RU2430274C1

RU2430274C1 - Radial-swirl turbo-machine

Info

Publication number: RU2430274C1
Application number: RU2009148541/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Петрович Косарев (RU); Николай Петрович Косарев; Владимир Николаевич Макаров (RU); Владимир Николаевич Макаров; Николай Владимирович Макаров (RU); Николай Владимирович Макаров
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-09-27
Also published as: RU2009148541A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: turbo-machine consists of spiral case, of working wheel installed in it with bearing and cover disks and blades 5 positioned between them. The blades have lengthwise and additional lugs in a zone of back edge 6. The lugs are matched in the zone of back edge 6 of blade 5 and form circular cylinder vortex chamber 7 fixed on bearing and cover disks 3, 4. Chamber 7 has an axle parallel to back edge 6 of blade 5, tangential inlet channel 8 on side of working surface 9 of blade 5 and perforated shell 10. Chamber 7 is secured on disks 3, 4 parallel to back edge 6 so, that tangential to the chamber along plane crossing line 13 passing through the axle of chamber 7 and back edge 6 of blade 5 is parallel to tangential to working and back surfaces 9, 14 of blade 5 in its back edge 6.

EFFECT: raised aero-dynamic load and efficiency.

Description

Изобретение относится к области турбомашин, в частности к центробежным, насосам, компрессорам.The invention relates to the field of turbomachines, in particular to centrifugal pumps, compressors.

Известна вихревая турбомашина (вихревой насос), содержащая корпус, установленное в нем рабочее колесо с радиальными лопатками, образующее совместно с корпусом на периферии кольцевой канал, имеющий перегородку, разделяющую всасывающую и нагнетательную полости (АЛЕКСЕЕВ В. В. Стационарные машины. М.: Недра, 1989. с.416). Указанная турбомашина создает повышенное давление рабочего тела (жидкости, газа) по сравнению с колесами классической радиальной турбомашины за счет многократного его попадания в межлопаточные каналы в результате вихревого движения по винтовой траектории. Однако винтовое движение рабочего тела в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения рабочего колеса, препятствует суммированию энергий циркуляции потоков рабочего тела от вихревого движения и течения вокруг лопаток в межлопаточном канале рабочего колеса, что не позволяет существенно увеличить развиваемое турбомашиной давление. Кроме того, движение вихря и лопаток рабочего колеса в несогласованных плоскостях приводит к существенному росту потерь энергии на «удар», т.е. к снижению КПД турбомашины.Known vortex turbomachine (vortex pump), comprising a housing, an impeller mounted therein with radial blades, forming together with the housing on the periphery an annular channel having a partition separating the suction and discharge cavities (ALEKSEEV V.V. Stationary machines. M .: Nedra , 1989.S. 416). The specified turbomachine creates increased pressure of the working fluid (liquid, gas) in comparison with the wheels of a classic radial turbomachine due to its multiple hits in the interscapular channels as a result of vortex motion along a helical path. However, the helical movement of the working fluid in a plane perpendicular to the plane of rotation of the impeller prevents the summation of the energies of the circulation of the flows of the working fluid from the vortex movement and the flow around the blades in the interscapular channel of the impeller, which does not significantly increase the pressure developed by the turbomachine. In addition, the movement of the vortex and the impeller blades in inconsistent planes leads to a significant increase in energy loss by “impact”, i.e. to reduce the efficiency of the turbomachine.

Наиболее близкой по исполнению к изобретению являются радиальная турбомашина (радиальный вентилятор), содержащая спиральный корпус, рабочее колесо с несущим и покрывным дисками и с расположенными между ними лопатками, имеющими в области задней кромки продольный и дополнительный выступы (RU 2067694 С1. МПК 6 F04D 29/28, 10.10.1996).The closest to the execution of the invention are a radial turbomachine (radial fan), containing a spiral casing, an impeller with a bearing and cover discs and with blades located between them, having longitudinal and additional protrusions in the region of the trailing edge (RU 2067694 C1. IPC 6 F04D 29 / 28, 10.10.1996).

