RU2172416C2

RU2172416C2 - Turbomachine

Info

Publication number: RU2172416C2
Application number: RU99101505A
Authority: RU
Inventors: П.С. Владимиров
Original assignee: Владимиров Порфирий Сергеевич
Filing date: 1999-01-25
Publication date: 2001-08-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: proposed turbomachine has stator and rotor with disks, each provided with compressor and turbine blade rims. Turbomachine has also closed - type centrifugal compressor impeller with turbine blade rim on outer surface and internal toroidal groove mated with diffuser with curvilinear blades curved backwards in direction of rotor movement and arranged inside. Turbomachine has also drum with turbine and compressor blades on outer and inner surfaces, and disks one of which is secured on shaft of turbomachine. Other disk is mated with fixed trunnion by means of bearings. EFFECT: reduced overall dimensions of turbomachine. 6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и, в частности, к турбокомпрессорным двигателям. The invention relates to the field of energy and, in particular, to turbocharged engines.

Известна турбомашина, содержащая статор и ротор с дисками, каждый из которых содержит компрессорные и турбинные лопаточные венцы (см. US 2430399, МКИ 60-264, 1947, фиг. 3-5). A known turbomachine containing a stator and rotor with disks, each of which contains compressor and turbine blade crowns (see US 2430399, MKI 60-264, 1947, Fig. 3-5).

Недостатком известного двигателя являются большие его габариты. A disadvantage of the known engine is its large dimensions.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является уменьшение габаритов, упрощение конструкции, снижение его массы и потерь воздуха на охлаждение. The problem to which the present invention is directed, is to reduce the size, simplify the design, reduce its mass and air loss for cooling.

Поставленная задача решается за счет того, что в турбомашине, содержащей статор и ротор с дисками, каждый из которых содержит компрессорные и турбинные лопаточные венцы, имеется колесо центробежного компрессора закрытого типа, снабженное ободом с турбинными лопатками на внешней поверхности и внутренней тороидальной канавкой, сопряженной с расположенным внутри диффузором с изогнутыми назад по ходу ротора криволинейными лопастями. Турбомашина также может содержать барабан с турбинными и компрессорными лопатками на внешней и внутренней поверхностях, диски, один из которых закреплен на валу турбомашины, а другой - посредством подшипников сопряжен с неподвижной цапфой, внутри барабана установлена оболочка с направляющими лопатками и с диском. Один из дисков закреплен на цапфе, а другой сопряжен с валом посредством подшипника. Турбомашина может быть выполненной многоступенчатой. Турбомашина может иметь закрепленную на валу втулку из антифрикционного материала с дросселирующими отверстиями, соединенными с источником сжатого воздуха, на которой с возможностью свободного вращения установлена часть рабочих колес компрессора и турбины. Диск центробежного компрессора имеет лопатки центростремительной турбины. Статор турбомашины на входе снабжен диафрагмой, полость за которой сообщена с полостью сжатого воздуха на выходе из компрессора. The problem is solved due to the fact that in a turbomachine containing a stator and rotor with disks, each of which contains compressor and turbine blade crowns, there is a closed-type centrifugal compressor wheel equipped with a rim with turbine blades on the outer surface and an internal toroidal groove associated with located inside the diffuser with curved blades curved back along the rotor. The turbomachine may also contain a drum with turbine and compressor blades on the outer and inner surfaces, disks, one of which is mounted on the shaft of the turbomachine, and the other is coupled to a fixed axle by bearings, a shell with guide vanes and a disk is installed inside the drum. One of the disks is mounted on a trunnion, and the other is mated to the shaft by means of a bearing. The turbomachine may be multi-stage. The turbomachine may have a sleeve of antifriction material fixed to the shaft with throttling holes connected to a source of compressed air, on which part of the impellers of the compressor and turbine are mounted with free rotation. The centrifugal compressor disk has centripetal turbine blades. The stator of the turbomachine at the inlet is equipped with a diaphragm, the cavity behind which is connected with the cavity of compressed air at the outlet of the compressor.

На фиг. 1 изображен осевой разрез турбомашины с барабаном. In FIG. 1 shows an axial section of a turbomachine with a drum.

На фиг. 2 изображен осевой разрез турбомашины с центробежным компрессором, центростремительной турбиной и осевыми компрессором и турбиной. In FIG. 2 shows an axial section of a turbomachine with a centrifugal compressor, a centripetal turbine, and an axial compressor and turbine.

На фиг. 3 изображен осевой разрез турбомашин с центробежным компрессором, тороидальной канавкой и диффузором. In FIG. 3 shows an axial section of turbomachines with a centrifugal compressor, a toroidal groove and a diffuser.

На фиг. 4 изображен разрез А-А фиг. 3. In FIG. 4 shows a section AA of FIG. 3.

