Лопаточный диффузор центробежного компрессора

Изобретение относится к газотурбинным установкам и предназначено для создания многорежимных центробежных компрессоров с улучшенными газодинамическими и массогабаритными характеристиками. Диффузор содержит две осесимметричные относительно оси компрессора стенки, образующие проточную часть с безлопаточным участком на входе, и установленную между стенками с образованием межлопаточных каналов и полубезлопаточных участков на входе и выходе кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем. Контуры вогнутой и выпуклой сторон отдельной лопатки профилируются посредством задания текущего угла отдельного контура. Лопаточный диффузор позволяет снизить потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров, увеличить запасы устойчивой работы центробежного компрессора и улучшить массогабаритные характеристики. 3 ил.

 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, а именно к конструкциям лопаточных диффузоров центробежных компрессоров авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок, вспомогательных газотурбинных силовых установок, турбокомпрессорных стартеров и турбонагнетателей поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Проблема улучшения газодинамических и массогабаритных характеристик для центробежных компрессоров и, в частности, для их лопаточных диффузоров всегда имела первостепенное значение.

В технике известны и нашли широкое распространение кольцевые лопаточные диффузоры конструктивного различного исполнения в статорах центробежных насосов и компрессоров.

Известен лопаточный диффузор, в котором лопатки имеют среднюю линию, обеспечивающую постоянный прирост статического давления вдоль средней линии канала, образованного лопатками и двумя осесимметричными стенками (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.201-207).

Известен лопаточный диффузор центробежной турбомашины, содержащий расположенные между торцевыми стенками неподвижные лопатки. В диффузоре каждая лопатка имеет двоякоизогнутый профиль (см. Авторское свидетельство СССР №581325, М. Кл.² F04D 29/44, 1977).

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий две осесимметричные относительно оси компрессора стенки, образующие проточную часть с безлопаточным участком на входе, и установленную между стенками с образованием межлопаточных каналов и полубезлопаточных участков на входе и выходе кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем. Лопатки диффузора имеют среднюю линию, выполненную по логарифмической спирали (см. патент США №3997281, МПК F04D 29/44, НКИ США 415/207, 1976 г.).

Недостатки рассмотренных и других известных технических решений заключаются в том, что эти диффузоры можно использовать только для дозвуковых или только для сверхзвуковых течений потока в лопаточных каналах. Кроме того, для получения заданной степени повышения статического давления в каналах, составленных лопатками, имеющими указанные выше аэродинамические профили, требуется иметь значительный радиальный габарит диффузора, что приводит к увеличению массы центробежных компрессоров.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- снижение потерь полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров многорежимных компрессоров;

- увеличение запаса устойчивой работы центробежного компрессора при дозвуковом, трансзвуковом или сверхзвуковом течении в диффузоре;

- уменьшение массогабаритных характеристик центробежных компрессоров.

Необходимым условием выполнения поставленных задач является обеспечение безотрывного дозвукового, трансзвукового и сверхзвукового течения на стационарных и переходных режимах в областях больших градиентов статического давления в каналах лопаточного диффузора центробежного компрессора.

Поставленные задачи решаются тем, что лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем, установленную между двумя осесимметричными относительно оси компрессора стенками, образующими проточную часть с безлопаточным участком на входе и полубезлопаточными участками на входе и выходе.

В соответствии с изобретением контуры вогнутой и выпуклой сторон отдельной лопатки описываются полиномом Безье 3-го порядка и профилируются посредством задания текущего угла каждого отдельного контура по формулам

где - относительная величина текущего радиуса отдельного контура;

r - текущий радиус отдельного контура;

r₀, r₃ - радиусы входа и выхода кольцевой решетки лопаток;

- текущий угол отдельного контура на радиусе r;

β₀ - угол отдельного контура на входе в решетку;

β₁, β₂ - коэффициенты;

β₃ - угол отдельного контура на выходе из решетки,

причем выполняются условия:

- функции для выпуклой и вогнутой сторон профиля лопатки применимы без изменения величин β₀, β₁, β₂, β₃, для отношения величин r₃/r₀ в диапазоне от 1.2 до 1.4, характерном для центробежных компрессоров (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П. Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.191);

- максимум толщины профиля составляет не менее 6.5 процентов от длины его внутренней хорды и располагается на участке, примыкающем к выходу лопатки. В этом случае удается обеспечить угол расхождения стенок межлопаточного канала диффузора в диапазоне от 8 до 12 градусов, рекомендуемый в литературе (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.216);

- максимум кривизны контура вогнутой стороны профиля расположен внутри межлопаточного канала за сечением входа в межлопаточный канал.

Величины β₀, β₁, β₂ и β₃ вогнутой стороны профиля лопатки есть определяемые коэффициенты, причем β₀ определен раньше в ходе проектирования рабочего колеса центробежного компрессора и определяется по углу потока на выходе из рабочего колеса, а β₃ больше угла β₀ на 12-15 градусов (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.191). Характерная величина β₁ превышает β₀ в 3 раза. Характерная величина β₂ превышает

β₃ в 3 раза.

