Ротор волнового обменника давления

 

Использование: в энергетическом машиностроении при проектировании роторов волновых обменников давления. Сущность изобретения: ячейки ротора имеют изгиб, выпуклостью обращенный в направлении вращения. Ротор снабжен ступицей, связанной с его боковой стенкой посредством спиц, тангенциально сопряженных со ступицей. Спицы имеют вогнутый или приблизительно вогнутый изгиб в направлении вращения. Такое выполнение позволяет компенсировать термические и механические деформации. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и касается усовершенствования ротора волнового обменника давления.

В волновых обменниках давления при их использовании в качестве наддувочного устройства для двигателей внутреннего сгорания окружающий воздух сжимается с образованием наддувочного воздуха, а при их использовании в качестве ступени компрессора высокого давления газотурбинной установки предварительно сжатый воздух еще более сжимается для создания газообразного топлива для турбины высокого давления. При этом компрессия воздуха происходит в роторе, по периметру которого в современных конструкциях располагаются как правило осепараллельные ячейки, в которых воздух без жесткого разделительного элемента непосредственно входит в контакт с отработавшими газами двигателя или с газообразным топливом, отводимым из камеры сгорания турбоагрегата. Для управления впуском и выпуском воздуха и газа в ячейки или из ячеек на каждой из обеих торцовых сторон ротора находится корпус с каналами для подвода и/или отвода обеих сред, участвующих в процессе образования волны давления.

Наиболее близким аналогом к изобретению является ротор волнового обменника давления, содержащий равномерно распределенные по его периметру ячейки, расположенные радиально и предназначенные для приема во время работы двух газообразных сред для компрессии первой среды за счет волны давления второй среды. Однако это устройство имеет ряд недостатков.

Критическое, имеющее решающее значение для процесса, проходящего в обменнике давления, обстоятельство заключается в том, что размеры ячеек нельзя увеличивать сколь угодно без отрицательного влияния на процесс, происходящий в обменнике давления, поэтому для обменников с различной мощностью приходится изготавливать роторы различных диаметров.

В основу изобретения положена задача предусмотреть в роторе обменника давления такое выполнение ячеек, чтобы они могли быть увеличены в какой угодно степени без отрицательного влияния при этом на процесс, происходящий в обменнике.

Существенное преимущество изобретения заключается в том, что процессы перемешивания при открывании ячейки и силы Кориолиса находятся в одной и той же плоскости. Поэтому размеры ячейки должны быть небольшими только в окружном направлении, в то время как в осевом направлении никаких ограничений для размеров ячеек нет. Благодаря этому можно уменьшить сопротивление трения и теплоотдачу по сравнению с почти квадратной ячейкой. Кроме того, можно изготавливать обменники различной мощности путем изменения только длины ротора при том же диаметре.

Другое преимущество изобретения заключается в том, что силы Кориолиса, возникающие в результате радиального движения в системе, могут быть компенсированы полностью или частично благодаря соответствующей кривизне ячеек в окружном направлении.

На фиг. 1 схематично изображен описываемый ротор волнового обменника давления, продольный разрез; на фиг. 2 - тот же обменник, поперечный разрез.

Ротор 1 волнового обменника давления содержит равномерно распределенные по его периметру ячейки 2, расположенные радиально и предназначенные для приема во время работы двух газообразных сред для компрессии первой среды за счет волны давления второй среды, причем ячейки 2 имеют изгиб, выпуклостью обращенный в направлении вращения. Ротор 1 снабжен ступицей 3, связанной с его боковой стенкой посредством спиц 4, тангенциально сопряженных со ступицей 3. Спицы 4 имеют вогнутый или приблизительно вогнутый изгиб в направлении вращения.

Входящий поток 5 или 5а и выходящий поток 6 или 6а направлены перпендикулярно оси вращения ротора 1. Благодаря такой конфигурации процессы смешивания при открывании ячейки и силы Кориолиса, возникающие в результате расположения ячеек 2, имеют место в одной плоскости, что оказывает благоприятное воздействие на процессы энергообмена. Исходя из этого следует размеры ячеек соблюдать небольшими только в окруженном направлении, в то время как в осевом направлении никаких ограничений для размеров ячеек нет. В результате этого можно уменьшить сопротивление трения и теплоотдачу по сравнению с почти квадратными ячейками, известными из уровня техники. Обменники различной мощности могут отличаться только изменением длины ротора 1 без каких-либо изменений диаметра. Таким образом, можно разработать более компактную конструкцию и, следовательно, увеличить возможности использования ротора 1 с ячейками, так как в большинстве случаев увеличение диаметра ротора 1 невозможно по конструктивным соображениям.

При радиальном движении во вращающейся системе возникают силы Кориолиса. Благодаря соответствующему искривлению ячеек 2 в окружном направлении (фиг. 2) на отдельных стадиях процесса энергообмена эти силы Кориолиса или обусловленные ими процессы смешивания могут быть полностью или частично компенсированы. При этом важно, чтобы ячейки 2 ротора 1 характеризовались выпуклостью в направлении вращения, чтобы выполнялось вышеуказанное положение. При такой конфигурации ротора 1 между относительно горячей боковой стенкой 1а ротора 1 и относительно холодной ступицей 3 возникают большие различия в термическом расширении. Это может быть компенсировано с помощью так называемой эластичной конфигурации соединительных элементов - спиц 4, форма которых такова, что они являются мягкими только в отношении радиально-симметричных растяжений ротора, и пики напряжения могут смещаться из горячей зоны в холодную. Такое выполнение имеет, во-первых, то преимущество, что ступица 3 может оставаться холодной и поэтому только боковая стенка 1а ротора 1 должна быть изготовлена из термостойкого материала. Кроме того, коэффициенты расширения используемых материалов могут быть различными. Очень быстрые температурные изменения (например, изменения режима работы или аварийное отключение) могут быть преодолены без проблемы напряжения, так как не надо ожидать уравнивания температур. Кроме того, это соединение является очень жестким в отношении всех не радиально-симметричных деформаций, поэтому не возникает никаких проблем с частотой собственных колебаний. Геометрия спиц 4, следовательно, должна выбираться таким образом, чтобы напряжения вследствие центробежных сил и различных термических растяжений накладывались на холодную ступицу 3, в то время как на горячем роторе 1 они частично компенсировались; на внешней точке присоединения (ротор 1 с ячейками 2) термическое напряжение было вдвое меньше, чем напряжение от центробежной силы.

Благодаря этому обеспечивается, что, исходя из режима запуска (холодный ротор при номинальных оборотах) с возрастающей температурой ротора 1, напряжение на ступице 3 возрастает, а на роторе 1 снижается. Этим учитывается возрастание нагрузки на материал с повышением температуры. Путем выбора отношения термического напряжения к центробежному напряжению можно для горячего ротора 1 во всем диапазоне скоростей вращения обеспечить следующее: уровень напряжения на внешней точке присоединения не будет превышать половины значения центробежного напряжения. Это особенно важно при аварийном отключении и для обменников, которые во время работы подвержены сильным колебаниям, например, если ротор 1 с ячейками 2 используется в качестве обменника давления на транспортных средствах.

Спицы 4 тангенциально соединяются со ступицей 3, причем они искривляются к боковой стенке 1а ротора. Кривизна должна быть обращена вогнутостью в направлении ωвращения ротора 1, что обусловлено возникающими вышеуказанными напряжениями. Количество и толщина спиц 4 зависят от величины ротора 1 и от динамических усилий, которые на него воздействуют.

Формула изобретения

1. РОТОР ВОЛНОВОГО ОБМЕННИКА ДАВЛЕНИЯ, содержащий равномерно распределенные по его периметру ячейки, расположенные радиально и предназначенные для приема во время работы двух газообразных сред для компрессии первой среды за счет волны давления второй среды, отличающийся тем, что ячейки ротора имеют изгиб, выпуклостью обращенный в направлении вращения.

2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен ступицей, связанной с боковой стенкой ротора посредством спиц, тангенциально сопряженных со ступицей.

3. Ротор по п. 2, отличающийся тем, что спицы имеют вогнутый или приблизительно вогнутый изгиб в направлении вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2