Турбомашина содержит статор 1 (см. фиг. 1) с направляющими лопатками 2, внутри которого на валу 3 установлен ротор с дисками 4, 5 и барабаном 6. Диск 4 скреплен с валом, диск 5 посредством подшипника 7 подвижно с возможностью вращения сопряжен с неподвижной цапфой 8 статора. На внешней поверхности барабана 6 прочно закреплены или выполнены за одно целое (например, литьем) рабочие лопатки 9 турбины, на внутренней поверхности барабана установлены лопаточные венцы 10 компрессора. На внешней поверхности венцов, сопряженной с барабаном, могут быть выполнены гребешки в виде винтовой резьбы, оптимизирующие площадь контакта и теплообмен между лопатками турбины и компрессора. Внутри барабана размещена неподвижная оболочка 11 с диском 12, сопряженным с валом посредством подшипника 13, и с диском 14, неподвижно закрепленным на цапфе 8. На оболочке 11 имеются посадочные поверхности, на которых неподвижно установлены венцы 15 с направляющими лопатками компрессора. The turbomachine contains a stator 1 (see Fig. 1) with guide vanes 2, inside of which a rotor with disks 4, 5 and a drum 6 is mounted on the shaft 3. The disk 4 is fastened to the shaft, the disk 5 by means of the bearing 7 is movably rotatably connected to the stationary trunnion 8 of the stator. On the outer surface of the drum 6, the working blades 9 of the turbine are firmly fixed or made integrally (for example, by casting), the turbine blades 9 are installed on the inner surface of the drum blades of the compressor 10. On the outer surface of the crowns associated with the drum, scallops in the form of a screw thread can be made, optimizing the contact area and heat transfer between the turbine blades and the compressor. A fixed shell 11 is placed inside the drum with a disk 12 mating with the shaft by means of a bearing 13, and with a disk 14 fixedly mounted on a pin 8. There are seating surfaces on the shell 11 on which crowns 15 with compressor guide vanes are fixedly mounted.

При вращении ротора в рабочем тракте осевого компрессора с лопатками 10, 15 осуществляется сжатие воздуха, который направляется в камеру сгорания (на чертеже не изображена), продукты сгорания поступают в рабочий тракт турбины с лопатками 2, 9, где расширяются, совершая работу на компрессор и на вал двигателя. When the rotor rotates in the working path of the axial compressor with blades 10, 15, air is compressed, which is sent to the combustion chamber (not shown in the drawing), the combustion products enter the turbine working path with blades 2, 9, where they expand, performing work on the compressor and on the motor shaft.

Положительный эффект инновации заключается в сокращении габаритов и массы двигателя примерно в 2 раза, повышении эффективного КПД благодаря охлаждению лопаток турбины теплопередачей в тракт компрессора и повышении таким образом максимально допустимой температуры газа в турбине. The positive effect of the innovation is to reduce the size and weight of the engine by about 2 times, increase the effective efficiency due to the cooling of the turbine blades by heat transfer to the compressor path and thus increase the maximum allowable gas temperature in the turbine.

Вариант на фиг. 2 содержит статор 1 с направляющим венцом 16, имеющим турбинные лопатки 17 и компрессорные 18. На валу 19 закреплены диск 20 с турбинными и компрессорными лопатками и диск 21 с лопатками 22, 23 центробежного компрессора и центростремительной турбины. Между дисками зажата втулка 24 из антифрикционного материала, на которой с газовой смазкой сжатым воздухом из полости 25 через отверстие 26 и дроссельные каналы 27 установлены диски 28, 29, также снабженные турбинными и компрессорными лопатками. Разделительный диск 30 может быть выполнен сдвоенным с воздушной прослойкой 31, устраняющей чрезмерный теплообмен между трактами центробежной части машины. The embodiment of FIG. 2 contains a stator 1 with a guide rim 16 having turbine blades 17 and compressor 18. A disk 20 with turbine and compressor blades and a disk 21 with blades 22, 23 of a centrifugal compressor and a centripetal turbine are fixed to the shaft 19. Between the disks, a sleeve 24 of antifriction material is clamped, on which disks 28, 29 are also installed with turbine and compressor blades with gas lubricated compressed air from the cavity 25 through the hole 26 and throttle channels 27. The separation disk 30 can be made double with the air gap 31, eliminating excessive heat exchange between the paths of the centrifugal part of the machine.

