Турбокомпресор і спосіб його роботи

1 Турбокомпресор, що містить у собі корпус із сопловим, всмоктувальним, дифузорним і нагнітальним каналами, всередині якого встановлено робоче колесо, яке створює разом з корпусом робочий канал, який відрізняється тим, що робоче колесо розташоване таким чином, що його лопатки знаходяться частково в турбінній частині, яка, в свою чергу, складається із соплового, робочого, дифузорного каналів, і в компресорній частині, яка містить у собі всмоктувальний, робочий, нагнітальний канали, при цьому турбінна частина відділена від компресорної двома перемичками, встановленими з боків підведення і відведення газів до робочого каналу 2 Турбокомпресор за п 1, який відрізняється тим, що колесо виконане діагональним або радіальним, і для компресорної частини середній діаметр робочого канала від входу до виходу збільшується 3 Турбокомпресор за п 1, який відрізняється тим, що сопловий, всмоктувальний, дифузорний, нагнітальний канали мають напрямні лопатки 4 Турбокомпресор за п 1, який відрізняється тим, що поверхні проточних частин турбіни і компресора виконані з конструкційних матеріалів з малим коефіцієнтом теплопровідності Винахід відноситься до машинобудування і може використовуватися, зокрема, для надування двигунів внутрішнього - згорання (ДВЭ), у газотурбінних двигунах (ГТД),в турбодетандерах і в інших теплоенергетичних пристроях ВІДОМІ турбокомпресори з різними комбінаціями осьових, відцентрових і діагональних компресорів, доцентрових, діагональних та осьових турбін, робочі колеса яких знаходяться на одному 5 Турбокомпресор за п 1, який відрізняється тим, що сопловий і всмоктувальний канали розташовані з одного боку робочого каналу, а дифузорний і нагнітальний канали - з другого, при цьому у осьовому напрямі напрямок руху активного і пасивного газів у робочому каналі співпадають 6 Турбокомпресор за п 1, який відрізняється тим, що нагнітальний і сопловий канали розташовані з одного боку робочого каналу, а дифузорний і всмоктувальний канали - з другого, при цьому у осьовому напрямі напрямок руху активного і пасивного газів у робочому каналі зустрічний 7 Спосіб роботи турбокомпресора, що полягає в тому, що активний газ подають через сопловий канал у робочий для відводу механічної енергії і крізь дифузорний канал виводять із турбінної частини турбокомпресора, а пасивний газ подають через всмоктувальний канал у робочий для підводу механічної енергії і крізь нагнітальний канал виводять із компресорної частини, який відрізняється тим, що підведення та відведення механічної енергії ВІДПОВІДНО до пасивного і активного газів здійснюють за допомогою лопаток одного робочого колеса, які знаходяться періодично в турбінній і компресорній частинах, причому активний та пасивний гази подають у робочий канал з одного його боку, а виводять - з другого, при цьому розділення газів здійснюють за допомогою перемичок 8 Спосіб роботи турбокомпресора за п 7, який відрізняється тим, що першою порцією пасивного газу, яка потрапляє в робочий канал, здійснюють продувку останнього від залишків активного газу валу Енергія, необхідна для стиснення газу компресором, передається по валу от газової турбіни Необхідною умовою роботи турбокомпресора,крім рівності частот обертання компресора та турбіни, в також рівність їх ефективних потужностей на кожному режимі (Холщевников К В, Емин О Н .Митрохин В Т Теория и расчет авиационных лопаточных машин -М Машиностроение, 1986432 с) О СО (О 61913 Недоліком цих турбокомпресорів є складність їх конструкції Вони ефективні лише при великих об'ємних витратах газу, а турбіни, ГТД працюють при температурі газу суттєво нижче від оптимальної У багатьох енергетичних установках при високій температурі газу на виході з камери згорання (Тг*>1150К) використовують лопатки турбін ,що охолоджуються (Пономарев Б А Настоящее и будущее авиационных двигателей -М Воениздат,1982- 240с), тому що підвищення початкової температури газу перед турбіною - один із головних шляхів удосконалення ГТД та інших енергетичних установок Найбільш поширеним способом охолодження газових турбін сучасних ГТД є спосіб відкритого повітряного охолодження Як охолоджуючий агент у цьому