Выбор угла клина передней кромки профиля отдельной лопатки в диапазоне от 8 до 10 градусов обеспечивает безотрывное течение потока на входе в отдельный межлопаточный канал диффузора.

Величина β₀ выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β₀ вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина передней кромки лопатки.

Выбор угла клина задней кромки профиля в диапазоне от 14 до 16 градусов обеспечивает обтекание задней кромки профиля без образования интенсивных вязких следов за лопаткой.

Величина угла β₃ выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β₃ вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина задней кромки лопатки.

Выбор величин β₁, β₂ для формирования вогнутой стороны производится таким образом, что максимум ее кривизны располагается за областью входа в межлопаточный канал. Это позволяет обеспечить безотрывное торможение вязкого потока на выпуклой стороне каждой лопатки для дозвуковых и трансзвуковых режимов, а для сверхзвуковых потоков - обеспечить торможение без скачка уплотнения.

Выбор величин β₁, β₂ для формирования выпуклой стороны производится таким образом, чтобы за счет выбора толщины профиля избежать больших градиентов статического давления на выпуклой стороне и предотвратить отрыв вязкого потока.

В целом предлагаемый закон построения профилей выпуклой и вогнутой сторон лопатки диффузора обеспечивает высокую степень прироста градиента статического давления в отдельном межлопаточном канале для дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых стационарных и переходных режимов течения потока, возможных в многорежимных компрессорах.

Профилирование лопаток кольцевого диффузора по предложенному закону позволяет:

- снизить потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков в межлопаточных каналах кольцевого диффузора одного профиля многорежимных компрессоров;

- увеличить запасы устойчивой работы центробежного компрессора на стационарных и переходных режимах дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового течения потоков;

- сохранить безотрывное течение при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков на стационарных и переходных режимах и обеспечить увеличение степени роста градиента статического давления вдоль каждого отдельного межлопаточного канала кольцевого диффузора, что дает возможность уменьшить длину межлопаточных каналов диффузора и таким образом снизить массогабаритные характеристики для многорежимных центробежных компрессоров.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:

- снижены потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров многорежимных компрессоров;

- увеличены запасы устойчивой работы центробежного компрессора при течении в диффузоре дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков;

- уменьшены массогабаритные характеристики центробежных компрессоров.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы лопаточного диффузора центробежного компрессора со ссылкой на фиг.1-3, где:

на фиг.1 изображен меридиональный разрез лопаточного диффузора центробежного компрессора;

на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 даны сравнительные характеристики прироста статического давления по длине отдельного канала лопаточного диффузора для патента США №3997281 и предложенного решения.

Лопаточный диффузор центробежного компрессора, изображенного на фиг.1 и 2, содержит две осесимметричные относительно оси компрессора 1 стенки 2 и 3. Стенки 2 и 3 образуют проточную часть 4 с безлопаточным участком 5 на входе. Между стенками 3 и 4 установлена кольцевая решетка лопаток 6 с образованием межлопаточных каналов 7 и полубезлопаточных участков 8 и 9 на входе и выходе. Лопатки 6 выполнены между стенками 2 и 3 с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем.

Контуры вогнутой 10 и выпуклой 11 сторон отдельной лопатки 6 описываются полиномом Безье 3-го порядка и профилируются посредством задания текущего угла каждого отдельного контура 10 или 11 по формулам

где - относительная величина текущего радиуса отдельного контура;

r - текущий радиус отдельного контура;

r₀, r₃ - радиусы входа и выхода кольцевой решетки лопаток (см. фиг.2);

- текущий угол отдельного контура на радиусе r;

β₀ - угол отдельного контура на входе в решетку;

β₁, β₂ - коэффициенты;

β₃ - угол отдельного контура на выходе из решетки,

причем выполняются условия:

- функции для выпуклой 11 и вогнутой 10 сторон профиля лопатки 6 применимы без изменения величин β₀, β₁, β₂, β₃ для отношения величин r₃/r₀ в диапазоне от 1.2 до 1.4;

- максимум толщины профиля лопатки 6 составляет не менее 6.5 процентов от длины его внутренней хорды и располагается на участке, примыкающем к выходу 9 лопатки 6;

- максимум кривизны контура вогнутой 10 стороны профиля расположен внутри межлопаточного канала 7 на участке, примыкающем к его входу 15.

Величины β₀, β₁, β₂ и β₃ вогнутой стороны профиля лопатки есть определяемые коэффициенты, причем β₀ определен раньше в ходе проектирования рабочего колеса центробежного компрессора и определяется по углу потока на выходе из рабочего колеса в соответствии с расчетом угла потока на входе 8 в лопаточный диффузор, а β₃ больше угла β₀ на 12-15 градусов. Характерная величина β₁ превышает β₀ в 3 раза. Характерная величина β₂ превышает β₃ в 3 раза.

Выбор угла клина передней кромки 13 профиля отдельной лопатки 6 в диапазоне от 8 до 10 градусов обеспечивает безотрывное течение потока в области 15 отдельного межлопаточного канала 7 диффузора.

