Турбохолодильник своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 28.08.2024

Перечень чертежей:

Чертеж выбора и обоснования метода получения заготовки корпуса подшипников (на формате А1) приведен с таблицей основных критерий выбора заготовки и техническими характеристиками:

Материал детали: Сталь 14Х17Н2 - высоколегированная коррозионно-стойкая сталь.
Легирующий элемент Хром повышает механические свойства при статической и ударной нагрузке.
Обладает удовлетворительной пластичностью и неудовлетворительной жидкостекучестью.

В качестве метода получения заготовки выбран ГОШ в закрытых штампах с одной плоскостью разъема.

Указаны посадки, допуски, позиции

Рабочие чертежи планировки рабочего места и схемы контроля (А1) с указанием габаритных размеров и обозначением позиций:

колонна;
приёсный стол;
тара для заготовок;
тара для готовых изделий;
обрабатывающий центр HAAS ST-10Y;
решётка под ноги;
рабочее место;
стул;
инструментальная тумбочка
резиновая прокладка для демфирования ударов;
гибкий элемент (гофра);
поршень тяжелый настолько, чтобы опустить конструкцию;
подвод к пневмосети

Узел подшипников является базовой сборочной единицей ротора турбохолодильника. Он воспринимает нагрузки, которые возникают в следствие работы колёс турбины и вентилятора под действием нагнетаемого воздуха.

Описание конструкции: основным узлом турбохолодильника является ротор. Ротор состоит из вала, установленного на двух радиально-упорных подшипниках, маслоотражательных втулок, уплотнителей, осевого колеса вентилятора и радиально-осевого колеса турбины. Подшипники опираются на кольца втулок, вставленных в корпус подшипников, который закрыт уплотнителями. Осевое положение регулируется пружиной, распирающей втулки. Соединение узла подшипников с корпусом осуществляется с помощью винтов и шайб. Стопорение соединения обеспечивается проволокой. В корпусе подшипников предусмотрены масляные каналы, а также каналы для прохождения охлаждающего воздуха, отбираемого из полости между колесом турбины и уплотнителем. В корпус ТХ через одно из отверстий, расположенных в верхней части корпуса заливается масло для смазки подшипников с помощью фитилей. Представлены схемы узла подшипников и ротора турбохолодильника.

Выполнен анализ основных технических требований на сборку. К основным техническим требованиям относятся: допуск радиального биения поверхности В корпуса подшипников относительно оси вала - 0,01 мм; допуск торцевого биения поверхности Б относительно оси вала - 0,008 мм; провести статическую балансировку узла; обеспечить совпадение торцев колец с торцевыми поверхностями корпуса в пределах 0,2 мм. Приведены посадки, применяемые при сборке узла подшипников, и схемы контроля.

Тип производства и метод работы: проектирование технологического процесса сборки узла подшипников осуществляется для условий серийного производства. Методом работы при сборке узла выбран непоточный метод.

Выполнен выбор метода достижения точности сборки. Выделена размерная цепь, которая получается в результате установки подшипников в корпус подшипников. Точность сборки достигается методом полной взаимозаменяемости. Недостаток метода - высокая стоимость изготовления изделия.

Разработана технологическая схема общей сборки корпуса подшипников. На общую сборку поступают корпус подшипников и втулка плавающая. В качестве базового элемента выделен корпус подшипника. Сборку начинают с установки в корпус упорной втулки, обеспечивая совмещение отверстий под стопор. Запрессовывают стопор в корпус подшипников. Шплинтуют соединение, отгибая шплинт в специально предусмотренное отверстие. Устанавливают штифты. Устанавливают втулку и укладывают пружину в предусмотренную для этого полость. Со стороны фланца корпуса подшипника заводят вал с напрессованным на него подшипником. Со стороны свободного конца вала в корпус подшипников устанавливают ещё одну втулку. На свободный конец вала напрессовывают подшипник. Продевают фитили через пазы, таким образом, чтобы они касались шеек вала. После сборки изделие подвергается контролю по основным техническим требованиям. Производится проверка радиального и торцевого биения поверхностей, а также статическая балансировка узла подшипников.

Вычислено усилие запрессовки подшипников, равное 5390 Н. По нему определено усилие пресса – 8085 Н.