випадку використовують повітря, що відбирається за останнім (або проміжним) ступенем компресора Після охолодження гарячих частин турбіни підігріте повітря випускається у її проточну частину, де воно змішується з основним газовим потоком і бере участь у подальшому робочому процесі двигуна Недоліком використання лопаток турбін, що охолоджуються, є висока складність і вартість їх виготовлення, а також суттєве ускладнення конструкції двигуна При великих температурах газу витрата повітря, необхідного для охолодження лопаток турбін, стає зрівняною із загальною витратою повітря у ГТД, що сприяє значному викривленню структури газового потоку і зменшенню ефективності роботи турбіни та двигуна в цілому Для наддування ДВЗ частіше всього використовують турбокомпресори з осерадіальним компресором внаслідок його простоти конструкції, прийнятного ККД і досить високого напору колеса Осьові турбіни використовують, як правило» для дизелів великої та середньої потужностей, радіальні - в основному для дизелів автотракторного призначення (Дизели Справочник Изд 3-е, перераб и доп /Под общ ред Ваншейдта В А и др Л Машиностроение, 1977 - 480 с ) При малих витратах газу та великих перепадах тиску застосовують турбіни з повторним підводом газу (Быков Н Н , Емин О Н Выбор параметров и расчет маломощных турбин для привода агрегатов -М Машиностроение, 1972- 228 с) їх використання дозволяє підвищити приблизно на 10 20% ефективність енергообміну та температуру газу, але призводить до суттєвого ускладнення конструкції і збільшення габаритних розмірів турбіни ВІДОМІ тангенціальні турбомашини (Байбаков О В Вихревые гидравлические машины -М Машиностроение, 1981 - 197 с), які містять у собі корпус з каналами, що підводять і відводять газ, і розташований у ньому ротор з робочими органами різної форми, який створює з корпусом кільцевий робочий канал ПІДВІДНИЙ та ВІДВІДНИЙ канали відділені спеціальною перегородкою - перемичкою Цей тип турбомашин використовують, як правило, при малих об'ємних витратах газу та великих перепадах тиску Недоліком цього типу машин при застосуванні їх у турбокомпресорах є невисоке значення ККД (до 60%) внаслідок значних об'єм них і вентиляційних витрат Для наддування ДВЗ ІНОДІ використовують хвильові обмінники тиску їх пристрій та спосіб роботи декілька схожі з технічними рішеннями, що пропонуються Вони являють собою циліндричний корпус, в якому розташований обертовий ротор із радіальними перегородками, що створюють канали трапецієподібного перерізу Ротор приводиться в обертання від вала двигуна Один із торців за допомогою вікон з'єднується із трубопроводами для підведення та відведення повітря, а другий торець - з аналогічними трубопроводами для підведення та відведення стискального газу Спосіб роботи хвильових обмінників тиску такий Спочатку один із каналів ротора з обох торцевих боків закритий і заповнений атмосферним повітрям При обертанні ротора другий торець каналу сполучається спершу з вікнам підведення стискального газу, внаслідок чого виникає хвиля тиску, котра розповсюджується у каналі із надзвуковою швидкістю і стискає повітря, що там знаходиться Одночасно в канал, водять механічну енергію, передану від колеса турбіни, а потім через нагнітальний канал пасивний газ виводять із компресора Оскільки колеса турбіни та компресора з'єднані разом, то механічна енергія передається до колеса компресора без допомоги вала Недоліком цієї будови турбокомпресора і способу його роботи є порівняно складна конструкція ротора з досить великими габаритними розмірами всього агрегату, турбіна має обмеження по температурі залежно від матеріалу, що використовується Технічною задачею винаходу є створення простішого, з меншими габаритними розмірами турбокомпресора для наддування поршневих двигунів, здатного працювати при більш високих температурах газу (Тг*>1500 1800К) перед турбіною порівняно з відомими турбокомпресорами Вказана технічна задача вирішується тим, що в турбокомпресорі, який містить корпус із сопловим, всмоктувальним, дифузорним і нагнітальним каналами, всередині якого встановлено робоче колесо, що створює разом з корпусом робочий канал, згідно з винаходом, робоче колесо встановлено