RU2027892C1

RU2027892C1 - Vortex turbomachine

Info

Publication number: RU2027892C1
Authority: RU
Inventors: Г.Д. Шекун
Original assignee: Комсомольский-на-Амуре политехнический институт
Priority date: 1991-05-22
Filing date: 1991-05-22
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: manufacture of turbomachines; construction of turbomachine with free vortex chamber and open working blades designed for operation as small-sized hydraulic turbines with low-potential energy of working medium. SUBSTANCE: turbomachine has housing with intake and exhaust branch pipes and vortex chamber, working wheel with disk on whose inner surface blades are located; housing is provided with centrifugal spiral-shaped swirler with open working passages on side of vortex chamber; open blades of working wheel embrace side opposite to swirler and peripheral side of vortex chamber; exhaust branch pipe is axial and intake branch pipe is circular; intake branch pipe embraces exhaust branch pipe; central portion of vortex chamber is partially bounded by outer surface of exhaust branch pipe and end surface of intake branch pipe. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к турбомашиностроению и относится к конструкциям вихревых машин, в частности турбомашин со свободновихревой камерой и открытыми рабочими лопатками, предназначенных для работы в качестве малоразмерных гидротурбин с низкопотенциальной энергией рабочего тела. The invention relates to turbomachinery and relates to the construction of vortex machines, in particular turbomachines with a free vortex chamber and open working blades, designed to work as small-sized hydraulic turbines with low potential energy of the working fluid.

Известна вихревая турбомашина [1], содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, рабочее колесо с диском, на внутренней поверхности которого расположены лопатки. Повышение экономичности известной турбомашины достигается за счет повышения эффективности вихреобразования во внутреннем периферийном канале. Known vortex turbomachine [1], comprising a housing with inlet and outlet nozzles, an impeller with a disk, on the inner surface of which are blades. Improving the efficiency of the known turbomachine is achieved by increasing the efficiency of vortex formation in the inner peripheral channel.

Недостатком такой турбомашины является то, что в ее проточной части невозможно использовать рабочее тело, обладающее низкопотенциальной энергией, так как в этом случае из-за низкого давления во впускном патрубке рабочее тело при многократном поступлении в межлопаточные каналы колеса, а из них в вихревой канал, уже на первых участках отдает всю избыточную энергию рабочему колесу и дальнейшее течение рабочего тела по окружности в такой конструкции будет проходить с поглощением энергии. В этом случае, в вихревой турбомашине на выходном участке межлопаточные каналы рабочего колеса будут работать в насосном режиме, отдавая часть энергии рабочему телу для его проталкивания в выходной патрубок и снижая, таким образом, экономичность рассматриваемой вихревой машины. The disadvantage of such a turbomachine is that it is impossible to use a working fluid with low potential energy in its flowing part, since in this case, due to the low pressure in the inlet pipe, the working fluid when the wheel repeatedly enters the interscapular channels, and from them into the vortex channel, already in the first sections it gives all excess energy to the impeller and the further flow of the working fluid around the circumference in such a structure will take place with energy absorption. In this case, in the vortex turbomachine at the outlet, the interscapular channels of the impeller will operate in the pump mode, giving part of the energy to the working fluid for pushing it into the outlet nozzle and, thus, reducing the efficiency of the considered vortex machine.

Цель изобретения - повышение эффективности и рациональное использование низкопотенциальной энергии рабочего тела при работе вихревой турбомашины за счет организации свободновихревой закрутки рабочего тела в вихревой камере. The purpose of the invention is to increase the efficiency and rational use of low-potential energy of the working fluid during the operation of the vortex turbomachine due to the organization of the free-swirling swirl of the working fluid in the vortex chamber.

Заявляемая вихревая турбомашина, работающая на низкопотенциальной жидкости, снабжена центробежным спиралевидным завихрителем с открытыми со стороны вихревой камеры рабочими каналами и рабочим колесом с открытыми лопатками, охватывающими противополож- ную от завихрителя и периферийную стороны вихревой камеры. Нижняя часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного осевого патрубка и торцевой глухой стенкой кольцевого входного патрубка. Такие технические решения обладают отличительными признаками в сравнении с прототипом и аналогичными решениями. На основании этого можно сделать вывод, что данное решение имеет существенные отличия. The inventive vortex turbomachine operating on a low-potential liquid is equipped with a centrifugal spiral-shaped swirler with working channels open from the side of the vortex chamber and an impeller with open blades covering the peripheral side of the vortex chamber opposite to the swirl. The lower part of the vortex chamber is partially limited by the outer surface of the axial outlet pipe and the end blind wall of the annular inlet pipe. Such technical solutions have distinctive features in comparison with the prototype and similar solutions. Based on this, we can conclude that this solution has significant differences.

