Устройство для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора центробежного компрессора

Изобретение относится к центробежным компрессорам и направлено на улучшение согласования центробежного колеса и радиального лопаточного диффузора с использованием унифицированных узлов при изменении расчетного расхода воздуха и при различных условиях эксплуатации. Согласно изобретению устройство содержит вставки, установленные в проточной части центробежного компрессора на наружном корпусе радиального безлопаточного и лопаточного диффузора, причем каждая вставка имеет два характерных участка, формирующих площадь проходного сечения. Первый участок является частью окружности с центральным углом ϕ=360°/Z_рлд, Z_рлд - число лопаток радиального лопаточного диффузора. Форма второго участка определена проточной частью межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора и ограничена с одной стороны формой поверхности разрежения лопатки, с другой стороны - формой поверхности давления соседней лопатки радиального диффузора. 6 ил.

 

Изобретение относится к центробежным компрессорам и направлено на улучшение согласования центробежного колеса и радиального лопаточного диффузора с использованием унифицированных узлов при изменении расчетного расхода воздуха и при различных условиях эксплуатации.

При проектировании и эксплуатации центробежных компрессоров, в ряде случаев, возникает проблема создания серии компрессоров с небольшими отличиями расчетного расхода воздуха при специфическом требовании сохранения степени повышения полного давления и физической частоты вращения ротора. Фактически, на практике, это требует необходимости проектирования и создания нового компрессора.

В первую очередь это относится к классу малоразмерных самолетных и вертолетных газотурбинных двигателей и вспомогательных газотурбинных двигателей (ВГТД).

В малоразмерных двигателях широко применяются центробежные компрессоры как самостоятельные одно-двухступенчатые компрессоры, так и в комбинации с осевыми ступенями. В ряде случаев, для улучшения согласования ступеней между собой, а также для согласования отдельных элементов центробежной ступени (рабочего колеса и радиального лопаточного диффузора) требуется коррекция величины расчетного расхода воздуха.

В зависимости от назначения, объекта применения и условий эксплуатации ВГТД отличаются соотношениями расхода воздуха и свободной мощности на валу турбины компрессора. Кроме того, одна и та же компоновка ВГТД, укомплектованная неизменным узлом компрессора, должна работать и в тропических условиях - при высокой температуре воздуха и в высоких широтах - при низкой температуре воздуха, а также на разных высотах. Различие температур воздуха может достигать 100°С.

В результате рассогласования элементов компрессора существенно снижается его эффективность. Или, для различных климатических условий необходимо укомплектовывать двигатель различными компрессорами, имеющими различную величину расчетного расхода воздуха. В этом случае практически необходима разработка нового компрессора.

Поэтому необходимо создание устройства для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора центробежного компрессора для уменьшения расчетной величины расхода воздуха на базе промышленного образца компрессора близкого типоразмера, а также уменьшение объема доводочных работ при создании нового образца компрессора.

Известно устройство улучшения согласования центробежного колеса и радиального лопаточного диффузора изменением расхода воздуха: "Центробежный компрессор с аэродинамическим регулированием геометрии диффузора", патент США №4815935 от 28.03.1989 г., где расширение диапазона работы по расходу воздуха обеспечивается за счет образования в области критического сечения межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора зоны неподвижного воздуха на стороне разрежения лопатки около передней кромки. Эта застойная зона на поверхности лопаток уменьшает площадь критического сечения диффузора, благодаря чему снижается расход воздуха в компрессоре.

Недостатком данного технического решения является снижение КПД и запаса устойчивой работы компрессора вследствие увеличения угла атаки околозвукового потока на лопатки радиального диффузора. Степень повышения полного давления компрессора снижается.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является "Устройство уменьшения расхода воздуха центробежного компрессора", патент США №4378194 от 29.03.1983 г.

Устройство содержит в наружной стенке радиального безлопаточного диффузора кольцевой элемент, принудительно перемещаемый относительно оси компрессора и изменяющий площадь проходного сечения за центробежным колесом непосредственно на входе в радиальный лопаточный диффузор в критическом сечении межлопаточного канала диффузора.