таким чином, що його лопатки знаходяться і в турбінній частині, яка містить у собі сопловий, робочий, дифузорний канали, і в компресорній частині, яка містить всмоктувальний, робочий, нагнітальний канали, при цьому турбінна частина відокремлена від компресорної двома перемичками по обидва боки робочого каналу Вказана технічна задача вирішується також тим, що колесо виконано або діагональним,або радіальним і для компресорної частини середній діаметр робочого каналу від входу до виходу збільшується Вказана технічна задача вирішується також тим, що в сопловому, всмоктувальному, дифузорному та нагнітальному каналах розташовані напрямні лопатки Вказана технічна задача вирішується також тим, що в ТК поверхні проточних частин турбіни і компресора виконані з конструкційних матеріалів з малим коефіцієнтом теплопровідності Вказана технічна задача вирішується також 61913 тим, що у ТК сопловий і всмоктувальний канали розташовані з одного боку робочого каналу, а дифузорний і нагнітальний канали - з другого, при цьому у вісьовому напрямку рух активного і пасивного газів у робочому каналі збігається Вказана технічна задача вирішується також тим, що у ТК нагнітальний і сопловий канали розташовані з одного боку робочого каналу, а дифузорний і всмоктувальний канали - з другого, при цьому у вісьовому напрямку рух активного і пасивного газів у робочому каналі протилежний Вказана технічна задача вирішується тим, що спосіб роботи турбо-компресора, який полягає в тому, що активний газ подають через сопловий канал у робочий канал, де від нього відводять механічну енергію, а потім через дифузорний канал його виводять із турбінної частини турбокомпресора, і пасивний газ подають через всмоктувальний канал у робочий канал, де до нього підводять механічну енергію, а потім через нагнітальний канал виводять із компресорної частини, згідно з винаходом, підведення та відведення механічної енергії ВІДПОВІДНО до пасивного і активного газів здійснюється за допомогою лопаток одного робочого колеса, які знаходяться періодично в турбінній і компресорній частинах, причому активний та пасивний гази подають у робочий канал з одного його боку, а випускають - із другого, при цьому розділення активного газу від пасивного здійснюється за допомогою перемичок Вказана технічна задача вирішується також тим, що першою порцією пасивного газу, яка потрапляє в робочий канал, здійснюють продування останнього від залишків активного газу, тобто його спрямовують у дифузорний канал Завдяки тому, що лопатки періодично працюють у компресорній ітурбінній частинах, температура матеріалу на їх поверхнях буде суттєво нижче від температури газу Вона залежить від середньої температури газового потоку тсер _ TKGK + T T G T GK+G T де Тк, Тт - температури пасивного газу в компресорі і ВІДПОВІДНО активного газу в турбіні, GK, GT - масові витрати пасивного газу через компресорну частину і ВІДПОВІДНО активного газу через турбінну частину Для збільшення ефективності компресорної частини турбокомпресора, зокрема, його напору, колесо має бути або діагональним,, або радіальним, тобто середній діаметр робочого каналу від входу до виходу повинен збільшуватися Застосування напрямних лопаток у сопловому, всмоктувальному, дифузорному та нагнітальному каналах дозволяв забезпечити потрібні значення швидкостей та напрямки руху газів перед і за робочим каналом Використання конструкційних матеріалів з малим коефіцієнтом теплопровідності, наприклад із кераміки, на поверхнях проточних частин турбіни та компресора дозволяє суттєво зменшити теплові потоки із турбінної частини в компресорну Відділення турбінної частини від компресорної двома перемичками по обидва боки робочого каналу дозволяє забезпечити мінімальні перетікання газу із однієї частини в другу Якщо в робочому каналі у вісьовому напрямку рух активного та пасивного газів збігається, то схему течи можна назвати прямоточною, а якщо протилежний, -то протиточною В першому випадку сопловий та всмоктувальний канали знаходяться з одного боку, а дифузорний і нагнітальний канали - з другого боку або боків робочого каналу У другому випадку всмоктувальний та дифузорний канали з одного боку, а нагнітальний і