многоступенчатая вихревая турбомашина

Формула изобретения

1. МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ВИХРЕВАЯ ТУРБОМАШИНА, содержащая корпус с всасывающим и нагнетательными отверстиями, установленный в нем пакет колец статора и ротор, имеющий вал с расположенными на нем пакетом дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора с образованием рабочей камеры, причем рабочие камеры последовательно сообщены одна с другой посредством перепускных каналов, радиальных и осевых зазоров, опоры вала, размещенные в корпусе, отличающаяся тем, что рабочие камеры расположены симметрично относительно плоскости среднего поперечного сечения ротора, всасывающее отверстие расположено в средней части корпуса и сообщено со средними смежными камерами, а крайние рабочие камеры сообщены с нагнетательными отверстиями, опоры размещены с противоположных сторон ротора, причем одна из опор зафиксирована от продольного перемещения, а другая - выполнена плавающей, осевые зазоры между кольцами и дисками выполнены переменными, увеличивающимися в сторону плавающей опоры, статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора, расположенного между крайним кольцом статора со стороны плавающей опоры, и корпусом, при этом сопротивление нагнетательного отверстия, сообщенного с камерой, расположенной со стороны плавающей опоры, выполнено большим, чем сопротивление другого нагнетательного отверстия.

2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что по крайней мере в одном нагнетательном отверстии размещен регулируемый дроссель.

3. Турбомашина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена датчиками давлений, установленными в крайних рабочих камерах, и блоком управления, входы которого связаны с датчиками, а выход - с приводом регулируемого дросселя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в компрессорных, вакуумных и насосных установках, а также в гидропневмодвигателях.

Известна многоступенчатая вихревая машина, содержащая последовательно соединенные друг с другом рабочие камеры, заключенные между статором корпуса и ротором (см. авт.св. СССР N 1583644, кл. F 01 D 13/00, 1988). Недостатком данной машины является низкий КПД, обусловленный перетечками рабочей среды из высоконапорного патрубка машины в низконапорный патрубок по кольцевым зазорам между цилиндрическими поверхностями ротора и статора.

Прототипом предложенной машины является вихревая машина, содержащая корпус со статором, выполненным в виде пакета колец, вал с ротором, выполненным в виде пакета дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора, и опоры вала, размещенные в корпусе, причем рабочие камеры, заключенные между дисками ротора и кольцами статора, последовательно сообщены друг с другом перепускными каналами и радиальными и осевыми зазорами между кольцами и дисками статора и ротора (см. Анохин В.Д. и Богатырев А.Г. Теория и расчет вихревых турбомашин. М., Всесоюзный заочный машиностроительный институт, 1986, с. 59-60, рис. 5.3).

В этой машине значительно снижены обратные перетечки рабочей среды со стороны нагнетания в сторону всасывания по зазорам между статором и ротором благодаря их большой протяженности и сложной конфигурации. Однако при работе данной машины на роторе возникает осевое усилие, обусловленное разностью давлений в крайних рабочих камерах, воспринимаемое опорами и снижающее надежность их работы.

Целью изобретения является повышение надежности работы вихревой турбомашины.

Для этого в заявленной многоступенчатой вихревой машине, содержащей корпус со статором, выполненным в виде пакета колец ,вал с ротором, выполненным в виде пакета дисков, каждый из которых расположен между кольцами статора, и опоры вала, размещенные в корпусе, рабочие камеры, заключенные между дисками ротора и кольцами статора, последовательно сообщены друг с другом перепускными каналами и радиальными и осевыми зазорами между кольцами и дисками статора и ротора и расположены симметрично плоскости поперечного сечения ротора, корпус выполнен с одним всасывающим отверстием, сообщенным со средними смежными камерами, и двумя нагнетательными отверстиями, сообщенными с крайними камерами, опоры расположены с противоположных сторон ротора, одна из опор зафиксирована в корпусе и на валу от продольного перемещения, а другая выполнена плавающей, осевые зазоры между кольцами и дисками выполнены увеличивающимися в сторону плавающей опоры, статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора, расположенного между статором и корпусом со стороны плавающей опоры, при этом сопротивление нагнетательного отверстия, сообщенного с камерой, расположенной со стороны плавающей опоры, выполнено большим, чем сопротивление другого нагнетательного отверстия.

Кроме того, по крайней мере в одном нагнетательном отверстии может быть размещен регулируемый дроссель, обеспечивающий облегчение получения необходимой разницы давлений в нагнетательных отверстиях для выравнивания давлений, действующих на ротор с противоположных сторон.