Выполнена разработка технологического процесса сборки с выбором оборудования, сборочных инструментов, заполнением карт. Процесс сборки состоит из операций: 005 Комплектовочная; 010 Слесарная; 015 Сборочная; 020 Сборочная; 025 Сборочная; 030 Контрольная; 035 Балансировочная. Трудоёмкость сборки узла подшипников составит 6,72…8,72 мин.

Выполнен анализ технических требований (анализ требований к твердости; к размерной точности; к форме и взаимному расположению поверхностей; к шероховатости; к покрытию) и разработана схема контроля.

Принят вид заготовки – поковка. Выбран метод получения заготовки - ГОШ в закрытых штампах с одной плоскостью разъема. Две операции: штамповка в открытых штампах и прошивка перегородки.

Разработан маршрут основных поверхностей (для внешней цилиндрической поверхности ?80): заготовка, точение черновое, точение получистовое, точение чистовое, шлифование предварительное и окончательное.

Разработан маршрутный технологический процесс изготовления детали. В качестве оборудования выбран обрабатывающий центр с вспомогательным шпинделем. Операции:

Операция 010: Токарно-фрезерно-сверлильная с ЧПУ Установ А (черновое и получистовое и чистовое точение поверхностей ?80, ?53, ?48 и прилежащих торцевых поверхностей) и Установ Б (точить поверхность ?53 и канавки на ней, прилегающий к ней торец, фаску 30?, наружный цилиндр ?75, фрезеровать наружный контур бобышек и обработать пазы 6,6х11,6 мм)
Операция 015: Внутришлифовальная (подготовка внутренней цилиндрической поверхности ?48 к сборочной операции)
Операция 020: Моечная
Операция 025: Сушильная
Операция 030: Контрольная
Операция 035: Гальваническая (нанесение покрытия М18…24 на внутреннюю цилиндрическую поверхность ?48)
Операция 040: Сборочная

Разработан операционный технологический процесс изготовления детали:

Операция 010: Токарно-фрезерно-сверлильная с ЧПУ. Оборудование: Обрабатывающий центр HAAS ST-10Y c вспомогательным шпинделем серии DS. Установ А (точение и сверление. Для точения выбран упорный проходной резец. Материал режущей части - Т30К4. Для обработки отверстий принят быстрорежущий материал Р6М5). Установ Б (точение и фрезерование пазов. Для точения выбран упорный проходной резец с материалом режущей части - Т30К4. Фрезерование выполнять концевой фрезой с материалом Р6М5)
Операция 015: Внутришлифовальная (Выбран станок 3К227В. Приспособление - патрон. По ГОСТ 2424-83 выбран Круг 1-32х32х10-25А-F46-М-7-V-50-А-2 ГОСТ Р 52587-2006).

Планировка рабочего места токаря для операции 010 выполнено в соответствии со стандартом ОСТ-0192-71. Основная рабочая поза – стоя. Габариты обрабатывающего центра 1300x3000 мм. Рабочий должен стоять возле компьютера станка и возле экрана. Расстояние от рабочего до приемного стола с заготовками и тумбочки с инструментами увеличено до 900 мм. Под ногами рабочего - решетка.

Проект состоит из двух независимых между собой частей. Первая часть включает в себя разработку технологического процесса сборки узла подшипников, входящего в состав ротора турбохолодильника; в ней рассмотрены требования, предъявляемые данному сборочному узлы, дано их обоснование исходя из условий эксплуатации, предложена последовательность осуществления сборки с расчетом норм времени. Вторая часть содержит анализ и последовательность изготовления корпуса подшипников с выбором заготовки, оборудования и режущих инструментов.

Изобретение относится к области холодильной техники и может найти применение при создании турбодетандерных машин, работающих в широком интервале температур охлаждения.

Известна воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (см. МПК F 25 В 11/00, RU 2206028 C1, 10.06.2003 г. Воздушная турбохолодильная установка.).

Разделение турбокомпрессора на каскад низкого давления и каскад высокого давления обеспечивает вращение каскадов с разным числом оборотов, а их связь посредством канала повышает число оборотов каскада высокого давления по сравнению с оборотами каскада низкого давления, причем каскад высокого давления приводится во вращение электродвигателем. Однако промышленность не выпускает электродвигателей с высокой частотой вращения (20000 и более об/мин), что ограничивает эффективность установки в целом, а использование мультипликатора между электродвигателем и компрессором каскада высокого давления усложняет ее конструкцию.