Данная конструктивная схема частично устраняет недостатки ранее описанной конструкции, т.е. повышает аэродинамическую нагруженность и КПД вентилятора. Однако недостаточная эффективность энергетического взаимодействия потока в незамкнутом канале, образованном продольным и дополнительным выступами, и потока в межлопаточном канале рабочего колеса незначительно увеличивает циркуляционное течение в вентиляторе. Это приводит к недостаточному повышению давления, развиваемого вентилятором, т.е. его аэродинамической нагруженности.This design scheme partially eliminates the disadvantages of the previously described design, i.e. increases aerodynamic loading and fan efficiency. However, the insufficient efficiency of the energy interaction of the flow in the open channel formed by the longitudinal and additional protrusions and the flow in the interscapular channel of the impeller slightly increases the circulation flow in the fan. This leads to an insufficient increase in the pressure developed by the fan, i.e. its aerodynamic loading.

Задача изобретения заключается в создании принципиальной (конструктивной) схемы радиально-вихревой турбомашины (вентилятора, насоса, компрессора), обеспечивающей синергетический эффект суммирования энергий циркуляции (вихревого) движения потока в вихревых камерах на выходе с лопаток рабочего колеса и в его межлопаточных каналах, и, как результат, отличающейся повышенной аэродинамической нагруженностью и КПД.The objective of the invention is to create a schematic (constructive) diagram of a radial vortex turbomachine (fan, pump, compressor), providing a synergistic effect of summing the circulation energies (vortex) of the flow in the vortex chambers at the outlet of the impeller blades and in its interscapular channels, and, as a result, characterized by increased aerodynamic loading and efficiency.

Технический результат достигается тем, что в радиальной турбомашине, содержащей спиральный корпус, рабочее колесо с несущим, покрывным дисками и с расположенными между ними лопатками, имеющими в области задней кромки продольный и дополнительный выступы, согласно изобретению указанные выступы совмещены в области задней кромки лопатки, образуя кольцевую цилиндрическую камеру с тангенциальным входным каналом и перфорированной обечайкой, закрепленную на несущем и покрывном дисках, параллельно задней кромки лопатки таким образом, что касательная к ней по линии пересечения плоскости, проходящей через ось камеры и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к тыльной и рабочей поверхностям лопаток в ее задней кромке.The technical result is achieved by the fact that in a radial turbomachine containing a spiral casing, the impeller with a bearing, cover discs and with blades located between them, having longitudinal and additional protrusions in the region of the trailing edge, according to the invention, these protrusions are aligned in the region of the trailing edge of the blade, forming an annular cylindrical chamber with a tangential inlet channel and a perforated shell mounted on the carrier and cover disks parallel to the trailing edge of the blade so that Adjacent to it along the line of intersection of the plane passing through the axis of the chamber and the trailing edge of the scapula is parallel to the tangent to the back and working surfaces of the scapula in its trailing edge.

Совмещение продольного и дополнительного выступов в задней кромке лопатки с образованием кольцевой цилиндрической камеры с осью, параллельной указанной кромке, и тангенциальным входом со стороны ее рабочей поверхности способствует формированию в камере устойчивого высокоэнергетического вихревого жгута вдоль задней кромки лопатки. Перфорированная поверхность кольцевой камеры обеспечивает эффективную передачу энергии циркуляции вихревого жгута потоку в межлопаточном канале рабочего колеса, способствуя существенному увеличению угла его поворота вокруг цилиндрической обечайки камеры, то есть угла выхода потока из рабочего колеса,The combination of the longitudinal and additional protrusions in the trailing edge of the blade with the formation of an annular cylindrical chamber with an axis parallel to the indicated edge and the tangential entrance from the side of its working surface contributes to the formation of a stable high-energy vortex bundle along the trailing edge of the blade in the chamber. The perforated surface of the annular chamber provides an efficient transfer of the energy of the circulation of the vortex bundle to the flow in the interscapular channel of the impeller, contributing to a significant increase in the angle of rotation around the cylindrical shell of the chamber, i.e., the angle of exit of the flow from the impeller,

Часть потока межлопаточного канала рабочего колеса, проходящую через зазор между обечайкой камеры и рабочей поверхностью лопаток под действием эффекта Коанда, огибает ее, способствуя более интенсивному повороту потока в направлении вращения рабочего колеса без отрывного вихреобразования. Это способствует значительному росту давления, развиваемого вентилятором, то есть аэродинамической нагруженности и его КПД.The part of the flow of the interscapular channel of the impeller, passing through the gap between the shell of the chamber and the working surface of the blades under the influence of the Coanda effect, bends around it, contributing to a more intensive rotation of the flow in the direction of rotation of the impeller without tear-off vortex formation. This contributes to a significant increase in pressure developed by the fan, that is, aerodynamic loading and its efficiency.

