Лопаточный диффузор центробежного компрессора

 

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к конструкции диффузоров центробежных компрессоров. Технический результат изобретения заключается в снижении потерь, связанных с вихревым течением и с отрывом потока. Лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит стенки и расположенные между ними лопатки, имеющие ширину меньше расстояния между указанными стенками. По меньшей мере на части своей длины, начиная от входных кромок, лопатки уменьшены по ширине с обоих торцов, на уменьшенной по ширине части торцовые поверхности расположены с зазором относительно соответствующих стенок диффузора. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к конструкции диффузоров центробежных компрессоров.

Известен лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий расположенные в корпусе компрессора между передней и задней стенками диффузора укороченные по высоте лопатки (Авт. св. СССР 419639, F 04 D 29/44, 1972 г.). В этом диффузоре короткие по высоте лопатки размещены в чередующемся порядке то на передней стенке, то на задней.

Однако такой диффузор недостаточно экономичен во всем диапазоне расходов. Обусловлено это тем, что лопатки относительно малой высоты оказывают на поток газа незначительное направляющее действие. При этом аналогично безлопаточному диффузору скорости потока на выходе из диффузора выше и потери в последующих неподвижных элементах больше. Кроме того, на нерасчетных режимах работы, вследствие разности давлений на рабочих поверхностях лопаток, возникает вихревое течение в канале и перетекание газа через торцы лопаток. Поскольку свободные торцы лопаток обращены к центральной части канала, то перемещение через них рабочей среды в большей степени нарушает структуру потока и увеличивает потери.

Известен также лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий расположенные в корпусе компрессора между передней и задней стенками диффузора укороченные по высоте лопатки (т.е. имеющие ширину меньше расстояния между стенками) (Пат. США 5529457, F 04 D 29/30, НКИ 415/208.3, 1995 г.).

Однако такой диффузор имеет недостаточно широкий диапазон эффективной работы и крутую характеристику. На нерасчетных режимах работы, вследствие удара потока о лопатки и срыва его, возникает интенсивное вихреобразование между лопатками. За счет перетекания рабочей среды между свободными торцами лопаток и задней стенкой происходит частичное выравнивание параметров потока относительно рабочих сторон лопаток. Но со стороны передней стенки вихревое течение сохраняется, что при повышенных расходах значительно снижает давление на спинках лопаток, а при пониженных - сужает зону устойчивого течения газа в проточной части. Поэтому область эффективной и надежной работы компрессора ограничена по производительности.

Задачей изобретения является расширение области эффективной работы центробежного компрессора с лопаточным диффузором.

Технический результат изобретения заключается в снижении потерь, связанных с вихревым течением и с отрывом потока.

Технический результат достигается тем, что в лопаточном диффузоре центробежного компрессора, содержащем переднюю и заднюю стенки и расположенные между ними лопатки, имеющие ширину меньше расстояния между указанными стенками, каждая лопатка имеет указанную ширину на длине l₁, начиная от входной кромки, меньшей или равной всей длине l₂ лопатки, так что каждая из торцовых поверхностей лопатки на указанной длине l₁ расположена с зазором относительно соответствующей стенки. Кроме того, каждая из торцовых поверхностей лопатки на указанной длине l₁ эквидистанта соответствующей стенке и расстояние между ними может составлять 0,03-0,15 расстояния между указанными стенками, а соотношение длины l₁ уменьшенной по ширине (суженой) части лопатки ко всей длине l₂ лопатки определяется неравенством 0,2 ≤ l₁/l₂ ≤ 1. При l₁/l₂ < 1 выступающие за торцовые поверхности уменьшенной по ширине части лопатки и сопряженные с ними поверхности лопатки в начале участка полной ширины могут быть выполнены скругленными по радиусу, составляющему 0,2-0,5 толщины лопатки в этом сечении, с плавным переходом на рабочие поверхности лопатки. Расстояние между задней стенкой диффузора и обращенной к ней торцовой поверхностью лопатки может быть выбрано в 1,3-2 раза больше расстояния между передней боковой стенкой и обращенной к ней другой торцовой поверхностью лопатки.

На фиг.1 представлен лопаточный диффузор центробежного компрессора, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вариант исполнения при l₁/l₂ = 1; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 - представлена лопатка диффузора в аксонометрии.

Лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит расположенные в корпусе 1 компрессора между передней 2 и задней 3 стенками диффузора лопатки 4. По меньшей мере на части своей длины, начиная от входных кромок 5, лопатки 4 уменьшены по ширине с обоих торцов 6, 7. На уменьшенной по ширине (суженой) части 4а торцовые поверхности 8, 9 расположены с зазором относительно соответствующих стенок 2, 3 диффузора эквидистантно им и на расстояниях h₁ и h₂ от них, составляющих каждое 0,03-0,15 ширины h₃ проходного сечения диффузора, т.е. расстояния между стенками 2, 3, а соотношение длины l₁ уменьшенной по ширине части 4а ко всей длине l₂ лопатки 4 определяется неравенством 0,2 ≤ l₁/l₂ ≤ 1.

При l₁/l₂ < 1 выступающие за границы торцовых поверхностей 8, 9 уменьшенной по ширине части 4а и сопряженные с ними поверхности 10, 11 лопатки 4 в начале участка 4б полной ширины, равной расстоянию между стенками 2, 3, выполнены скругленными по радиусу r, составляющему 0,2-0,5 толщины δ лопатки в этом сечении, с плавным переходом на рабочие поверхности лопатки 4.

Расстояние h₂ между задней стенкой 3 диффузора и обращенной к ней торцовой поверхностью 9 уменьшенной по ширине части 4а лопатки 4 выполнено в 1,3-2 раза больше расстояния h₁ между передней стенкой 2 диффузора и обращенной к ней другой торцовой поверхностью 8 этой части лопатки 4.

При работе центробежного компрессора динамический напор, создаваемый рабочим колесом 12, в лопаточном диффузоре преобразуется в статический. На расчетном режиме поток газа безударно обтекает лопатки 4 с минимальными потерями.

На нерасчетных режимах работы из-за наличия и роста углов атаки появляется и усиливается срыв на входном участке лопаток 4. Поскольку по меньшей мере на входной части 4а лопаток 4 их торцовые поверхности 8, 9 выполнены на расстоянии от обращенных к ним соответственно передней 2 и задней 3 стенок, то через зазоры между ними перетекает некоторое количество газа в соответствии с градиентом давлений и скоростей на рабочих сторонах лопаток 4. При этом уменьшаются разница в скоростях на рабочих сторонах лопаток 4 и максимальное значение скорости в межлопаточном канале, вследствие чего величина срывных потерь и потерь, связанных с отрывом потока, снижается. Рациональное распределение скоростей на передней и задней сторонах лопаток 4 обеспечивает примерно одинаковое замедление, обеспечивающее безотрывное течение на возможно большей длине лопаток 4 и достижение указанного выше технического результата.

На выбор длины l₁ суженой части лопатки в пределах указанного соотношения влияют следующие факторы. С одной стороны, увеличивая длину ₁, расширяют диапазон эффективной работы компрессора. С другой - на расчетном режиме работы кпд несколько уменьшается - на 0,1-0,2%. Поэтому выбор конкретного значения длины l₁ уменьшенной по ширине части 4а лопатки 4 зависит от предполагаемого соотношения времени работы компрессора на расчетном и нерасчетном режимах.

При выполнении лопаток 4 уменьшенными по ширине на части длины l₁ скругленные поверхности 10, 11 в начале участка полной ширины 4б способствуют уменьшению потерь при обтекании поверхностей лопатки 4.

Диапазон 0,03-0,15 расстояний h₁ и h₂ между торцовыми поверхностями 8, 9 и стенками 2, 3 обусловлен необходимостью обеспечить уменьшение градиента скоростей на передней и задней поверхностях лопаток 4 при сохранении как можно большего направляющего воздействия лопаток 4 на поток газа. Возможная разница величин h₁ и h₂ связана с неравномерностью параметров потока на выходе из рабочего колеса 13 по высоте лопаток.

Таким образом, данное выполнение диффузора уменьшает градиент скоростей как относительно рабочих сторон лопатки, так и между передней и задней стенками диффузора. Благодаря этому улучшается структура потока и уменьшается уровень потерь. Лопаточная решетка диффузора с уменьшенными по ширине с обоих торцов лопатками менее чувствительна к изменению условий течения при изменении расхода, что расширяет зону устойчивой работы компрессора и обеспечивает его высокую экономичность во всем диапазоне расходов.

Формула изобретения

1. Лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий переднюю и заднюю стенки и расположенные между ними лопатки, имеющие ширину меньше расстояния между указанными стенками, отличающийся тем, что каждая лопатка имеет указанную ширину на длине l₁, начиная от входных кромок, меньшей или равной всей длине l₂ лопатки, так что каждая из торцовых поверхностей лопатки на указанной длине l₁ расположена с зазором относительно соответствующей стенки.

2. Диффузор по п.1, отличающийся тем, что каждая из торцовых поверхностей лопатки на указанной длине l₁ эквидистантна соответствующей стенке и расстояние между ними составляет 0,03-0,15 расстояния между указанными стенками.

3. Диффузор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что соотношение длины l₁ уменьшенной по ширине части лопатки ко всей длине l₂ лопатки определено неравенством 0,2 ≤ l₁/l₂ ≤ 1.

4. Диффузор по п.3, отличающийся тем, что при l₁/l₂ <1 выступающие за торцовые поверхности уменьшенной по ширине части лопатки и сопряженные с ними поверхности лопатки в начале участка полной ширины выполнены скругленными по радиусу, составляющему 0,2-0,5 толщины лопатки в этом сечении, с плавным переходом на рабочие поверхности лопатки.

5. Диффузор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что расстояние между задней стенкой диффузора и обращенной к ней торцовой поверхностью лопатки может быть выбрано в 1,3-2 раза больше расстояния между передней стенкой и обращенной к ней другой торцовой поверхностью лопатки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.07.2005        БИ: 20/2005

---