Компрессор каскада низкого давления, пропускающий больший объемный расход по сравнению с каскадом высокого давления, по своим габаритным размерам больше компрессорной ступени высокого давления. Поэтому для максимального облегчения высокооборотного ротора турбодетандера целесообразнее объединить последний с компрессором каскада высокого давления с целью его перевода на газовую смазку.

Известная установка имеет еще ряд существенных недостатков:

- конструктивная сложность установки из-за присутствия, кроме основного теплообменника, еще дополнительного теплообменника, охладителя и радиатора;

- значительные габаритные размеры и масса турбокомпрессора из-за использования в качестве каскада низкого давления турбокомпрессора каскада осевого типа;

- невозможность использования установки для охлаждения и заморозки продуктов питания из-за возможности попадания в пищевые продукты, промежуточного хладоносителя - тосола, как сильнодействующего ядовитого вещества.

Наиболее близкой к заявленной воздушной турбохолодильной установке является установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор (Способ получения холода. RU, Патент 2054146 С1, М6 Кл. F 25 B 9/00. Опубл. 1996.02.10).

Для эффективной работы такой турбохолодильной установки одноступенчатый компрессор должен обеспечивать степень повышения давления не менее двух, что ограничивается высокой частотой вращения электродвигателя и в установке предусмотрен мультипликатор, который имеет сложную конструкцию и большую стоимость. Ротор установки имеет значительную массу, не может быть переведен на газовую смазку и требует системы смазки и охлаждения маслом его подшипников и шестерен мультипликатора.

При одноступенчатом компрессоре воздух нагревается до значительных температур (выше 100 град. по Цельсию) и подается на теплообменник, на который же подается воздух после потребителя холода с минусовой температурой (ниже минус пятидесяти град. по Цельсию).

При вращении теплообменника его конструктивные материалы работают в условиях переменной температуры, ее значительного градиента, конденсации и испарения влаги и имеют различные коэффициенты линейного расширения. Под воздействием центробежной силы и вышеуказанных факторов происходит расслоение гофрированных лент и образование трещин в полимерном составе насадки теплообменника. Кроме того, известная установка имеет еще ряд существенных недостатков:

- низкая надежность запуска установки в работу, обусловленная необходимостью вращения одновременно турбокомпрессора и турбодетандера;

- сложная конструкция, обусловленная необходимостью использования противопомпажных средств при повышении давления газа или воздуха в турбокомпрессоре.

Целью изобретения является создание воздушной турбохолодильной установки, обладающей высокой холодопроизводительностью и надежностью запуска и работы установки при упрощении конструкции.

Решение задачи достигается тем, что воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор, разделенный на каскады низкого и высокого давления центробежного типа, причем каскад низкого давления механически связан с источником энергии, а каскад высокого давления механически связан с турбодетандером, и теплообменник выполнен трехкамерным, причем вход в первую камеру теплообменника связан каналом с выходом потребителя холода, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру теплообменника - с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора, выход - с входом каскада высокого давления турбокомпрессора, вход в третью камеру теплообменника - с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора, выход - с входом в турбодетандер.

Предложенное решение имеет существенные отличия от прототипа:

- турбокомпрессор разделен на каскад низкого и каскад высокого давления;

- каскад высокого давления центробежного типа механически связан с турбодетандером;

- каскад низкого давления центробежного типа механически связан с источником энергии;

- теплообменник выполнен трехкамерным;

- вход во вторую камеру теплообменника связан каналом с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора;

- выход из второй камеры теплообменника связан каналом с входом каскада высокого давления турбокомпрессора;

- вход в третью камеру теплообменника связан каналом с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора;

- выход из третьей камеры теплообменника связан каналом входом в турбодетандер.

Введение дополнительных центробежной компрессорной ступени и камеры теплообменника, их взаимное соединение обеспечивают двухступенчатое охлаждение сжатого воздуха.

Каскад турбокомпрессора низкого давления соединен каналом через вторую камеру теплообменника с каскадом турбокомпрессора высокого давления, при этом происходит уменьшение температуры сжатого воздуха, что приводит к уменьшению пиковых положительных температур воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, к снижению потребной мощности источника энергии и увеличению холодильного коэффициента. Уменьшение пиковых положительных температур воздуха, охлаждаемого в теплообменнике, ведет к повышению долговечности и надежности работы теплообменника.