Недостатком данного устройства является резкое, ступенчатое изменение площади проходного сечения за подвижным кольцевым элементом, приводящее к внезапному расширению околозвукового потока в критическом сечении межлопаточного канала диффузора, сопровождаемому повышенными потерями давления и снижением степени повышения полного давления центробежного компрессора.

Задачей предлагаемого технического решения является эффективное обеспечение уменьшения расчетного расхода воздуха на базе использования материальной части высокоэффективного центробежного компрессора выбранного ближайшего типоразмера.

Сущность технического решения заключается в том, что в заявляемом устройстве для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора центробежного компрессора, преимущественно с безлопаточным и лопаточным диффузором, которое содержит вставки, установленные в проточной части центробежного компрессора на наружном корпусе радиального безлопаточного и лопаточного диффузора, каждая вставка имеет два характерных участка, формирующих площадь проходного сечения, при этом первый участок является частью окружности с центральным углом ϕ=360°/Z_рлд, где Z_рлд - число лопаток радиального лопаточного диффузора и ограничен дугой окружности с диаметром, равным входному диаметру безлопаточного диффузора, радиальными отрезками, равными радиальной протяженности безлопаточного диффузора, а форма второго участка определена проточной частью межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора, и ограничена с одной стороны формой поверхности разрежения лопатки, с другой стороны - формой поверхности давления соседней лопатки радиального диффузора. Причем выходная граница каждой вставки выполнена перпендикулярно к поверхностям соседних лопаток, образующих межлопаточный канал радиального диффузора или по дуге окружности, при этом первый участок от второго отделяется дугой окружности диаметром, равным входному диаметру радиального лопаточного диффузора. Первый участок каждой вставки имеет переменную толщину, плавно возрастающую, а толщина второго участка каждой вставки от входного диаметра радиального лопаточного диффузора до критического сечения межлопаточного канала постоянна, а от критического сечения до выходной границы каждой вставки плавно уменьшается или остается постоянной до выхода из радиального лопаточного диффузора.

То есть для уменьшения расчетной величины расхода воздуха центробежного компрессора необходимо уменьшить площадь проходного критического сечения межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора базового компрессора, что достигается путем изменения формы меридиональной образующей наружной поверхности проточной части диффузора. А уменьшение площади критического сечения достигается плавным уменьшением ширины проточной части радиального безлопаточного диффузора от выходного сечения центробежного колеса до критического сечения радиального лопаточного диффузора. Далее ширину проточной части либо плавно увеличивают до размера ширины проходного канала радиального лопаточного диффузора базового компрессора, либо сохраняют постоянной. Увеличение ширины канала радиального диффузора может занимать всю радиальную протяженность лопаточного диффузора, а может быть ограниченной, меньше радиальной длины лопаточного диффузора.

На фиг.1 приведено меридиональное сечение проточной части центробежного компрессора, содержащего устройство для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала, имеющего вставки в радиальном диффузоре.

На фиг.2 приведена конфигурация вставки, установленной в проточную часть радиального канала безлопаточного и лопаточного диффузоров центробежного компрессора.

На фиг.3 приведен вид проточной части радиального диффузора центробежного компрессора со вставкой переменной толщины ограниченной длины.

На фиг.4 приведен вид проточной части радиального диффузора центробежного компрессора со вставкой переменной толщины, расположенной по всей длине лопаточного диффузора.

На фиг.5 приведен вид проточной части радиального диффузора центробежного компрессора со вставкой постоянной толщины, расположенной по всей длине лопаточного диффузора

На фиг.6 представлено технологическое кольцо для изготовления вставок.

На фиг.1, где приведено меридиональное сечение проточной части центробежного компрессора, содержащего устройство для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала, имеющего вставки в радиальном диффузоре, схематично изображен корпус 1 с размещенным в нем центробежным колесом 2 с лопатками 3, радиальный безлопаточный диффузор 4, радиальный лопаточный диффузор 5 с лопатками 6 и спрофилированными вставками 7, изменяющими форму меридиональной образующей наружной поверхности проточной части безлопаточного и лопаточного радиальных диффузоров.