Сущность изобретения состоит в том, что в пределах центробежного спиралевидного завихрителя рабочий поток жидкости, поступающий из входного кольцевого патрубка движется к периферии по спиральным рабочим каналам с постоянной, относительно полюса, степенью закрутки и, взаимодействуя через открытые рабочие каналы со стороны рабочего колеса с жидкостью, находящейся в вихревой камере, за счет массообмена и сил трения, вызывает ее интенсивную подкрутку. Движение рабочей жидкости в пределах вихревой камеры в результате такой организации подвода энергии способствует формированию свободного вихря, т. е. отвечает закону вращения твердого тела вокруг неподвижной оси. Обладая, таким образом, кинетической энергией, рабочая жидкость в вихревой камере при взаимодействии с периферийными и боковыми открытыми лопатками передает свою энергию рабочему колесу турбомашины. Происходит преобразование кинетической энергии потока жидкости в механическую энергию вращения рабочего колеса. Для постоянного поддержания энергообмена, отработанная часть рабочей жидкости удаляется из вихревой камеры через выпускной осевой патрубок. Энергетический баланс и получение требуемой мощности турбины осуществляется в этом случае за счет увеличения расхода или плотности рабочей жидкости. Проходные сечения спиральных каналов центробежного завихрителя с увеличением расхода способствуют с минимальными потерями создать в вихревой камере необходимую интенсивность закрутки потока. При этом, объем рабочей части вихревой камеры соизмерим с объемом каналов центробежного завихрителя. Использование вихревой турбомашины со свободновихревым рабочим колесом расширяет функциональные возможности вихревой машины, так как способствует применению ее в качестве вихревого турбопривода в областях народного хозяйства, где применение других турбомашин становится неэффективным. The essence of the invention lies in the fact that within the centrifugal spiral-shaped swirl, the working fluid flow coming from the inlet annular nozzle moves to the periphery along the spiral working channels with a constant degree of swirl relative to the pole and interacting through the open working channels from the side of the impeller with the liquid, located in the vortex chamber, due to mass transfer and friction forces, causes its intense twist. The movement of the working fluid within the vortex chamber as a result of such an organization of energy supply contributes to the formation of a free vortex, i.e., corresponds to the law of rotation of a rigid body around a fixed axis. Thus possessing kinetic energy, the working fluid in the vortex chamber, when interacting with peripheral and lateral open blades, transfers its energy to the impeller of the turbomachine. The kinetic energy of the fluid flow is converted into the mechanical energy of rotation of the impeller. To constantly maintain energy exchange, the spent part of the working fluid is removed from the vortex chamber through the axial outlet. The energy balance and obtaining the required turbine power is carried out in this case by increasing the flow rate or density of the working fluid. The flow sections of the spiral channels of the centrifugal swirl with increasing flow rate help to create the necessary flow swirl intensity in the swirl chamber with minimal losses. Moreover, the volume of the working part of the vortex chamber is commensurate with the volume of the channels of the centrifugal swirl. The use of a vortex turbomachine with a free vortex impeller expands the functionality of the vortex machine, as it promotes its use as a vortex turbo drive in areas of the economy where the use of other turbomachines becomes ineffective.