Разделение турбокомпрессора на каскад низкого давления и каскад высокого давления обеспечит вращение каскадов с разным числом оборотов, что дает увеличение напорности газа или воздуха на ступенях турбокомпрессора, а также позволит использовать для вращения каскада высокого давления энергию турбодетандера, при этом уменьшая затраты энергии от источника энергии (электродвигателя) на запуск, что приводит к улучшению пусковой характеристики и увеличению холодильного коэффициента, а вместе с ним и холодопроизводительности установки. Такой же технический результат обеспечивает механическая связь турбодетандера с каскадом высокого давления, а связь каскадов низкого и высокого давлений посредством канала повышает число оборотов каскада высокого давления по сравнению с оборотами каскада низкого давления, что позволяет отказаться от дорогостоящего мультипликатора, требующего смазки и охлаждения, и максимально облегчить ротор турбодетандера и перейти на газовую смазку и охлаждение его подшипников. Кроме этого, разделение турбокомпрессора на каскады низкого и высокого давления позволит не применять противопомпажные средства при степенях повышения давления в турбокомпрессоре > 4.

В предложенном решении все отличительные признаки взаимосвязаны и в сочетании с другими признаками позволяют получить новый технический результат: увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска и работы установки при упрощении конструкции.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема установки; на фиг.2 - вид сбоку на трехкамерный динамический теплообменник.

Воздушная турбохолодильная установка содержит (фиг.1) турбодетандер 1, трехкамерный динамический теплообменник 2, потребитель холода 3, источник энергии (электродвигатель) 4, каскады низкого 5 и высокого давления 6 центробежного типа, причем каскад низкого давления 5 механически связан с источником энергии 4, а каскад высокого давления 6 механически связан с турбодетандером 1, причем вход в первую камеру 7 теплообменника 2 (фиг.2) связан каналом 8 с выходом потребителя холода 3, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру 9 теплообменника 2 связан каналом 10 с выходом каскада низкого давления 5 турбокомпрессора, выход связан каналом 11 с входом каскада высокого давления 6 турбокомпрессора, вход в третью камеру 12 теплообменника 2 связан каналом 13 с выходом каскада высокого давления 6 турбокомпрессора, выход связан каналом 14 с входом в турбодетандер 1, выходной диффузор которого трубопроводом 15 соединен с потребителем холода 3.

Воздушная турбохолодильная установка работает следующим образом. Газ или воздух из окружающей атмосферы поступает в каскад низкого давления 5, приводимый во вращение электродвигателем 4, где сжимается до определенного (заданного) давления. Сжатие газа или воздуха в каскаде низкого давления 5 реализует процесс вращения ротора турбодетандера с повышенными оборотами и повышенными степенями давления. Затем сжатый газ или воздух через канал 10, проходя вторую камеру 9 теплообменника 2, охлаждается за счет контакта с повернувшейся охлажденной частью теплообменника 2 и попадает в каскад высокого давления 6, приводимый во вращение за счет аккумуляции механической энергии турбодетандера. Происходит последующее сжатие газа или воздуха, который по каналу 13 поступает на вход в третью камеру 12 теплообменника 2, охлаждается за счет контакта с повернувшейся охлажденной частью теплообменника 2 и поступает через трубопровод 14 в турбодетандер 1, где расширяется, снижая температуру до заданной, после чего поступает по трубопроводу 15 к потребителю холода - холодильной камере 3. Нагретый газ или воздух поступает в полость низкого давления - первую камеру 7 теплообменника 2, где воздух далее нагревается за счет передачи тепла от повернувшихся и нагретых областей высокого давления - второй и третьей камер 9 и 12 вращающегося теплообменника 2 с последующим выдуванием наружу.

Применение изобретения позволит увеличить холодопроизводительность установки, повысить надежность запуска, упростить конструкцию, повысить надежность и экономичность работы.

Воздушная турбохолодильная установка, содержащая турбодетандер, многокамерный динамический теплообменник, потребитель холода, источник энергии и центробежный турбокомпрессор, отличающаяся тем, что центробежный турбокомпрессор разделен на каскады низкого и высокого давления центробежного типа, причем каскад низкого давления механически связан с источником энергии, а каскад высокого давления механически связан с турбодетандером, и теплообменник выполнен трехкамерным, причем вход в первую камеру теплообменника связан каналом с выходом потребителя холода, выход - с атмосферой, вход во вторую камеру теплообменника - с выходом каскада низкого давления турбокомпрессора, выход - с входом каскада высокого давления турбокомпрессора, вход в третью камеру теплообменника - с выходом каскада высокого давления турбокомпрессора, выход - с входом в турбодетандер.

