Рабочее колесо центробежного компрессора

Заявленное техническое решение относится к области компрессоростроения, а именно к рабочим колесам центробежных компрессоров. При работе центробежного компрессора газу, поступающему в межлопаточные каналы, передается кинетическая энергия вращающегося рабочего колеса. Существующая разность давлений рабочего тела в межлопаточном канале вызывает вторичные течения, перпендикулярные к основному потоку, которые направлены от стороны давления к стороне разрежения, а также от корневой части к периферии пера лопатки рабочего колеса. Интенсивность вторичных течений зависит от величины углов лопатки β_{л пер} и β_{л вт}, а получение оптимального распределения данных углов вдоль меридионального контура колеса способствует снижению потерь от вихреобразования при смешивании и повышает КПД компрессора в целом. Технический результат изобретения заключается в снижении гидравлических потерь в рабочем колесе и в повышении КПД центробежного компрессора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Заявленное техническое решение относится к области компрессоростроения, а именно к рабочим колесам центробежных компрессоров, может быть использовано в конструкциях одно- или многоступенчатых компрессоров газотурбинных двигателей, а также в насосах, радиальных турбинах.

Известно полуоткрытое рабочее колесо центробежного компрессора, где средняя поверхность лопатки образована радиальными лучами, проходящими через ось колеса, в связи с чем углы лопатки на втулочном меридиональном контуре определяются из уравнения («Автомобильные двигатели с турбонаддувом» Аболтин Э.В., Ханин Н.С. и др. «Машиностроение», 1991, стр. 88, 89), где

β_л - угол лопатки;

вт - втулочный контур проточной части рабочего колеса;

пер - периферийный контур проточной части рабочего колеса;

D_вт - диаметр пересечения радиального луча с втулочным меридиональным контуром;

D_пер - диаметр пересечения радиального луча с периферийным меридиональным контуром.

Недостатком известного рабочего колеса центробежного компрессора является то, что имеется однозначная связь между углами лопатки у основания β_{л вт} и углом лопатки на периферии β_{л пер}, что не позволяет обеспечить одновременно оптимальное значение углов β_{л вт} и β_{л пер} от входной кромки лопатки до выходной, полученных из расчета потока в канале колеса, что приводит к снижению КПД колеса компрессора в целом.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является рабочее колесо центробежного компрессора (свидетельство на полезную модель №6588, пр. 02.04.1997 г., МКИ F04D 29/22), содержащее основной и покрывной диски, образующие канал для прохождения рабочего газа, в котором установлены лопатки с переменными по ширине канала углами входа β_1л и углами выхода β_2л, причем поверхность каждой лопатки выполнена в виде поверхности вращения, имеющей угол наклона к собственной оси. При этом угол наклона выполнен плавно изменяющимся от основного диска к покрывному диску.

Это техническое решение позволяет повысить КПД центробежного компрессора за счет обеспечения оптимального обтекания потоком входной и выходной кромок лопатки рабочего колеса, при этом профиль средней линии лопатки вдоль канала от входной кромки лопатки к выходной образован частью окружности, что в отличие от заявленного решения не позволяет обеспечить необходимые углы лопатки β_{л пер} и β_{л вт} на периферийном и втулочном контурах меридионального сечения рабочего колеса, что приводит к снижению КПД центробежного компрессора.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении гидравлических потерь в рабочем колесе и в повышении КПД центробежного компрессора за счет обеспечения необходимых углов лопатки как по ширине канала рабочего колеса, так и по длине.

Указанный технический результат достигается тем, что в рабочем колесе центробежного компрессора, содержащем несущий диск, на котором установлены лопатки с переменными по длине канала углами β_{л пер} и β_{л вт} на его периферийном и втулочном контурах проточной части рабочего колеса, причем средняя поверхность пера каждой лопатки выполнена в виде поверхности, полученной перемещением прямолинейного отрезка, концы которого получены перемещением точек пересечения с периферийным и втулочным контурами меридионального сечения проточной части рабочего колеса прямой линией, совершающей поворот в меридиональной плоскости рабочего колеса с постоянным центром на угол ψ от перпендикуляра к оси рабочего колеса, проходящего через центр поворота прямой, и прямой линией от входной кромки лопатки до выходной по дуге окружности на углы ϕ_пер и ϕ_вт между меридиональной плоскостью и радиусами данной окружности, проходящими от оси колеса в данные точки, а геометрические параметры рабочего колеса выполнены с учетом обеспечения соотношений