Поставленная цель достигается тем, что в корпусе вихревой турбомашины установлен центробежный спиралевидный завихритель с открытыми со стороны вихревой камеры спиральными каналами, а рабочее колесо снабжено открытыми лопатками, охватывающими противоположную от завихрителя и периферийную стороны вихревой камеры. Нижняя часть вихревой камеры частично ограничена наружной поверхностью выпускного осевого патрубка и торцевой стенкой кольцевого входного патрубка. Такое конструктивное решение позволяет организовать закрутку рабочей жидкости в вихревой камере по закону свободного вихря, т.е. скорость в каждом кольцевом сечении вихревой камеры активной жидкости пропорциональна радиусу сечения и каждая частица жидкости движется с одной и той же угловой скоростью. Такая организация потока активной жидкости в пределах вихревой камеры способствует равномерному съему энергии в соответствующих радиальных сечениях рабочего колеса. В центральной части вихревой камеры, где располагается выхлопной патрубок, вращение и, следовательно, кинетическая энергия отработанной жидкости минимальна и, соответственно, потери энергии минимальны. Преобразование кинетической энергии свободновращающейся жидкости в вихревой камере в механическую энергию вращения диска рабочего колеса турбины позволяет использовать в качестве рабочего тела любую жидкость, в том числе и жидкость с низкопотенциальной энергией. This goal is achieved by the fact that a centrifugal spiral swirl with spiral channels open from the side of the swirl chamber is installed in the casing of the vortex turbomachine, and the impeller is equipped with open blades covering the opposite side of the swirl from the swirl chamber. The lower part of the vortex chamber is partially limited by the outer surface of the axial outlet pipe and the end wall of the annular inlet pipe. This design solution allows you to organize the swirling of the working fluid in the vortex chamber according to the law of free vortex, i.e. the velocity in each annular section of the vortex chamber of the active fluid is proportional to the radius of the cross section and each fluid particle moves with the same angular velocity. This organization of the flow of active fluid within the vortex chamber contributes to a uniform energy recovery in the corresponding radial sections of the impeller. In the central part of the vortex chamber, where the exhaust pipe is located, the rotation and, therefore, the kinetic energy of the spent fluid is minimal and, accordingly, the energy loss is minimal. The conversion of the kinetic energy of a freely rotating fluid in a vortex chamber into the mechanical energy of rotation of the disk of a turbine impeller allows using any fluid, including a liquid with low potential energy, as a working fluid.

На фиг. 1 изображен продольный разрез вихревой турбомашины; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, где изображена проточная часть центробежного спиралевидного завихрителя; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, где изображено рабочее колесо с открытыми лопатками. In FIG. 1 shows a longitudinal section of a vortex turbomachine; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1, which shows the flow part of a centrifugal spiral swirl; in FIG. 3 is a section BB in FIG. 1, which shows the impeller with open blades.

Движение жидкости отсутствует. No fluid movement.

Вихревая турбомашина содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, вал 4, рабочее колесо 5 с открытыми лопатками 6, вихревую камеру 7 и центробежный спиралевидный завихритель 8 со спиральным каналом 9. The vortex turbomachine contains a housing 1 with input 2 and output 3 nozzles, a shaft 4, an impeller 5 with open blades 6, a vortex chamber 7 and a centrifugal spiral swirl 8 with a spiral channel 9.

Вихревая турбомашина работает следующим образом. Vortex turbomachine works as follows.

Энергоемкая жидкость подводится в проточную часть центробежного спиралевидного завихрителя 8 по кольцевому каналу входного патрубка 2. Energy-intensive liquid is supplied to the flowing part of the centrifugal spiral-shaped swirler 8 through the annular channel of the inlet pipe 2.

При течении по спиральному каналу 9 жидкость подвергается закрутке. В результате массообмена и энергообмена посредством открытой части спирального канала 9, закрученная жидкость вызывает вращение рабочей жидкости в вихревой камере 7. Кинетическая энергия рабочей жидкости передается открытым лопаткам 6 и рабочее колесо 5, аккумулируя механическую энергию, приводит во вращение вал 4. When flowing through a spiral channel 9, the fluid undergoes a swirl. As a result of mass transfer and energy exchange through the open part of the spiral channel 9, the swirling fluid causes the working fluid to rotate in the vortex chamber 7. The kinetic energy of the working fluid is transmitted to the open blades 6 and the impeller 5, accumulating mechanical energy, drives the shaft 4 to rotate.

Повышение эффективности турбомашины достигается за счет организации свободновихревой закрутки рабочего тела в кольцевой вихревой камере. Improving the efficiency of a turbomachine is achieved by organizing a free vortex swirl of the working fluid in an annular vortex chamber.

Claims

1. Vortex turbomachine, comprising a housing with inlet and outlet nozzles and a vortex chamber, an impeller with a disk on the inner surface of which blades are located, characterized in that, in order to expand the range of work by rational use of low-potential energy of the working fluid and increase the efficiency of the vortex machines in turbine mode due to the organization of a free vortex swirl of the working fluid in the vortex chamber, the casing is equipped with a centrifugal spiral swirl with open working spaces in bulk from the side of the vortex chamber.

2. The turbomachine according to claim 1, characterized in that the open impeller blades span the peripheral side of the vortex chamber opposite from the swirl.

3. The turbomachine according to claim 2, characterized in that the outlet pipe is made axial, and the inlet is annular and covering the outlet pipe, while the Central part of the vortex chamber is partially limited by the outer surface of the exhaust pipe and the end surface of the inlet pipe.