В турбохолодильнике центробежные компрессоры и центростремительные турбины расположены попарно. Их лопатки размещены на общих дисках и имеют покрывные экраны. Диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии и последовательно расположены по оси. Покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска. Дополнительно введено оребрение экранов. В кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия. Центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора. Центростремительная турбина последней ступени на выходе имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора. В корпусе над приемными отверстиями диффузоров выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха. Над выходными отверстиями конфузоров выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха. В полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха. Перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран. Использование изобретения позволит уменьшить вес, габариты и повысить эффективность работы устройства. 5 ил.

Формула изобретения

Турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными парами, состоящими из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки имеют покрывные экраны, диски последовательно расположены по оси, покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска, дополнительно введено оребрение экранов, а в кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия, а центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора и центростремительная турбина последней ступени на выходе из нее имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора, а в корпусе над приемными отверстиями центростремительных вращающихся диффузоров сжатия выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха, также и над выходными отверстиями центробежных вращающихся конфузоров расширения выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха, причем в полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения, а перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области холодильной техники, а именно к устройствам, предназначенным для охлаждения атмосферного воздуха, поступающего в салоны наземного транспорта, в производственные помещения горячих цехов, шахты, а также воздуха в хирургических операционных высокостерильных помещениях с сильным освещением и герметизацией для сохранения стерильности.

Известен турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.], известны также центробежные компрессоры и центростремительные турбины с покрывными экранами на лопатках [Траупель В. Тепловые турбомашины (паровые и газовые турбины, компрессоры). Том первый. Тепловой и аэродинамический расчет. - М. - Л.: Госэнергоиздат. 1961. - с. 214].

Недостатком устройства [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.] является подогрев воздуха от трения при переходе его из каналов вращающегося колеса компрессора на неподвижные элементы статора, а также от трения при разгоне газа в сопловых неподвижных лопатках турбины и в щелевом конфузоре при переходе во вращающиеся каналы ее колеса.

Это трение существенно подогревает воздух в малоразмерных и малорасходных устройствах. В них необходим дополнительный отвод теплоты от воздуха, более глубокое его изобарное охлаждение после сжатия в компрессоре перед расширением в турбине, с одновременным отводом теплоты трения в теплообменниках. Все это увеличивает их габариты. Кроме того, в книге [Жирицкий Г.С. и др. Газовые турбины летательных аппаратов. - М.: Машиностроение. 1971. - с. 236] на странице 236 отмечена недопустимость ширины радиальных лопаток турбины менее 3 мм в местах перехода воздуха из сопловых каналов в каналы рабочего колеса из-за возможного смыкания пограничных слоев в узких каналах. Аналогична оговорка в книге [Стечкин Б.С. и др. Теория реактивных двигателей (лопаточные машины). - М. : Оборонгиз. 1956. - с. 89] на странице 89. Основное трение имеет место в пограничных слоях газового потока. Переход потока из неподвижных каналов во вращающиеся или наоборот из вращающихся каналов в неподвижные при околозвуковых окружных скоростях дает существенный подогрев воздуха в этих местах перехода.

К недостатку устройства [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95. ] следует отнести и необходимость дополнительного насоса или вентилятора для прокачки охладителя через специальный теплообменник.

Кроме того, в устройстве [Патент РФ N 2036393 МПК 6 F 25 В 11/00. Турбохолодильник. 27.05.95.] не используется окружная околозвуковая скорость вращения ротора для дополнительного сжатия воздуха на входе за счет скоростного напора во вращающихся приемных входных устройствах на внешнем радиусе ротора при набегании их на невращающийся воздух. Также не используется эта окружная околозвуковая скорость ротора для дополнительного расширения воздуха с обратной вращению закруткой во вращающихся соплах, расположенных на внешнем радиусе ротора на выходе из последней ступени турбины. Следует отнести к недостаткам и неиспользование вращения ротора для охлаждения его атмосферным воздухом в относительном движении при самопроизвольной циркуляции этого воздуха между покрывными экранами.