При этом каждая вставка 7 на фиг.3 - 5 в радиальном диффузоре на наружном корпусе безлопаточной и лопаточной частей, плавно изменяет ширину проходного сечения диффузора, уменьшая ее до критического сечения радиального лопаточного диффузора и плавно увеличивая до ширины радиального канала исходного базового типоразмера компрессора.

Каждая вставка 7, как показано на фиг.2, имеет два характерных участка I и II, формирующих площадь проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора.

Участок I (заштрихован ///) является, например, частью кольца с центральным углом ϕ=360°/Z_рлд, где Z_рлд - число лопаток радиального лопаточного диффузора.

Участок I ограничен дугой 8 окружности диаметром, равным входному диаметру безлопаточного диффузора D₁ и радиальными отрезками 9, равными радиальной протяженности безлопаточного диффузора 4.

Форма участка II (заштрихована III) определяется проточной частью межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора 5 и ограничена с одной стороны формой 10 поверхности разрежения лопатки 6, а с другой стороны - формой 11 поверхности давления соседней лопатки 6 радиального диффузора 5. Сторона 12 - выходная граница каждой вставки 7 выполняется перпендикулярно к поверхностям соседних лопаток 6, образующих межлопаточный канал радиального лопаточного диффузора 5 или по дуге 13 окружности.

Участки I и II отделяются дугой окружности диаметром, равным входному диаметру радиального лопаточного диффузора D₂.

Участок I каждой вставки 7 имеет переменную толщину, плавно возрастающую от 0.1...0.2 мм на диаметре D₁ до толщины Δ на диаметре D₂. Толщина Δ задается условием необходимого уменьшения проходной площади критического сечения межлопаточного канала диффузора для получения требуемого расчетного расхода воздуха в компрессоре.

Как показано на фиг.2, толщина участка II каждой вставки 7 от диаметра D₂ до критического сечения межлопаточного канала "К" - постоянна и равна Δ. Далее, от критического сечения "К" - до выходной границы стороны 12 или дуги 13 окружности, толщина каждой вставки 7 либо плавно уменьшается, например, до 0.1...0.2 мм, либо остается постоянной до выхода из радиального лопаточного диффузора 5.

Площадь проходного сечения сохраняется непосредственно на выходе центробежного колеса базового компрессора.

С уменьшением расчетного расхода воздуха через компрессор при наличии уменьшенной площади критического сечения лопаточного диффузора скорость относительного потока на выходе из колеса снижается. И при угле выхода относительного потока из колеса β<90° возрастает окружная составляющая скорости абсолютного потока и повышается напор центробежного компрессора. Далее, в радиальном безлопаточном диффузоре, благодаря плавному уменьшению ширины проточной части скорость абсолютного потока увеличивается, достигая на входе в лопатки радиального лопаточного диффузора и в критическом сечении расчетной величины исходного базового компрессора. В результате на входе в лопатки радиального лопаточного диффузора обеспечивается расчетное число М натекающего абсолютного потока и расчетный угол натекания абсолютного потока на лопатки диффузора. За критическим сечением диффузора, в отличие от решения в принятом прототипе, происходит плавное, без внезапного расширения, торможение околозвукового абсолютного потока с минимальными потерями.

Вставки 7 плавно уменьшают ширину проходного сечения проточной части безлопаточного диффузора 4 от выхода из центробежного колеса 2 до входа в лопатки радиального лопаточного диффузора 5 и далее плавно увеличивают ширину проточной части в радиальном лопаточном диффузоре 5 на ограниченной радиальной длине межлопаточного канала диффузора (см. фиг.3), или на всей длине лопаточного диффузора (см. фиг.4), или сохраняют уменьшенную ширину проточной части лопаточного диффузора (см. фиг.5).