сопловий канали - з другого боку або боків робочого каналу Кожна із схем течи в деяких випадках має більшу перевагу При відповідному підборі протяжності та взаємному розташуванні всмоктувального та дифузорного каналів у коловому напрямку, першою порцією пасивного газу, який надходить у робочий канал, можна здійснити його продування від залишків активного газу, тобто ця порція пасивного газу разом із залишками активного газу надходить у дифузорний канал У цьому випадку дещо знизиться напір компресорної частини На фіг 1 зображено будову турбокомпресора в поперечному перерізі, на фіг 2 - переріз А-А на фіг 1, на фіг 3 - переріз В-В на фіг 1, на фіг 3 показано варіант розташування каналів при прямоточній схемі течи, а на фіг 4 - при протиточній Турбокомпресор містить у собі корпус 1 із сопловим 2,дифузорним 3, всмоктувальним 4 і нагнітальним 5 каналами, всередині якого встановлено робоче колесо 6, яке створює разом з корпусом 1 робочий канал 7, причому робоче колесо б розташоване таким чином, що його, лопатки 8 знаходяться і в турбінній частині 9, яка містить у собі сопловий 2, робочий 7, дифузорний 4 канали, і в компресорній частині 10, яка містить у собі всмоктувальний 3,робочий 7,нагнітальний 5 канали, при цьому турбінна частина 9 відділена від компресорної 10 двома перемичками Постановленими з боків підведення і відведення газів до робочого каналу 7 В сопловому 2, дифузорному 3, всмоктувальному 4 і нагнітальному 5 каналах розташовані напрямні лопатки 12 Спосіб роботи турбокомпресора такий Стиснений і нагрітий газ, названий активним, подається в турбінну частину 9, де в сопловому каналі 2 він прискорюється до заданої швидкості і спрямовується у робочий канал 7, де при обтіканні лопаток 8 робочого колеса 2 виникає різниця тиску газу, яка примушує обертатися робоче колесо 6 Після робочого каналу активний газ надходить у дифузорний канал 4 для зменшення швидкості його руху і зростання термодинамічного тиску, наприклад до атмосферного, після чого він виводиться із турбінної частини 9 Тим часом пасивний газ надходить у всмоктувальний канал 3, в якому він набуває необхідного напрямку і швидкості руху для робочого каналу 7, в якому до нього підводиться механічна енергія Після робочого каналу 7 пасивний газ спрямовується в нагнітальний канал 5, в якому зменшується швидкість його руху і збільшується термодинамічний тиск Перемички 11 міх турбінною 9 і компресорною 10 частинами перешкоджають перетіканню газів із одної частини в другу Використання напрямних лопаток 12 у сопловому 2, всмоктувальному 4, дифузорному 3 та 61913 нагнітальному 5 каналах дозволяє забезпечити необхідний напрямок руху газів перед і за робочим каналом 7 Запропонований спосіб роботи і пристрій турбокомпресора досліджувалися розрахунковим шляхом, здійснено пошук оптимальної геометрії та розмірів проточних частин компресора і турбіни, внаслідок чого встановлено, що запропонований турбокомпресор у порівнянні з відомими має такі переваги найпростіша конструкція і менша вартість виготовлення, можливість працювати при більш високій температурі газу перед турбіною, тому що лопатки періодично взаємодіють з активним и пасивним газами Варіюванням форми і розмірів робочого колеса та його лопаток можна суттєво впливати на значення механічної енергії, підведеної до пасив Рис І 8 ного газу та відведеної від активного газу, але для збільшення ефективності роботи компресорної частини середній діаметр робочого каналу від входу до виходу має збільшуватися В цей час розроблено конструкцію запропонованого турбокомпресора для двигунів потужністю до 180кВт, планується його виготовлення та випробування Таким чином, запропонований турбокомпресор з одним робочим колесом компресора і турбіни має найпростішу конструкцію, менші габаритні розміри та масу, дає можливість підвищити температуру газу перед турбіною і, як показали розрахунки, може працювати з прийнятною ефективністю в ДВЗ Відзначені властивості турбокомпресора повинні зацікавити спеціалістів з двигунобудування, оскільки вони суттєво розширюють їх можливості при створенні нових двигунів Рис 2 Рис.4 Комп'ютерна верстка С Волобуев Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна