамической нагруженности радиально-вихревой турбомашины.

По результатам испытаний вентилятора радиально-вихревого типа вышеуказанной конструкции с расположенными на несущем и покрывном дисках рабочего колеса тангенциальными входными и выходными каналами вихревых камер, соединяющими их с полостью спирального корпуса радиально-вихревой турбомашины, в сравнении с прототипом получено увеличение коэффициента давления на 12%, то есть до значения ψ=1,88.

Таким образом, применение данной конструкции радиально-вихревой турбомашины позволяет эффективно устранять отрывное вихреобразование на тыльной стороне лопатки, увеличивать угол поворота потока на выходе из рабочего колеса и перепад давления между рабочей и тыльной поверхностями лопатки, что существенно повышает аэродинамическую нагруженность радиально-вихревой турбомашины.