При d_к=0 предлагаемая конструктивная схема соответствует классической радиальной турбомашине, а при

соответствует вихревой турбомашине с вихревым циркуляционным течением в кольцевой цилиндрической камере в плоскости вращения рабочего колеса.When d _to = 0, the proposed design corresponds to the classic radial turbomachine, and at

corresponds to a vortex turbomachine with a vortex circulation flow in an annular cylindrical chamber in the plane of rotation of the impeller.

При

- по принципу действия конструктивная схема соответствует радиально-вихревой турбомашине, где Д_рк, n_л - диаметр и количество лопаток рабочего колеса соответственно.At

- according to the principle of action, the design diagram corresponds to a radial-vortex turbomachine, where Д _рк , n _л - diameter and number of impeller blades, respectively.

На фиг.1 изображен поперечный разрез радиально-вихревой турбомашины.Figure 1 shows a cross section of a radial vortex turbomachine.

На фиг.2 - продольный разрез радиально-вихревой турбомашины. Figure 2 is a longitudinal section of a radial vortex turbomachine.

На фиг.3 - лопатка турбомашины с кольцевой цилиндрической вихревой камерой.Figure 3 - the blade of the turbomachine with an annular cylindrical vortex chamber.

Радиально-вихревая турбомашина содержит спиральный корпус 1, установленное в нем рабочее колесо 2 с несущим и покрывным дисками 3, 4, между которыми установлены лопатки 5. Параллельно задней кромке 6 лопаток 5 между несущим и покрывным дисками 3, 4 установлена кольцевая цилиндрическая камера 7, имеющая тангенциальный входной канал 8 со стороны рабочей поверхности 9 лопаток 5. Поверхность обечайки 10 кольцевой камеры 7 выполнена с перфорациями 11 и установлена с зазором 12 таким образом, что касательная к ней по линии 13 пересечения плоскости, проходящей через ось камеры 7 и заднюю кромку лопатки, параллельна касательной к рабочей и тыльной поверхностям 9, 14 лопатки 5 на ее выходной кромке 6.The radial vortex turbomachine contains a spiral casing 1, an impeller 2 installed therein with a bearing and cover disks 3, 4, between which blades 5 are installed. Parallel to the trailing edge 6 of the blades 5, an annular cylindrical chamber 7 is installed between the bearing and cover disks 3, 4, having a tangential inlet channel 8 from the side of the working surface 9 of the blades 5. The surface of the shell 10 of the annular chamber 7 is made with perforations 11 and installed with a gap 12 so that it is tangent to it along the line 13 of the plane crossing, passing through the axis of the chamber 7 and the trailing edge of the blade, parallel to the tangent to the working and back surfaces 9, 14 of the blade 5 at its outlet edge 6.

В процессе работы радиально-вихревой турбомашины поток рабочего тела, взаимодействуя с вращающимся рабочим колесом 2, движется по межлопаточным камерам, образованным несущим и покрывным дисками 3, 4, лопатками 5, цилиндрическими обечайками 10 и кольцевыми камерами 7, приобретая энергию. Величина энергетического насыщенного потока рабочего тела определяется величинами центробежных и циркуляционных сил, действующих на него и возникающих в результате движения по указанным выше каналам. Кинематически величина силового взаимодействия рабочего тела и рабочего колеса 2, характеризующая величину развиваемого давления, определяется углом поворота потока в направлении вращения колеса 4 на выходе из межлопаточных каналов. При движении потока по рабочей поверхности 9 лопаток 5, он, проходя через зазор 12, огибает за счет действия эффекта Коанда цилиндрическую обечайку 10 кольцевой камеры 7, существенно смещая в направлении вращения колеса 2 точку схода потока с аэрогазодинамически вращающейся поверхности, образованной лопаткой 5 и кольцевой камерой 7, тем самым дополнительно поворачивая его в указанном направлении. Это способствует дополнительному росту давления, создаваемого турбомашиной за счет суммирования циркуляционных потоков, возникающих раздельно вокруг лопатки 5 и кольцевой камеры 7, т.е. за счет синергетического эффекта, поскольку указанные циркуляционные (вихревые) течения происходят в одной плоскости - плоскости вращения рабочего колеса 2. При этом сход потока с рабочей и тыльной поверхностей 9, 14 лопаток 5 происходит в одном направлении, поскольку указанные поверхности имеют касательную в задней кромке 6 лопатки 5, параллельную касательной к обечайке 10 кольцевой камеры 7 по линии 13 ее пересечения с плоскостью, происходящей через ось кольцевой камеры 7 и заднюю кромку 6 лопатки 5.During the operation of the radial vortex turbomachine, the flow of the working fluid, interacting with the rotating impeller 2, moves along the interscapular chambers formed by the bearing and cover disks 3, 4, blades 5, cylindrical shells 10 and ring chambers 7, gaining energy. The value of the saturated energy flow of the working fluid is determined by the values of centrifugal and circulating forces acting on it and arising as a result of movement through the above channels. Kinematically, the magnitude of the force interaction of the working fluid and the impeller 2, characterizing the magnitude of the developed pressure, is determined by the angle of rotation of the flow in the direction of rotation of the wheel 4 at the exit of the interscapular channels. When the flow moves along the working surface 9 of the blades 5, it passes through the gap 12 and bends around the cylindrical shell 10 of the annular chamber 7 due to the Coanda effect, substantially displacing in the direction of rotation of the wheel 2 the vanishing point of the flow from the aerodynamically rotating surface formed by the blade 5 and the annular camera 7, thereby further turning it in the indicated direction. This contributes to an additional increase in pressure created by the turbomachine due to the summation of the circulation flows that occur separately around the blade 5 and the annular chamber 7, i.e. due to the synergistic effect, since these circulation (vortex) flows occur in one plane - the plane of rotation of the impeller 2. Moreover, the flow converges from the working and back surfaces 9, 14 of the blades 5 in one direction, since these surfaces have a tangent in the trailing edge 6 of the blade 5, parallel to the tangent to the shell 10 of the annular chamber 7 along the line 13 of its intersection with the plane occurring through the axis of the annular chamber 7 and the trailing edge 6 of the blade 5.

Таким образом, за счет создания в плоскости вращения рабочего колеса 2 дополнительного циркуляционного потока вокруг цилиндрической обечайки 10 и эффекта суммирования ее с циркуляцией вокруг лопаток 5, а также дополнительного поджатая потока к цилиндрической обечайке 10 за счет взаимодействия вихревых потоков полости кольцевой камеры 7 и вне цилиндрической обечайки 10 через перфорации 11 в ней, достигается существенное увеличение угла поворота потока при выходе из рабочего колеса 2 в спиральный корпус 1 турбомашины и устранение отрывного вихреобразования, что, в конечном счете, повышает давление, т.е. аэродинамическую нагруженность и КПД турбомашины. Наибольший прирост аэродинамической нагруженности достигается при

.Thus, due to the creation of an additional circulation flow in the plane of rotation of the impeller 2 around the cylindrical shell 10 and the effect of summing it with circulation around the blades 5, as well as an additional compressed flow to the cylindrical shell 10 due to the interaction of the vortex flows of the cavity of the annular chamber 7 and outside the cylindrical shell 10 through the perforations 11 in it, a significant increase in the angle of rotation of the flow when exiting the impeller 2 into the spiral housing 1 of the turbomachine and eliminating the tear-off in hreobrazovaniya that, ultimately, increases the pressure, i.e. aerodynamic loading and efficiency of a turbomachine. The greatest increase in aerodynamic loading is achieved when

.

В этом случае радиально-вихревая турбомашина по принципу действия трансформируется в вихревую турбомашину, т.к. вихревая камера перекрывает полностью межлопаточные каналы колеса, и основную роль в развиваемом турбомашиной давлении будет играть циркуляция потока внутри вихревой камеры.In this case, the radial vortex turbomachine is transformed by the principle of action into a vortex turbomachine, because the vortex chamber blocks completely the interscapular channels of the wheel, and the main role in the pressure developed by the turbomachine will be played by the circulation of the flow inside the vortex chamber.

Claims

A radial vortex turbomachine containing a spiral casing, an impeller with a bearing, cover discs and blades located between them, having longitudinal and additional protrusions in the region of the trailing edge, characterized in that said protrusions are aligned in the region of the trailing edge of the blade, forming an annular cylindrical chamber with tangential inlet channel and perforated shell mounted on the carrier and cover disks parallel to the trailing edge of the blade so that it is tangent to it along the line of intersection the plane passing through the axis of the chamber and the trailing edge of the scapula is parallel to the tangent to the back and working surfaces of the scapula in its trailing edge.