Действует машина подобно двигателю на фиг. 1; особенность заключается в том, что диски 28, 29 образуют автономный узел, выполняющий функции свободного турбокомпрессора, не связанного с валом и более быстроходного, т.е. с окружными скоростями 300. ..400 м/с, характерными для турбин. Лопатки этих дисков вращаются относительно дисков 20, 21 в противоположном направлении, благодаря чему устраняется необходимость в двух направляющих венцах, упрощается конструкция, уменьшаются габариты и масса. Вал 19 является выходным валом быстроходного роторного двигателя, для которого устройство на фиг. 2 является агрегатом турбонаддува, частота вращения его примерно в два раза ниже, чем у дисков 28, 29. The machine operates like the engine in FIG. 1; the peculiarity lies in the fact that the disks 28, 29 form an autonomous unit that performs the functions of a free turbocharger that is not connected to the shaft and is faster, with peripheral speeds of 300 ... 400 m / s, typical for turbines. The blades of these disks rotate relative to the disks 20, 21 in the opposite direction, which eliminates the need for two guide crowns, simplifies the design, reduces overall dimensions and weight. Shaft 19 is the output shaft of a high speed rotary engine for which the device of FIG. 2 is a turbocharging unit, its rotational speed is approximately two times lower than that of disks 28, 29.

Турбомашина на фиг. 3, 4 содержит вал 32, на котором установлены колеса 33 с лопатками 34 центробежного компрессора закрытого типа. На периферии колес имеются ободы с внутренней тороидальной канавкой 35, обеспечивающей поворот потока воздуха на вход в диффузоры 36 центростремительного типа, снабженные направляющими лопатками 37, 38, изогнутыми назад по ходу вала. Диффузоры неподвижно соединены или выполнены за одно целое с направляющими венцами 39 осевой турбины, скрепленными со статором; венцы с турбинными лопатками 40 установлены на ободах центробежных колес. Подобно варианту на фиг. 2 по меньшей мере одно из колес 33 может быть установлено на валу 32 с возможностью автономного вращения с более высокой частотой. Рабочие тракты компрессоров и турбин на фиг. 1, 2, 3, 4 расположены коаксиально (соосно) и расположены один внутри другого (на фигурах компрессорный тракт внутри турбинного). Машина при наличии камеры сгорания 41 может функционировать в качестве автономного турбокомпрессорного двигателя, без камеры может входить в состав комбинированного ДВС в качестве агрегата турбонаддува и продолженного расширения. С улиткой 42 статора соединена диафрагма 43, образующая полость 44, которая сообщена с полостью 45 повышенного давления, например, трубопроводом, что обеспечивает снижение осевой силы давления газов, приложенной к ротору. The turbomachine of FIG. 3, 4 comprises a shaft 32 on which wheels 33 with blades 34 of a closed-type centrifugal compressor are mounted. On the periphery of the wheels there are rims with an internal toroidal groove 35, providing a rotation of the air flow at the entrance to the centripetal diffusers 36, equipped with guide vanes 37, 38, curved back along the shaft. The diffusers are motionlessly connected or made integrally with the axial turbine guide rims 39 fastened to the stator; crowns with turbine blades 40 are mounted on rims of centrifugal wheels. Like the embodiment of FIG. 2, at least one of the wheels 33 can be mounted on the shaft 32 with the possibility of autonomous rotation with a higher frequency. The working paths of the compressors and turbines in FIG. 1, 2, 3, 4 are located coaxially (coaxially) and are located one inside the other (in the figures the compressor path inside the turbine). The machine, in the presence of a combustion chamber 41, can function as a stand-alone turbocharger engine; without a chamber, it can be part of a combined internal combustion engine as a turbocharging unit and continued expansion. A diaphragm 43 is formed with the cochlear 42 of the stator, forming a cavity 44, which is in communication with the cavity 45 of the increased pressure, for example, by a pipeline, which ensures a decrease in the axial force of the gas pressure applied to the rotor.

Claims

1. A turbomachine containing a stator and a rotor with disks, each of which contains compressor and turbine blade crowns, characterized in that it contains a centrifugal compressor wheel of a closed type, equipped with a rim with turbine blades on the outer surface and with an internal toroidal groove associated with the located inside a diffuser with curved blades curved back along the rotor.

2. The turbomachine according to claim 1, characterized in that it comprises a drum with turbine and compressor blades on the outer and inner surfaces, disks, one of which is mounted on the shaft of the turbomachine, and the second is coupled by bearings to a fixed axle, a shell with guide vanes and discs, one of which is mounted on a journal and the other is coupled to the shaft by means of a bearing.

3. Turbomachine 1 and 2, characterized in that it is multi-stage.

4. The turbomachine according to claim 1, characterized in that a sleeve of antifriction material with throttling holes connected to a source of compressed air is fixed to the shaft, on which part of the impellers of the compressor and turbine are mounted with free rotation.

5. The turbomachine according to claim 1, characterized in that the centrifugal compressor disk has centripetal turbine blades.

6. The turbomachine according to claim 1, characterized in that its stator at the inlet is equipped with a diaphragm, the cavity behind which is connected with the cavity of compressed air at the outlet of the compressor.