Эти перечисленные недостатки влияют на габариты теплообменника, вызывая их увеличение или требуют понижения температуры охладителя в теплообменнике, требуется специальный насос для его прокачки, что в естественных условиях снижает эффективность работы устройства в целом.

Задачей изобретения является снижение габаритов и веса турбохолодильника, обеспечение эффективности его работы при любых малых расходах охлаждаемого циклового воздуха, особенно чувствительного к подогреву от трения в местах перехода из вращающихся каналов в неподвижные или наоборот, при околозвуковых окружных скоростях в местах перехода.

Поставленная задача решается тем, что турбохолодильник, содержащий корпус и одну пару, состоящую из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки которых размещены на общих дисках, а диски выполнены с кольцевыми выступами на периферии, в отличие от прототипа снабжен дополнительными парами, состоящими из центробежного компрессора и центростремительной турбины, лопатки имеют покрывные экраны, диски последовательно расположены по оси, покрывные экраны продлены по радиусу и замкнуты на периферии кольцевого выступа диска, дополнительно введено оребрение экранов, а в кольцевом выступе каждого диска на его периферии под местом смыкания экранов выполнены отверстия, а центробежный компрессор первой ступени на входе в него имеет приемный аппарат в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора, и центростремительная турбина последней ступени на выходе из нее имеет аппарат выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора, а в корпусе над приемными отверстиями центростремительных вращающихся диффузоров сжатия выполнены отверстия входа охлаждаемого циклового воздуха, также и над выходными отверстиями центробежных вращающихся конфузоров расширения выполнены отверстия выхода охлаждаемого циклового воздуха, причем в полостях между покрывными экранами расположены трубки подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения, а перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран.

Выполнение отверстий на периферии кольцевого выступа диска и расположение покрывных экранов как продолжение покрывных экранов облопачиваний компрессора и турбины с расположением на экранах как снаружи, так и между лопатками компрессора и турбины дополнительного оребрения позволяет передаваться теплоте от воздуха через оребренные экраны к атмосферному воздуху уже в процессе его сжатия, а также при переходе через отверстия в кольцевом выступе диска и в процессе расширения на турбине на обратной стороне диска. То есть вращающиеся экраны выполняют роль теплообменных поверхностей, а попарно расположенные компрессоры и турбины выполняют роль элементов теплообменника, в котором воздух петлеобразно движется от корня к периферии при сжатии в роторе компрессора под экраном с затратой работы на увеличение окружной скорости, а после прохождения отверстий на периферии кольцевого выступа диска движется к корню с расширением в роторе турбины под экраном с возвращением полученной в компрессоре работы из-за уменьшения окружной скорости. Таким образом, все силы замкнуты внутри ротора теплообменника компрессорно-турбинного типа, в котором нет неподвижных спрямляющих или сопловых лопаток, нет зон перехода воздуха от неподвижных элементов к вращающимся и наоборот, от вращающихся к неподвижным - потери трения сведены к минимуму. Интенсификация теплообмена здесь обеспечивается кориолисовыми и центробежными силами и оребрением между лопатками и снаружи. Число ступеней может изменяться по требованиям глубины охлаждения в турбохолодильнике.

Расположение приемного аппарата на входе в первую ступень центробежного компрессора в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия с приемными отверстиями на периферии ротора обеспечивает дополнительное предварительное сжатие воздуха за счет скоростного напора от вращения, с подогревом его из-за этого сжатия. Повышение давления при этом определится как

где u n - окружная скорость ротора на периферии, где расположены приемные отверстия для входа не вращающегося охлаждаемого циклового воздуха; - плотность воздуха на входе; а повышение температуры определится как

где C p - изобарная теплоемкость воздуха.

Постановка аппарата выпуска на выходе из последней центростремительной турбины в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения с выходными отверстиями на периферии ротора обеспечивает дополнительное понижение давления и охлаждение воздуха. В аппарате выпуска происходят процессы, обратные процессам в приемном аппарате, и эти процессы компенсируются в пределах турбохолодильника друг другом в пределах влияния трения и отвода теплоты через стенки воздуху атмосферы по пути движения охлаждаемого циклового воздуха. Аналогично компенсируются работы сжатия и расширения по разные стороны дисков турбокомпрессорного холодильника, но из-за отвода теплоты через покрывные экраны атмосферному охлаждающему воздуху работа расширения в центростремительной турбине несколько ниже, чем работа сжатия в центробежном компрессоре, и необходим привод ротора турбохолодильника во вращение от постороннего источника энергии.