При снабжении машины датчиками давлений, установленными в крайних рабочих камерах, и блоком управления, входы которого связаны с датчиками, а выход - с приводом упомянутого регулируемого дросселя, обеспечивается автоматическая настройка дросселя в процессе работы без участия обслуживающего персонала.

На чертеже представлена вихревая турбомашина, общий вид.

Вихревая машина содержит корпус 1 со статором, выполненным в виде пакета колец 2, и ротор, выполненный в виде пакета дисков 3. Каждый диск 3 расположен между кольцами 2 статора и зафиксирован на валу 4. Вал 4 установлен в корпусе на опорах 5 и 6, расположенных с противоположных сторон ротора, причем одна из опор, например опора 5, зафиксирована в корпусе и на валу от продольного перемещения, а опора 6 выполнена плавающей.

Рабочие камеры 7, заключенные между дисками 3 и кольцами 2, расположены симметрично плоскости поперечного сечения ротора и сообщены друг с другом перепускными каналами 8 и радиальными и осевыми зазорами 9 и 10 между кольцами 2 и дисками 3. В каждой рабочей камере размещены лопатки 11 и отсекатель 12, закрепленные на дисках и кольцах соответственно.

Средние смежные рабочие камеры 7 сообщены с одним общим всасывающим отверстием 13 корпуса 1, а каждая крайняя камера - с одним из двух нагнетательных отверстий 14 и 15, расположенных в корпусе с противоположных сторон ротора. При этом сопротивление нагнетательного отверстия 14, расположенного со стороны плавающей опоры 6, больше чем сопротивление отверстия 15.

Осевые зазоры 10 между кольцами и дисками выполнены увеличивающимися в сторону опоры 6, т.е. чем ближе к опоре 6 расположены диски и кольца, тем осевой зазор 10 между ними больше.

Статор снабжен компенсатором температурного расширения, выполненным в виде подпружиненного упора 16, расположенного между корпусом и статором со стороны опоры 6.

В крайних рабочих камерах 7 установлены датчики давлений 17 и 18, связанные с блоком 19 управления. Выход блока управления связан с приводом 20 регулируемого дросселя 21, установленного в одном из нагнетательных отверстий. На выходе из нагнетательных отверстий установлены глушители 22 и 23 шума.

Блок управления может содержать первый сумматор, один вход которого соединен с одним входом блока управления непосредственно, а второй вход - с другим входом блока управления через инвертор, второй сумматор, один вход которого подключен к задатчику 27 статического сигнала, второй вход - к выходу первого сумматора, а выход через усилитель к выходу блока управления.

В режиме насоса машина работает следующим образом.

При вращении ротора рабочая среда засасывается через отверстие 13 и разделяется на два потока, попадая в средние смежные камеры. В каждой рабочей камере среда под действием на нее лопаток и стенок рабочей камеры начинает совершать спиралевидное движение, направленное к перепускному каналу, сообщенному с последующей рабочей камерой. Таким образом, рабочая среда, проходя двумя потоками последовательно от средних рабочих камер к крайним с меньшим поперечным сечением, повышает свое давление и выбрасывается через нагнетательные отверстия.

При этом по осевым и радиальным зазорам 9 и 10 между кольцами статора и дисками ротора происходят обратные перетечки рабочей среды во всасывающее отверстие 13, снижающие давление в крайних рабочих камерах 7.

В номинальном режиме работы машины после стабилизации температуры элементов машины происходит их тепловая деформация. При этом удлинение статора относительно корпуса компенсируется упором 16, ротора - плавающей опорой 6, а изменение взаимного положения дисков ротора и колец статора - осевыми зазорами 10, которые для этого увеличиваются в сторону опоры 6.

Поскольку осевые зазоры с противоположных сторон от всасывающего отверстия 13 не одинаковы, обратные перетечки рабочей среды из камеры, расположенной со стороны опоры 6, больше, чем из противоположной камеры, что должно было бы привести к разнице давлений в крайних рабочих камерах и возникновению осевого усилия на роторе, нагружающего опору. Однако благодаря тому, что сопротивление нагнетательного отверстия 14 больше, чем отверстия 15, рабочая точка на характеристике камеры, расположенной со стороны опоры 6, смещается в зону пониженного расхода и более высокого напора относительно рабочей точки противоположной камеры. Разность давлений в этих камерах, вызванная обратными перетечками рабочей среды, компенсируется в результате разностью давлений от неравенства напора в камерах, расположенных симметрично относительно плоскости поперечного сечения.

Для более точной компенсации разности давлений, вызванной обратными перетечками, измеряются давления в крайних рабочих камерах с помощью датчиков 17 и 18 и по ним на блоке 19 управления вырабатывается сигнал, управляющий положением регулируемого дросселя 21. При работе машины в режиме двигателя давление подается в нагнетательные отверстия.