Поворотное устройство
Изобретение относится к области машиностроения для газотурбинных двигателей. Изобретение направлено на обеспечение минимальных аэродинамических потерь в устройстве. Предложено поворотное устройство, содержащее внутреннюю 5 и внешнюю 4 радиусные стенки, сопрягающие входное 8 и выходное 9 сечения прямоугольной формы с возможностью поворота потока на 90° и по меньшей мере один рассекатель 7 радиусной формы в полости. Входные кромки 12 рассекателей 7 на входе в поворотное устройство расположены параллельно потоку выхлопных газов, а количество рассекателей выполнено в диапазоне от одного до четырех. Полость 6 между внутренней 5 и внешней 4 стенками заполнена теплоизоляцией 10, а внешняя 4 стенка выполнена с ребрами жесткости 11. Рассекатели могут быть выполнены из листовой низкоуглеродистой конструкционной или нержавеющей стали и имеют толщину от 2 до 12 мм. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области машиностроения для газотурбинных технологий и может быть использовано при создании новых и реконструкции действующих установок и машинных комплексов, где в качестве силового привода применяются ГТД (газотурбинные двигатели) авиационного или другого типа, например, ГПА (газоперекачивающих агрегатов) компрессорных станций на магистральных газопроводах.
Известно поворотное устройство по международному патенту на изобретение № WO 2018/138055, ПМК F01D 35/30, опубл. 02.08.2018 г.
Это поворотное устройство содержит корпус в виде прямоугольной призмы, внутреннего диффузора и внешнего диффузора и центробежного направляющего элемента в нижней части корпуса.
Недостатки: большие габариты, вес и металлоемкость устройства.
Известно выхлопное устройство в составе ГПА по А. Св. СССР №1714166, ПМК F01D 25/30, опубл. 23.02.1992 г.
Это устройство содержит осерадиальный диффузор, образованный наружным и внутренним обводами, выхлопную камеру с выходным патрубком. В наружном обводе со стороны, противоположной выходному патрубку, выполнена полукольцевая щель.
Недостатки: большие вес и габариты устройства и большие аэродинамические потери при истечении выхлопных газов.
Известно поворотное устройство, содержащее внутреннюю и внешнюю радиусные стенки, сопрягающие входное и выходное сечения прямоугольной формы с возможностью поворота потока на 90° и, по меньшей мере, один рассекатель криволинейной формы в полости, по заявке US №2003/0072648, МПК F01D 5/10, опубл. 17.04.2003 г., прототип.
Недостаток: большие аэродинамические потери при движении выхлопных газов в устройстве.
Задача создания изобретения: обеспечение минимальных аэродинамических потерь в устройстве.
Достигнутый технический результат: обеспечение минимальных аэродинамических потерь в устройстве.
Решение указанной задачи достигнуто в поворотном устройстве, содержащем внутреннюю и внешнюю радиусные стенки, сопрягающие входное и выходное сечения прямоугольной формы с возможностью поворота потока на 90° и, по меньшей мере, один рассекатель радиусной формы в полости, тем, что входные кромки рассекателей на входе в поворотное устройство расположены параллельно потоку выхлопных газов, а количество рассекателей выполнено в диапазоне от одного до четырех, полость между внутренней и внешней стенками заполнена теплоизоляцией, внешняя стенка выполнена с ребрами жесткости.
Рассекатели могут быть выполнены из листовой низкоуглеродистой конструкционной или нержавеющей стали и имеют толщину от 2 до 12 мм.
Поворотное устройство выполнено, по меньшей мере, с одним рассекателем, входная кромка которого смещена относительно входного сечения на угол
α=5-45°.
где α - угол установки входных кромок рассекателей,
угол установки рассекателей определяют из соотношения:
β=90°-α,
где β - угол установки рассекателей.
Поворотное устройство может быть выполнено, по меньшей мере, с одним относительно коротким рассекателем, количество относительно коротких рассекателей выполнено в диапазоне от одного до четырех, половина угла поворота относительно короткого рассекателя ϕ будет определена из диапазона:
ϕ=15-30°,
где ϕ - половина угла поворота относительно коротких рассекателей.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-9, где:
на Фиг. 1 приведен монтаж поворотного устройства в системе выхлопа,
на Фиг. 2 приведен первый вариант выхлопного устройства с одним длинным рассекателем,
на Фиг. 3 приведен второй вариант выхлопного устройства с двумя длинными рассекателями,
на Фиг. 4 приведен третий вариант выхлопного устройства с тремя длинным рассекателями,
на Фиг. 5 приведен четвертый вариант выхлопного устройства с четырьмя длинными рассекателями,
на фиг. 6 приведен пятый вариант выхлопного устройства с одним относительно коротким рассекателем,
на Фиг. 7 приведен шестой вариант выхлопного устройства с двумя относительно коротким рассекателем,
на Фиг. 8 приведен седьмой вариант выхлопного устройства с тремя относительно короткими рассекателями,
на Фиг. 9 приведен восьмой вариант выхлопного устройства с четырьмя относительно короткими рассекателями,
Условные обозначения, принятые в описании.
поворотное устройство 1,
горизонтальный блок 2,
вертикальный блок 3,
внешняя стенка 4,
внутренняя стенка 5,
полость 6,
рассекатель 7,
входное сечение 8,
выходное сечение 9,
теплоизоляция 10,
ребра жесткости 11,
входная кромка 12,
выходная кромка 13.
Поворотное устройство 1 (фиг. 1) установлено между горизонтальным блоком 2 и вертикальным блоком 3.
Поворотное устройство 1 имеет внешнюю стенку 4 и внутреннюю стенку 5 с полость 6 между ними. В полости 6 установлен, по меньшей мере, один рассекатель 7 изогнутой формы.
Поворотное устройство 1 имеет входное сечение 8 и выходное сечение 9 и предназначено для поворота потока выхлопных газов в выхлопном устройстве ГПА на 90°. Возможны две группы вариантов рассекателей 7:
С длинными рассекателями 7 (фиг. 1-5) и с короткими рассекателями 7, (фиг. 6-9).
Рассекатели 7 могут быть укорочены со стороны входных кромок 12 на угол α.
Угол а для всех вариантов первой группы (фиг. 1-5):
α=5-45°,
где α - угол установки входных кромок 12 рассекателей 7.
Угол установки рассекателей:
β=90°-α,
где β - угол установки рассекателей.
Во второй группе вариантов (Фиг. 6-9) применены относительно короткие рассекатели 7.
Половина угла поворота относительно коротких рассекателей 7 ϕ будет определена из диапазона:
ϕ=15-30°,
где ϕ - половина угла поворота относительно коротких рассекателей 7.
Уменьшение длины рассекателей 7 и их количества до 4-х уменьшает аэродинамические потери при обтекании самих рассекателей 7.
Применение относительно коротких рассекателей 7 (Фиг. 6-9) позволяет получить еще более значительный результат уменьшения аэродинамических потерь из-за уменьшения их длины.
Оптимальность заявленных характеристик рассекателей 7 доказана в Таблицах 1 и 2.
Потери давления в поворотном устройстве (Фиг. 1-5).
Потери давления в поворотном устройстве (фиг. 1-5) с одним, двумя, тремя и четырьмя относительно длинными рассекателя будут минимальными.
Потери давления в поворотном устройстве (Фиг. 6-9) с одним, двумя, тремя и четырьмя относительно-короткими рассекателя будут минимальными.
Из Табл. 1 и 2 следует оптимальность заявленных вариантов поворотного устройства по аэродинамическим потерям.
РАБОТА ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТА В СОСТАВЕ ГПА
При включении ГПА, в первую очередь включают ГТД, входящий в его состав, и он засасывает воздух, сжигает его в камере сгорания и через турбину выбрасывает продукты сгорания в на входное сечение 8 поворотного устройства 1 (ГТД, камера сгорания и турбина на фиг. 1…9 не показаны).
В поворотном устройстве 1 выхлопные газы поворачиваются на 90° и выходят вертикально в выходное сечение 9. Наличие рассекателей 7 предотвращает отрыв потока от внутренней стенки 5 поворотного устройства 1, и как следствие, значительное увеличение аэродинамических потерь в потоке выхлопных газов.
ПРИМЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ПОЗВОЛИЛО
Уменьшить аэродинамические потери потока выхлопных газов в поворотном устройстве и уменьшить его вес, габариты и металлоемкость.
1. Поворотное устройство, содержащее внутреннюю и внешнюю радиусные стенки, сопрягающие входное и выходное сечения прямоугольной формы с возможностью поворота потока на 90° и по меньшей мере один рассекатель радиусной формы в полости, отличающееся тем, что входные кромки рассекателей на входе в поворотное устройство расположены параллельно потоку выхлопных газов, а количество рассекателей выполнено в диапазоне от одного до четырех, полость между внутренней и внешней стенками заполнена теплоизоляцией, внешняя стенка выполнена с ребрами жесткости.
2. Поворотное устройство по п. 1, отличающееся тем, что рассекатели выполнены из листовой низкоуглеродистой конструкционной или нержавеющей стали и имеют толщину от 2 до 12 мм.
3. Поворотное устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено по меньшей мере с одним рассекателем, входная кромка которого смещена относительно входного сечения на угол
α=5-45°,
где α - угол установки входных кромок рассекателей,
угол установки рассекателей определяют из соотношения:
β=90°-α,
где β - угол установки рассекателей.
4. Поворотное устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено по меньшей мере с одним относительно коротким рассекателем, количество относительно коротких рассекателей выполнено в диапазоне от одного до четырех, половина угла поворота относительно коротких рассекателей ϕ будет определена из диапазона:
ϕ=15-30°,
где ϕ - половина угла поворота относительно коротких рассекателей.