Размещение трубок подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и трубок отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха в полостях между покрывными экранами первого центробежного компрессора и его приемного аппарата, а также между покрывными экранами центростремительных турбин и покрывными экранами центробежных компрессоров, с отогнутыми выпускными отверстиями по направлению вращения у трубок подвода и с отогнутыми приемными отверстиями против направления вращения, обеспечивает использование вращения ротора для интенсивного охлаждения его атмосферным воздухом в относительном движении, при самопроизвольной циркуляции его между покрывными экранами. Вращение экранов обеспечивает подвод атмосферного воздуха в полость между ними из неподвижных трубок подвода в сторону вращения, но с окружной составляющей скоростью меньшей, чем окружная околозвуковая скорость экранов, что обеспечивает интенсивное охлаждение экранов. За оборот атмосферного воздуха в полости между экранами его окружная скорость, из-за трения об экраны, возрастет, и он, достигнув выходных отверстий трубок отвода, покидает за счет скоростного напора турбохолодильник, унося теплоту от периодически сжимаемого и расширяемого охлаждаемого циклового воздуха, проходящего внутри ротора. Таким образом, отпадает необходимость в насосах или вентиляторах и вообще необходимость выносных теплообменников.

Использование отличительных признаков в заявляемом устройстве позволит существенно поднять технический уровень турбохолодильника на новую ступень за счет повышения степени сжатия в первых ступенях компрессора, за счет увеличения глубины расширения в последних ступенях турбин охлаждения, за счет исключения неподвижных лопаточных аппаратов и мест перехода охлаждаемого циклового воздуха из вращающихся каналов в неподвижные и наоборот, из неподвижных во вращающиеся с околозвуковыми окружными скоростями, что позволяет работать с любыми малыми расходами воздуха без существенного подогрева его от трения, за счет использования вращения ротора для интенсификации теплообмена между охлаждающим атмосферным воздухом и охлаждаемым цикловым без дополнительных насосов или вентиляторов и специальных теплообменников.

Сущность турбохолодильника пояснена чертежами.

На фиг. 1 изображен заявляемый турбохолодильник, поперечное сечение, с отверстиями на периферии кольцевых выступов дисков, с покрывными экранами компрессоров и турбин, замкнутыми над отверстиями выступов дисков, с оребрением экранов между лопатками компрессора и турбины, с приемным аппаратом в виде системы центростремительных вращающихся диффузоров сжатия за счет скоростного напора от вращения, с аппаратом выпуска в виде системы центробежных вращающихся конфузоров расширения, с трубками подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам и отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - симметричные сечения В-В и С-С фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Д-Д фиг. 1; на фиг. 5 - сечение Е-Е фиг. 1.

Турбохолодильник содержит корпус 1, в котором размещены опоры 2 и 3. В опорах расположен вал 4 с первым диском 5 и первым покрывным экраном 6 приемного аппарата с системой центростремительных вращающихся диффузоров сжатия 7, образованных лопатками 8, с возможностью вращения, с набором дисков 9 с отверстиями 10 на периферии, на обоих сторонах которых симметрично расположены лопатки центробежного компрессора 11 и лопатки центростремительной турбины 12 с последующими покрывными экранами облопачивания компрессора 13 и облопачивания турбины 14, под которыми между лопатками компрессора и турбины расположено дополнительное оребрение 15, а также с диском 16 и последним покрывным экраном 17 аппарата выпуска с системой центробежных вращающихся конфузоров расширения 18, образованных лопатками 19. В корпусе выполнены отверстия 20 входа охлаждаемого циклового воздуха и отверстия 21 его выхода, а также расположены в полостях между покрывными экранами трубки 22 подвода охлаждающего воздуха из атмосферы к экранам, отогнутые выпускными отверстиями по направлению вращения, и трубки 23 отвода нагретого от экранов охлаждающего воздуха, отогнутые приемными отверстиями против направления вращения. Перед аппаратом выпуска расположен отражательный экран 24.

Турбохолодильник работает следующим образом. При вращении вала 4 с угловой скоростью в опорах 2 и 3 вращающиеся диффузоры сжатия 7 набегают на невращающийся охлаждаемый цикловой воздух, поступающий через отверстия 20 в корпусе и за счет скоростного напора, в относительном движении с перемещением к центру, где окружная скорость мала, сжимают его с повышением температуры, и затем он засасывается на вход первой ступени центробежного компрессора с лопатками 11, где он дополнительно сжимается, потребляя работу с дополнительным повышением температуры с переходом к периферии первого диска 9, где он переходит через отверстия 10 в диске на сторону центростремительной турбины с лопатками 12 и с гашением окружной скорости движется к центру, совершая работу. При этом теплота передается от охлаждаемого циклового воздуха через экраны 13 и 14 с оребрением 15 охлаждающему воздуху, поступающему в полость между экранами из атмосферы через трубки 22 и эвакуируемому из этой полости через трубки 23. Вращение ротора автономно обеспечивает циркуляцию охлаждающего воздуха и не требуется какого-либо насоса или вентилятора. Периодическое сжатие и расширение циклового воздуха происходит и в последующих ступенях турбокомпрессоров, выполняющих роль специального теплообменника. После охлаждения циклового воздуха в последней центростремительной турбине он попадает во вращающиеся конфузоры расширения 18, где расширяется с разгоном до скорости, равной окружной скорости выпускных отверстий, и охлажденный дополнительно за счет совершения работы покидает турбохолодильник через отверстия 21 в корпусе без закрутки. Отражательный экран 24, который может быть как неподвижным, так и вращающимся, уменьшает перетечки теплоты от охлаждающего атмосферного воздуха к более охлажденному цикловому воздуху при расширении его в конфузорах 18 на последней стадии. Число ступеней турбокомпрессоров определяется расходом охлаждаемого циклового воздуха, потребной глубиной его охлаждения при заданных оборотах и радиальных габаритах ротора.

Предлагаемый турбохолодильник позволяет уменьшить вес габариты и повысить эффективность работы устройства.

Сегодня поговорим об одной детали из системы кондиционирования воздуха самолета SSJ -100, которая меня удивила. Иногда задумываешься и не понимаешь, почему конструкторы принимают те или иные решения.

Система кондиционирования воздуха (СКВ), очень сложная и продуманная система, ведь ее основное назначение создавать комфортные условия для жизнедеятельности пассажиров и членов экипажа.

Очень важно, чтобы на высоте 10000 метров, все находящиеся на борту люди, были в комфортных условиях. Именно поэтому в системе очень много подсистем и агрегатов.

Давайте обратим внимание на систему охлаждения воздуха, а именно, на двойной теплообменник, где и расположен данный хомут.

Немного информации. Двойной теплообменник образует единый блок, который состоит из первичного и основного теплообменника. Прежде чем отобранный от двигателя воздух попадет в салон, он попадает в первичный теплообменник, где частично охлаждается.

Затем, немного охлажденный воздух, поступает в компрессор турбохолодильника. Здесь, воздух сжимается, при этом естественно повышается давление и температура. Это необходимо, для того, чтобы раскрутить турбину турбохолодильника.

После, воздух устремляется уже в основной теплообменник, где так же охлаждается, но уже более интенсивно.

Возможно, вы задались вопросом, а чем он охлаждается? Все просто, охлаждающий воздух (набегающий поток), поступает от воздухозаборников, которые расположены в нижней части фюзеляжа.

Далее воздух продолжает свое странствие по уже другим агрегатам, которых не малое количество. Я думаю, теперь вы понимаете, насколько система сложная.

Вернемся к теплообменнику. К данному агрегату подходят трубопроводы, через которые воздух движется. Так вот, эти трубопроводы крепятся к фланцам с помощью металлических скоб и хомута.

Если сильно тянуть, он просто лопнет. Почему нельзя было установить резиновую муфту, как это выполнено на перепускном коллекторе.

Использовать жаропрочную резиновую муфту с двумя хомутами, а не металлические скобы и хомут. Это позволило бы сделать соединение более подвижным.

Во время установки металлического хомута, необходимо чтобы один специалист натягивал трубу, другой выравнивал стяжные скобы, третий затягивал хомут. При этом необходимо постоянно контролировать, чтобы скобы не вышли из посадочных мест, куча проблем.

Проще было бы установить резиновое соединение, ну или изначально подгонять детали до идеала еще на стадии проектирования.

Читайте также: