SI22894A - Rotor centrifugalnega turbostroja - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je nova konstrukcija rotorja centrifugalnega turbostroja, na primer puhala, ŽŤrpalke, ventilatorja, ki generira tlaŽŤno razliko in volumski pretok fluida. Rotor (1) centrifugalnega turbostroja po izumu ima spodnjo steno ali pesto (4) in zgornjo steno (3), ki je pritrjena na os (5) turbostroja, pri ŽŤemer struktura poroznega ali celiŽŤnega materiala (2) izpolnjuje v radialni smeri od vrtišŽŤa proti obodu vsaj del rotorja (1) in to prednostno do oboda rotorja, pri ŽŤemer gnani fluid potuje v radialni smeri skozi porozni ali celiŽŤni material (2).

Description

ROTOR CENTRIFUGALNEGA TURBOSTROJA

Predmet izuma je nova konstrukcija rotorja centrifugalnega turbostroja, na primer puhala, črpalke, ventilatorja, ki generira tlačno razliko in volumski pretok fluida.

Tehnični problem

Tehnični problem, ki ga izum rešuje, je kako konstruirati in izdelati rotor centrifugalnega turbostroja, ki bo zagotavljal čim nižji hrup brez diskretnih frekvenc pri majhnih volumskih pretokih fluida, visok izkoristek v čim širšem področju volumskega pretoka ter enakomeren tok fluida brez tlačnih pulzacij.

Znano stanje tehnike

Običajno so rotorji centrifugalnih turbostrojev sestavljeni iz pesta - zadnje stene, ki je pritrjena na gred turbostroja in sprednje stene ter med njima po obodu razporejenih lopatic, preko katerih se prenaša moment iz rotorja motorja na gnani fluid na primer tekočino, to je plin ali kapljevino. Pri polodprtih rotorjih zgornje stene ni, tesnjenje je izvedeno z majhno režo med rotorjem in pokrovom turbostroja. Skupna lastnost delovnih centrifugalnih turbostrojev je, da se dovedeno mehansko delo preko rotor skih lopatic prenaša v stagnacij ski porast tlaka in odnosno povečanje entalpije medija.

Rotorske lopatice torej zagotavljajo osnovno funkcijo puhala, to je prenos energije na fluid, vendar pri tem prenosu prihaja do nekaterih fenomenov, ki so nezaželeni. Tlak na eni strani lopatice je višji, kot tlak na drugi strani, kar povzroča pulzacije v izstopnem toku fluida ter povišan hrup. Pojav »blade passinga« je izrazit pri uporabi lopatičnega difuzorja, ki se uporablja za zmanjševanje kinetične energije fluida in s tem za povečevanje statičnega tlaka. Interakcija med gibajočo lopatico rotorja in mirujočo lopatico statorja povzroči tlačni sunek in s tem generacijo hrupa z izrazito diskretno frekvenco. Ta efekt so v številnih patentih poskušali znižati ali vsaj omiliti, kot je npr. opisano v patentnih dokumentih US6166462, GB656430, FR2780454, US5340275, US4174020, US4279325, US005454690A, SI21831A, SI21778A2 itd.

-2Pri delovanju turbostroja izven optimalne točke zaradi neugodne usmeritve toka fluida na lopatico rotorja prihaja do odlepljanja toka in recirkulacije, kar zmanjšuje izkoristek in generira tako koherentne vrtinčne strukture v specifičnih frekvenčnih področjih kot tudi širokopasoven turbulenten hrup. Pri ekstremno nizkih pretokih prihaja do zastojnih vrtincev in celo povratnega toka ter posledično do pulzacij toka zraka in tudi do 10-20dB povišanega hrupa glede na optimalno točko delovanja turbostroja.

Nikola Tesla v patentu US 1061142 opisuje inovativen pristop prenosa energije, ki ne poteka preko rotorskih lopatic temveč preko mejne plasti vzporednih korotirajočih diskov. Princip je uporaben tako za puhala, turbine in črpalke. Prednosti naprave je odsotnost diskretnih frekvenc v spektru hrupa, robustnost in enostavnost stroja, možnost uporabe pri fluidih z visoko viskoznostjo, abrazivnimi delci ali pri ne-Newtnonijevskih fluidih. Izkoristek prenosa energije med diski je relativno visok, do visokih izgub pa prihaja na izstopu in vstopu v rotor. Skupni izkoristek aerodinamičnega dela turbostroja ne presega 60% in zelo hitro pade izven optimalne točke delovanja, zato do širše komercialne uporabe omenjene rešitve ni prišlo.

Naloga in cilj izuma je takšna konstrukcija rotorja centrifugalnega turbostroja, ki ne bo ustvarjal tlačne razlike na obeh straneh lopatice in bo s tem odpadel eden od mehanizmov nastajanja hrupa, pri uporabi skupaj z difuzorjem ne bo prihajalo do »blade passinga«, recirkulacija toka in zastojni vrtinci ne bodo prisotni, visok izkoristek bo dosežen v širšem območju pretokov, izstopni tok fluida bo enakomeren, brez tlačnih pulzacij, hrup bo širokopasoven oz. t.i. »beli šum« brez pojava diskretnih frekvenc.

Naloga je rešena z rotorjem centrifugalnega turbostroja po neodvisnem patentnem zahtevku.

Opis izuma

Izum bo opisan na osnovi izvedebenih primerov in slik, ki prikazujejo:

Slika 1: naris in prerez izvedbenega primera rotorja po izumu,

Slika 2: izvedbeni primer rotorja, delno zapolnjenega z poroznim materialom, Slika 3: fotografija strukture odprto-celičnega poroznega materiala,

Slike 4a do 4g: različne izvedbe periodičnega celičnega materiala.

-3Na sliki 1 je prikazan izvedbeni primer nove konstrukcija rotorja centrifugalnega turbostroja, kjer se energija iz rotorja 1 na gnani fluid ne prenaša preko rotorskih lopatic, temveč preko rotirajoče strukture poroznega materiala 2. Porozni material 2, s katerim je delno ali v celoti zapolnjen rotor 1 turbostroja, je mehansko zadosti trden visoko porozni material z odprto celično strukturo. Fotografija takega materiala je na sliki 3. Porozni material 2 je prednostno vstavljen med spodnjo steno ali pesto 3 in zgornjo steno 4, tako da tok fluida v aksialni smeri ni mogoč. Rotorje pritrjen na gred motorja, prednostno elektromotorja, in se vrti okoli osi 5. Fluid v rotor vstopa v aksialno v smeri 6 in izstopa radialno v smeri 7.

Rotor po izumu je torej sestavljen iz pesta oziroma zadnje stene, ki je pritrjena na gred turbostroja in sprednje stene ter je med njima struktura poroznega materiala, preko katerega se prenaša moment iz rotorja motorja na gnani fluid. Pri polodprtih rotorjih sprednje stene ni, tesnjenje je izvedeno z majhno režo med rotorjem in pokrovom puhala. Struktura poroznega materiala zapolnjuje v radialni smeri od vrtišča proti obodu vsaj del rotorja in to do oboda rotorja.

Po izumu je lahko struktura poroznega materiala izdelana v enem kosu ali kot sestav iz več sestavnih delov poljubnih oblik. Prav tako je struktura poroznega materiala izdelana poljubne oblike, npr. kot vstopno ustje v obliki lopatic, kontura zgornje ali spodnje stene je lahko paraboličnega ali drugačnega prereza.

Porozni material je sestavljen iz trdnine, prednostno kovine, polimera ali keramike. Poroznost omogoča pretok fluida, prednostno plina ali kapljevine. Gostota poroznega materiala je prednostno med 5% in 30% gostote trdnine. Porozni materiali z večjo gostoto imajo običajno višjo mehansko trdnost, vendar so tudi tlačne izgube pri pretoku fluida ustrezno večje. Pri izbiri materiala je potrebno poiskati kompromis med mehansko trdnostjo in pretočnimi izgubami. Porozni material prikazan na sliki 3 ima odprto celično strukturo, kar pomeni, da so pore v materialu medsebojno povezane, zato je prepusten za tok fluida. Porozni material ima povprečni premer celic med 0.1 in 20 mm, prednostno med 1 in 4 mm. Omenjeni materiali zaradi razvoja ustreznih proizvodnih tehnologij postajajo čedalje bolj tržno zanimivi.

Kot porozni material je možno uporabiti tudi periodični ali neperiodični celični material, ki je sestav različnih sestavnih delov prednostno definiranih geometrijskih oblik. Izraz celični

-4material se nanaša na material celične strukture. Osnovni elementi sestavnih delov so na primer kvadrat, kvader, heksagon, trikotnik, piramida ali drugačne periodične ali periodičnim slične oblike. Nekaj izvedbenih primerov periodičnega celičnega materiala za izdelavo rotorja po izumu je prikazanih na slikah od 4a do 4j. Ti materiali so lahko tudi anizotropni. Prepustnost za tok fluida je tako lahko odvisna od smeri potovanja fluida. Ob ustrezni konstrukciji je na ta način možno doseči največjo prepustnost materiala v smeri tokovnic fluida, kar se odraža v majhnih tlačnih izgubah. Prav tako je možno doseči visoko natezno trdnost in togost poroznega materiala v izvedbi kot celični material, zaradi česar turbostroj lahko obratuje pri visokih vrtilnih hitrostih in posledično dosega visoke podtlake in/ali volumske pretoke. Nosilna konstrukcija poroznega materiala je prednostno iz kovine ali polimera. Material je lahko spojen s spodnjo in/ali zgornjo steno, tako da tvori obliko panela ali sendvič konstrukcije. Z ustrezno tehnologijo je možna velikoserijska proizvodnja materiala in s tem tržna zanimivost rešitve.

Bistvena lastnost rotorja centrifugalnega turbostroja po izumu je, da se dovedeno mehansko delo preko strukture poroznega materiala prenaša v stagnacij ski porast tlaka in odnosno povečanje entalpije medija.

V izvedbenem primeru po sliki 2 je kot rotirajoča struktura uporabljen odprto-celični porozni aluminijast material proizvajalca ERG materials s povprečnim premerom celic 2 mm in je kot fotografija prikazan na sliki 3. Na sliki 3 z je oznako 3.1 shematsko prikazan premer pore in z

3.2 premer celice poroznega materiala. Navedeni material je izkazal zadostno mehansko trdnost in relativno majhen upor pri pretoku fluida. Navedeni material je homogen in izotropen.

V okviru izuma je mogoča tudi uporaba anizotropnega in nehomogenega materiala. Gnani fluid je v tem izvedbenem primeru zrak. Rotor 2.1 centrifugalnega turbostroja, prednostno gnan z elektromotorjem, je pritrjen na gred 2.4 in je sestavljen iz poroznega materiala 2.6, prednostno diskaste oblike, pesta oziroma spodnje stene 2.3, zgornje stene 2.2, inducerja 2.5 in spojnih elementov 2.7, ki so prednostno integrirani v spodnjo steno ali pesto 2.3. Višina poroznega materiala se lahko spreminja v odvisnosti od premera. Prednostno je višina poroznega materiala najvišja na mestu z najmanjšim radijem glede na os gredi 2.4. Opcijsko je lahko v sredini rotorja vstavljen inducer 2.5, ki skrbi za pred rotacijo zraka in preprečuje nastajanje vrtincev v vstopnem ustju rotorja 2.1. Opcijsko je lahko na stacionarnem delu turbostroja vstavljen lopatični ali brezlopatični difuzor 2.8, ki pretvori del kinetične energije zraka v

-5stagnacijski tlak. Inducer 2.5 je lahko integriran v spodnjo steno ali pesto 2.3 ali zgornjo steno 2.2.

Rotor centrifugalnega turbostroja, pri čemer ima rotor spodnjo steno ali pesto, ki je pritrjena na gred turbostroja je značilen po tem, da struktura poroznega materiala ali celičnega materiala zapolnjuje v radialni smeri od vrtišča proti obodu vsaj del rotorja in to prednostno do oboda rotorja, pri čemer gnani fluid potuje v radialni smeri skozi porozni ali celični material. Struktura poroznega ali celičnega materiala je poljubne homogene, nehomogene, izotropne ali anizotropne mikrostrukture in je sestavljen iz trdnine, prednostno kovine, polimera ali keramike, pri čemer je gostota poroznega ali celičnega materiala prednostno med 5% in 30% gostote osnovnega materiala trdnine in je povprečni premer celic med 0.1 in 20 mm, prednostno med 1 in 4 mm. Struktura poroznega ali celičnega materiala je izdelana najmanj iz enega sestavnega dela.

Razume se, da lahko strokovnjak s tega področja na osnovi poznavanja gornjega opisa in njegovega opisanega izvedbenega primera zasnuje tudi drugačne izvedbe, zlasti v smislu drugačnega industrijskega oblikovanja oziroma dimenzioniranja rotorja, ne da bi obšel značilnosti izuma.

Opisani turbostroj po izumu zaradi odsotnosti lopatic nima številnih prej opisanih slabosti lopatičnih turbostroj ev. Ni tlačne razlike na obeh straneh lopatice in s tem enega od glavnih mehanizmov nastajanja hrupa. Pri uporabi skupaj z difuzorjem ne prihaja do »blade passinga«. Prav tako recirkulacija toka in zastojni vrtinci niso prisotni. Posledično je visok izkoristek dosežen v širšem območju pretokov, izstopni tok fluida je enakomeren, brez tlačnih pulzacij. Hrup je širokopasoven brez pojava diskretnih frekvenc. Slabost turbostroja je tlačna izguba in s tem padec izkoristka in generacija turbulentnega hrupa, ki naraščajo z relativno hitrostjo fluida v notranjosti poroznega materiala. Uporaba se zato predvideva v območju nižjih in srednjih volumskih pretokov. V primerjavi s Teslinim brezlopatičnim rotorjem je možno doseči dobre izkoristke v širšem območju volumskih pretokov fluida ter manjše izgube na vstopu in izstopu iz rotorja.

Potencialne aplikacije so povsod, kjer je pomemben nizek nivo hrupa v območju majhnih in srednjih volumskih pretokov. Kovinski porozni material (»metal foam«) se uporablja tudi za filtracijo prašnih delcev in kot izmenjevalnik toplote, zato bi bilo mogoče v sam rotor implementirati tudi ti dve funkciji: hlajenje motorja in filtracija delcev, ki so prisotni v gnanem fluidu.

Claims (4)

1. Patentni zahtevki

   1. Rotor centrifugalnega turbostroja, pri čemer ima rotor spodnjo steno ali pesto, ki je pritrjena na gred turbostroja označen s tem, da struktura poroznega materiala ali celičnega materiala zapolnjuje v radialni smeri od vrtišča proti obodu vsaj del rotorja in to prednostno do oboda rotorja, pri čemer gnani fluid potuje v radialni smeri skozi porozni ali celični material.
2. 2. Rotor po zahtevku 1, označen s tem, da je struktura poroznega ali celičnega materiala poljubne homogene, nehomogene, izotropne ali anizotropne mikrostrukture.
3. 3. Rotor po prejšnjih zahtevkih, označen s tem, da je porozni ali celični material sestavljen iz trdnine, prednostno kovine, polimera ali keramike, pri čemer je gostota poroznega ali celičnega materiala prednostno med 5% in 30% gostote osnovnega materiala trdnine in je povprečni premer celic med 0.1 in 20 mm, prednostno med 1 in 4 mm.
4. 4. Rotor po zahtevku 1, označen s tem, da je struktura poroznega ali celičnega materiala izdelana najmanj iz enega sestavnega dela.