Вставки заявляемого устройства для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора центробежного компрессора устанавливают в уже готовую, выполненную конструкцию или в конструкцию, создаваемую по готовым производственно-технологическим документам базового компрессора выбранного типоразмера.

Существующие компоновки радиальных лопаточных диффузоров с силовыми боковыми корпусными стенками не позволяют изготовить вставку в радиальный диффузор в виде цельного кольца, поэтому для осуществления предлагаемого технического решения разработан вариант изготовления и установки вставок в радиальный диффузор.

Изготовление вставок в радиальный безлопаточный и лопаточный диффузоры осуществляется, например, из технологического кольца.

На фиг.6 приведен эскиз технологического кольца для изготовления вставок. Кольцо имеет плавно возрастающую толщину, например, от 0.1 до 0.2 мм на радиусе D₁ до толщины Δ на диаметре D₂. От D₁ до D₂ толщина кольца постоянная и равная Δ. Диаметр D₂ определяется выбранной длиной вставки в межлопаточном канале радиального диффузора. Диаметр D₃ равен диаметру выхода из радиального лопаточного диффузора.

Из технологического кольца нарезаются вставки числом, равным числу лопаток радиального диффузора и формой, приведенной на фиг.2. Наружная сторона 10 каждой вставки 7 определяется координатами стороны разрежения лопатки 6 радиального лопаточного диффузора 5, а внутренняя сторона 11 каждой вставки 7 - координатами стороны давления.

От узкого, критического сечения "К" - на входе в межлопаточный канал радиального лопаточного диффузора 5 толщина каждой вставки 7 плавно уменьшается (см. фиг.3 и 4) или сохраняется постоянной (фиг.5).

Таким образом, вставки, установленные в проточную часть центробежного компрессора на наружном корпусе радиального безлопаточного и лопаточного диффузора уменьшают площадь критического проходного сечения лопаточного диффузора. На расчетной частоте вращения оптимальный режим согласования совместной работы радиального диффузора и центробежного компрессора сместится на меньший расход воздуха по сравнению с базовым компрессором без вставок в диффузоре. Абсолютная скорость потока, натекающего на лопатки радиального диффузора, и угол натекания на оптимальном режиме остаются расчетными. В центробежном колесе торможение потока несколько увеличивается, что приведет к повышению напора в центробежном компрессоре с реактивным центробежным колесом (β_2л<90°).

В результате газодинамическая характеристика центробежного компрессора на расчетной частоте вращения сместится на меньшие расходы воздуха относительно исходного базового компрессора без снижения напора.

Устройство для формирования площади проходного сечения межлопаточного канала радиального диффузора центробежного компрессора, преимущественно с безлопаточным и лопаточным диффузором, отличающееся тем, что оно содержит вставки, установленные в проточной части центробежного компрессора на наружном корпусе радиального безлопаточного и лопаточного диффузора, причем каждая вставка имеет два характерных участка, формирующих площадь проходного сечения, при этом первый участок является частью окружности с центральным углом ϕ=360°/Z_рлд, Z_рлд - число лопаток радиального лопаточного диффузора, и ограничен дугой окружности с диаметром, равным входному диаметру безлопаточного диффузора, радиальными отрезками, равными радиальной протяженности безлопаточного диффузора, а форма второго участка определена проточной частью межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора и ограничена с одной стороны формой поверхности разрежения лопатки, с другой стороны - формой поверхности давления соседней лопатки радиального диффузора, причем выходная граница каждой вставки выполнена перпендикулярно к поверхностям соседних лопаток, образующих межлопаточный канал радиального диффузора, или по дуге окружности, при этом первый участок от второго отделяется дугой окружности диаметром, равным входному диаметру радиального лопаточного диффузора, а первый участок каждой вставки имеет переменную толщину, плавно возрастающую, а толщина второго участка каждой вставки от входного диаметра радиального лопаточного диффузора до критического сечения межлопаточного канала постоянна, а от критического сечения до выходной границы каждой вставки плавно уменьшается или остается постоянной до выхода из радиального лопаточного диффузора.