Величина β₀ выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β₀ вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина передней кромки 13 лопатки 6.

Выбор угла клина задней кромки 12 профиля в диапазоне от 14 до 16 градусов обеспечивает обтекание задней кромки 12 профиля без образования интенсивных вязких следов за лопаткой.

Величина угла β₃ выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β₃ вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина задней кромки 12 лопатки 6.

При работе поток рабочего тела из рабочего колеса компрессора 1 натекает на входы 13 лопаток 6, поступает в межлопаточные каналы 7 кольцевой решетки, проходит на выходы 9 каналов 7 и поступает в сборник рабочего тела (не показано). В диффузоре кинетическая энергия потока рабочего тела частично преобразуется в потенциальную.

Характерными областями лопаточного диффузора (см. фиг.2) являются следующие четыре области:

- безлопаточный участок 5 является областью смешения неравномерного потока, выходящего из рабочего колеса;

- отдельные полубезлопаточные участки 8 охватывают области от безлопаточных участков 5 до зон 14 перестройки течения рабочего тела перед входами в каналы 7. Эти области ограничены контурами вогнутых поверхностей 10 лопаток 6 кольцевой решетки диффузора и характеризуются небольшим градиентом статического давления;

- в зоне 14 перестройки течения, вызванной обтеканием передних кромок 13 лопаток 6, и в зоне 15 за входом в отдельный межлопаточный канал 7 происходит интенсивное повышение статического давления. Здесь могут возникнуть отрывные явления в вязком потоке на вогнутой стороне 10 отдельной лопатки 6. Профилирование контура вогнутой поверхности 10 лопатки 6 в зоне 14 перестройки течения потока является первым ключевым моментом при проектировании диффузора;

- после зоны перестройки 14 за зоной 15 канала 7 рост статического давления осуществляется с градиентом, уменьшающимся по длине канала. В каждом межлопаточном канале 7 происходит уменьшение скорости потока рабочего тела и одновременное нарастание вязкого пограничного слоя на стенках канала. При этом возможен отрыв пограничного слоя с поверхности 11 выпуклой стороны лопатки 7. Профилирование контура выпуклой поверхности 11 лопатки 7 диффузора для обеспечения безотрывного течения рабочего тела является вторым ключевым моментом при проектировании диффузора.

Таким образом, профилирование лопаток кольцевого диффузора по предложенному закону позволяет увеличить степень повышения статического давления и степень восстановления полного давления в проточном тракте диффузора по сравнению с известными техническими решениями и улучшить массогабаритные характеристики центробежных компрессоров.

Сравнительные характеристики прироста статического давления по длине отдельного канала лопаточного диффузора для патента США №3997281 и предложенного технического решения приведены на фиг.3.

Ось абсцисс соответствует длине межлопаточного канала, который начинается в точке пересечения оси канала с окружностью радиуса r₀, а заканчивается в точке пересечения оси канала с окружностью радиуса r₃, поделенной на корень квадратный из площади сечения входа в межлопаточный канал.

По оси ординат отложено осредненное статическое давление в текущем сечении канала, поделенное на осредненное статическое давление на окружности радиуса r₀, за вычетом единицы.

Сравнительный анализ приведенных кривых показывает, что предложенный лопаточный диффузор позволяет получить больший прирост статического давления как на начальном участке канала, так и в лопаточном диффузоре в целом по сравнению с лопаточным диффузором, описанным в патенте США №3997281.

Таким образом, разработана конструкция лопаточного диффузора, улучшающая газодинамические и массогабаритные характеристики многорежимных центробежных компрессоров и пригодная для работы в дозвуковом, трансзвуковом и сверхзвуковом потоке рабочего тела.

Лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий две осесимметричные относительно оси компрессора стенки, образующие проточную часть с безлопаточным участком на входе, и установленную между стенками с образованием межлопаточных каналов и полубезлопаточных участков на входе и выходе кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем, отличающийся тем, что контуры вогнутой и выпуклой сторон отдельной лопатки профилируются посредством задания текущего угла отдельного контура по формулам:

,
где - относительная величина текущего радиуса отдельного контура;
r - текущий радиус отдельного контура;
r₀, r₃ - радиусы входа и выхода кольцевой решетки лопаток;
- текущий угол отдельного контура на радиусе r;
β₀ - угол отдельного контура на входе в решетку;
β₁, β₂ - коэффициенты;
β₃ - угол отдельного контура на выходе из решетки,
причем выполняются условия:
максимум кривизны контура вогнутой стороны профиля расположен внутри межлопаточного канала на участке, примыкающем к его входу;
функции для выпуклой и вогнутой сторон профиля лопатки применимы без изменения величин, β₀, β₁, β₂, β₃, для отношения величин r₃/r₀ в диапазоне от 1,2 до 1,4;
максимум толщины профиля составляет не менее 6,5% от длины его внутренней хорды и располагается на участке лопатки, примыкающем к ее выходу.