где

ϕ - угол между радиусом, проходящим через концы средней линии лопатки, и меридиональной плоскостью при текущем значении угловой координаты ψ;

пер. - периферийный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

i - порядковый номер отрезка при разбиении проточной части меридионального контура на n частей по значению угла ψ;

n - число частей при разбиении проточной части меридионального контура по значению угла ψ;

R_A - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с периферийным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ;

ψ - угловая координата рабочего колеса в пределах ее меридиональной плоскости, начало которой берется от перпендикуляра к оси колеса, проходящего через центр поворота прямой, и прямой, при пересечении которой с меридиональным контуром получены периферийные и втулочные точки, при повороте которых по дуге окружности на угол ϕ от меридиональной плоскости образуются концы средней линии лопатки;

β _{л пер} - угол лопатки на периферийном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса;

H_o - расстояние от оси рабочего колеса до центра поворота прямой линии;

вт. - втулочный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

β_{л вт} - угол лопатки на втулочном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса;

R_Б - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с втулочным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ.

При этом обеспечиваются углы лопатки на периферийном β_{л пер} и втулочном β_{л вт} контурах рабочего колеса, независимых друг от друга. Продолжение средней линии лопатки может проходить как через ось колеса (ϕ _пер=ϕ _вт), так и не пересекая ее (ϕ _пер не равно ϕ _вт). Неравенство углов ф _пер и ф _вт на начальном участке лопатки от ее входной кромки позволяет обеспечить оптимальные углы атаки потока на входе в рабочее колесо с обеспечением прочности лопатки, а на конечном участке у выходной кромки позволяет получить более равномерный поток на выходе из рабочего колеса, что в целом повышает эффективность работы компрессора.

Заявленное техническое решение поясняется чертежами, где на:

- фиг. 1 изображено рабочее колесо центробежного компрессора с частичным продольным разрезом (меридиональное сечение) с возможным набором лопаток как полных осерадиальных, так и расчетно-укороченных, разделительных;

- фиг. 2 показано сечение лопатки Д-Д, проходящей через концы отрезка прямой, образующих среднюю линию лопатки с равным значением величины углов ϕ _пер=ϕ _вт;

- фиг. 3 показано сечение лопатки Г-Г, проходящей через концы отрезка прямой образующих среднюю линию лопатки с неравным значением величины углов ϕ _пер и ϕ _вт.

Рабочее колесо центробежного компрессора содержит (фиг. 1) несущий диск 1 и взаимосвязанные с ним осерадиальные лопатки - основные 7 и разделительные 5, образующие канал для прохода рабочего газа. При этом каждая лопатка имеет полученные из расчета потока в канале колеса углы β_{л пер} 10 на периферийном 4 и β_{л вт} 9 на втулочном 2 контурах меридионального сечения. При этом каждая из вышеназванных лопаток имеет входные 8 и выходные 3 кромки.

На фиг. 1, 2, 3 показана схема получения средней поверхности пера лопатки прямой ОБ при пересечении ее периферийного 4 (точка А) и втулочного 2 (точка Б) контуров меридионального сечения.

Прямая ОБ совершает поворот вокруг центра 6 на угол ψ от вертикали. Центр 6 находится на расстоянии Н₀ от оси рабочего колеса.

На фиг. 3 показано, что углы поворота ϕ_пер и ϕ_вт точек А и Б могут иметь неравное значение.

На фиг. 2 показано, что углы поворота ϕ _пер и ϕ _вт точек А и Б имеют равное значение.

Для обеспечения полученных из газодинамического расчета потока рабочего колеса углов β_{л пер} и β_{л вт} определяются углы ϕ _пер и ϕ _вт поворота концов отрезка прямой АБ при известном угле ψ поворота прямой вокруг постоянного центра 0 с учетом обеспечения соотношений (см. фиг. 1, 2 и 3).

где

ϕ - угол между радиусом, проходящим через концы средней линии лопатки, и меридиональной плоскостью при текущем значении угловой координаты ψ;

пер. - периферийный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

i - порядковый номер отрезка при разбиении проточной части меридионального контура на n частей по значению угла ψ;

n - число частей при разбиении проточной части меридионального контура по значению угла ψ;

R_A - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с периферийным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ;

ψ - угловая координата рабочего колеса в пределах ее меридиональной плоскости, начало которой берется от перпендикуляра к оси колеса, проходящего через центр поворота прямой, и прямой, при пересечении которой с меридиональным контуром получены периферийные и втулочные точки, при повороте которых по дуге окружности на угол ϕ от меридиональной плоскости образуются концы средней линии лопатки;

β_{л пер} - угол лопатки на периферийном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса;

Н_o - расстояние от оси рабочего колеса до центра поворота прямой линии;

вт.- втулочный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

β_{л вт} - угол лопатки на втулочном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса;

R_Б - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с втулочным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ.

Данный расчет проводится как для периферийного, так и для втулочного контуров. Величины β_{л пepi} и β_{л втi}, R_Ai, R_Бi=f(ψ) получены из расчета потока в канале колеса. При полученных значениях ϕ_пepi=f(ψ) и ϕ_втi=f(ψ) определяется положение скелетной линии лопатки (см. рис. 2, 3).

При работе центробежного компрессора газу, поступающему в межлопаточные каналы, передается кинетическая энергия вращающегося рабочего колеса 1 (фиг. 1). Существующая разность давлений рабочего тела в межлопаточном канале вызывает вторичные течения, перпендикулярные к основному потоку, которые направлены от стороны давления к стороне разрежения, а также от корневой части к периферии пера лопатки рабочего колеса. Интенсивность вторичных течений зависит от величины углов лопатки β_{л пер} и β_{л вт}, а получение оптимального распределения данных углов вдоль меридионального контура колеса способствует снижению потерь от вихреобразования при смешивании и повышает КПД компрессора в целом.

Согласно представленному в описании техническому решению изготовлены образцы рабочего колеса центробежного одноступенчатого компрессора со степенью сжатия π_к=6-8, прошедшие испытания в профиле реального газотурбинного наземного транспортного двигателя, на котором повышен коэффициент полезного действия компрессора на 2%, что подтверждает заявленный технический результат.

1. Рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее несущий диск, на котором установлены лопатки с переменными по длине канала углами β_{л пер} и β_{л вт} на его периферийном и втулочном контурах проточной части рабочего колеса, отличающийся тем, что средняя поверхность пера каждой лопатки выполнена в виде поверхности, полученной перемещением прямолинейного отрезка, концы которого получены перемещением точек пересечения с периферийным и втулочным контурами меридионального сечения проточной части рабочего колеса прямой линией, совершающей поворот в меридиональной плоскости рабочего колеса с постоянным центром на угол ψ от перпендикуляра к оси рабочего колеса, проходящего через центр поворота прямой, и прямой линией от входной кромки лопатки до выходной по дуге окружности на углы ϕ_пер и ϕ_вт между меридиональной плоскостью и радиусами данной окружности, проходящими от оси колеса в данные точки, а геометрические параметры рабочего колеса выполнены с учетом обеспечения соотношений

где

ϕ - угол между радиусом, проходящим через концы средней линии лопатки, и меридиональной плоскостью при текущем значении угловой координаты ψ;

пер. - периферийный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

i - порядковый номер отрезка при разбиении проточной части меридионального контура на n частей по значению угла ψ;

n - число частей при разбиении проточной части меридионального контура по значению угла ψ;

R_A - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с периферийным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ;

ψ - угловая координата рабочего колеса в пределах ее меридиональной плоскости, начало которой берется от перпендикуляра к оси колеса, проходящего через центр поворота прямой, и прямой, при пересечении которой с меридиональным контуром получены периферийные и втулочные точки, при повороте которых по дуге окружности на угол ϕ от меридиональной плоскости образуются концы средней линии лопатки;

β_{л пер} - угол лопатки на периферийном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса;

Н₀ - расстояние от оси рабочего колеса до центра поворота прямой линии;

вт. - втулочный контур проточной части рабочего колеса в меридиональном ее сечении;

R_Б - расстояние от центра поворота прямой линии до точки пересечения данной прямой с втулочным контуром меридионального сечения проточной части рабочего колеса при принятом значении угла ψ;

β_{л вт} - угол лопатки на втулочном контуре проточной части меридионального сечения рабочего колеса.

2. Рабочее колесо по п. 1, отличающееся тем, что величины углов ϕ_пер и ϕ_вт поворота вокруг оси колеса концов средней линии лопатки могут иметь как равные, так и различные значения.