ОСЕЦЕНТРОБЕЖНЫЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР
AXIAL-CENTRIFUGAL MULTISTAGE COMPRESSOR

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к конструкции осевого многоступенчатого компрессора.
Известен осецентробежный компрессор содержащий ротор и статор, установленные с радиальным зазором, образующие канал и имеет систему регулирования зазора между ротором и статором компрессора. RU 2485327 F04 29/58 29.06.2009.
Недостатком такого компрессора является сложность изготовления данной системы регулирования.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является модульный насос, на валу которого установлены рабочие колеса, имеющие радиальные проточные каналы, выходные отверстия которых повернуты в направлении входа в рабочее колесо следующего модуля насоса, поэтому как на входе, так и на выходе из рабочего колеса поток жидкости имеет осевое направление. RU 2122653 С1 27.11.1998.
Недостатком такого насоса является низкий КПД, невысокое давление и небольшой расход жидкости, предрасположенность к возникновению кавитации, высокий уровень шума и сложность конструкции.
Недостаток осевых многоступенчатых компрессоров заключается в малой напорности отдельной ступени, возникновении пульсаций в проточной части компрессоров, что объясняется периодическим быстро повторяющимся отрывом газовых вихрей с рабочих и направляющих лопаток, сложности и трудоемкости изготовления лопаточного аппарата, большой вибрации и колебаний лопаток, крутой гидравлической характеристике, большом весе и осевой длине, малой высоте лопаток последних ступеней компрессора, предрасположенности к помпажу.
Недостаток центробежных многоступенчатых компрессоров заключается в больших радиальных размерах, относительно малой лобовой производительности и низком КПД при малых оборотах, сложности и трудоемкости изготовления, наличии диффузоров и обратных направляющих аппаратов, а также только 30% площади поперечного сечения компрессора используется для входа потока газа. Многочисленные испытания центробежных и осевых многоступенчатых компрессоров показали, что основные потери энергии приходятся на диффузоры и обратные направляющие аппараты, а также на профильные потери при взаимодействии потока газа с лопатками рабочих колес компрессора.
Задача изобретения - устранение недостатков осевых и центробежных многоступенчатых компрессоров, повышения КПД до 94% и более.
Указанный технический результат достигается тем, что в осецентробежном многоступенчатом компрессоре применяются рабочие колеса тоннельного типа, а вместо диффузоров и обратных направляющих аппаратов применяются направляющие диски.
Ступень осецентробежного многоступенчатого компрессора состоит из рабочего колеса тоннельного типа и направляющего диска. Одним из основных способов снижения веса многоступенчатых компрессоров является уменьшение количества ступеней.
Одна центробежная ступень создает повышение давления в 4-6 раз выше, чем осевая, что позволяет уменьшить количество ступеней компрессора для создания требуемого давления при прочих одинаковых условиях, однако устанавливать более 2 ступеней невыгодно по причине больших гидравлических потерь в диффузорах и обратных направляющих аппаратах. В осецентробежном многоступенчатом компрессоре эти потери незначительны или отсутствуют, что позволяет повысить его КПД на 6-8% по сравнению с осевым многоступенчатым компрессором.
Предлагаемый осецентробежный многоступенчатый компрессор имеет одинаковый диаметр с осевым многоступенчатым компрессором и использует 80% площади своего поперечного сечения, в его конструкции нет диффузоров и обратных направляющих аппаратов, поэтому можно устанавливать более 2 ступеней.
Осецентробежный многоступенчатый компрессор содержит корпус, состоящий из нескольких модулей с плоскими разъемами перпендикулярно оси вала компрессора, которые соединяются между собой, а центровка отдельных модулей выполняется по посадочным пояскам или штифтам. На внутренней поверхности каждого модуля жестко закреплен направляющий диск, который предназначен для безударного входа в свои каналы потока газа, выходящего после рабочего колеса и закручивания потока газа на входе в рабочее колесо следующей ступени компрессора в сторону, противоположную вращению рабочего колеса, что приводит к повышению давления и расхода газа через компрессор. В передней части компрессора установлен входной направляющий аппарат для поворота набегающего потока газа в сторону, противоположную вращению рабочего колеса осевого типа, а в центре входного направляющего аппарата закреплен подшипник, в котором вращается вал с последовательно закрепленными на нем рабочими колесами осевого и тоннельного типа. Первое рабочее колесо должно быть осевого типа, а все последующие тоннельного типа.
На Фиг 1 изображен осецентробежный трехступенчатый компрессор, который содержит корпус 1, входной направляющий аппарат 2, подшипник 3, вал ротора компрессора 4, осевое рабочее колесо 5, направляющий диск 6, каналы 7 направляющего диска 6, выходное отверстие 8 направляющего диска 6, рабочее колесо тоннельного типа 9, входное отверстие 10 рабочего колеса 9.
На Фиг. 2 изображен направляющий диск 6, который содержит каналы 7 направляющего диска, выходное отверстие 8 направляющего диска.
На Фиг. 3 изображено рабочее колесо тоннельного типа 9, которое содержит входное отверстие 10 рабочего колеса, тоннели 11, выходные отверстия 12 тоннелей, отверстие 13 для установки на вал ротора компрессора, покрывной диск 14.
Работа осецентробежного многоступенчатого компрессора осуществляется следующим образом. При вращении ротора компрессора лопасти рабочего колеса осевого типа 5 отбрасывают и закручивают газ вдоль оси вращения, а на место отброшенного газа поступает новый и в результате этого перед осевым рабочим колесом 5 образуется движение газа навстречу рабочему колесу - подсасывание, а позади осевого рабочего - отбрасывание. Рабочее колесо придает газу дополнительную энергию и его давление при проходе через ометаемую лопастями поверхность, существенно возрастает. После рабочего колеса газ попадает в каналы 7 направляющего диска 6, далее, двигаясь по каналам, газ изменяет направление движения в строну, противоположную вращению рабочего колеса и через выходное отверстие 8 направляющего диска 6, заходит во входное отверстие 10 рабочего колеса тоннельного типа 9 следующей ступени, а затем, проходя по тоннелям 11 колеса, газ поворачивается из осевого направления в радиальное и вовлекается во вращательное движение с окружной скоростью, возрастающей по мере удаления от оси вращения, а относительная скорость газа постоянно уменьшается до ноля в конце тоннелей 11 рабочего колеса 9, поток газа, достигнув начала отверстий 12 тоннелей 11, поворачивается из радиального в осевое направление, при этом скорость потока газа остается постоянной. Газ получает энергию за счет центробежной силы инерции, кориолисовой и аэродинамической силы.
Выйдя из отверстий 12 тоннелей рабочего колеса 9, закрученный поток газа под большим давлением с осевой и окружной скоростью попадает в каналы 7 направляющего диска 6 и, двигаясь по ним, через выходное отверстие 8, заходит в рабочее колесо тоннельного типа следующей ступени.
При эксплуатации осевого многоступенчатого компрессора наблюдается режим работы, который называется помпаж, он затрагивает весь газовоздушный тракт компрессора, включая различные зазоры и каналы, по которым протекает газ во время работы. Аэродинамика центробежного многоступенчатого компрессора проста и он менее подвержен помпажу, однако при малых расходах воздуха, если направление входящего потока не соответствует изгибу каналов центробежно-осевого рабочего колеса, то в них возможно возникновение помпажа.
В осецентробежном многоступенчатом компрессоре угол атаки передних кромок боковых стенок на входе в тоннели всегда меньше критического значения, поэтому возникновение помпажа в нем практически НЕВОЗМОЖНО. Торцы передних кромок боковых стенок тоннелей выполнены полукруглыми для увеличения критического угла атаки.
На основании уравнения постоянства массового расхода, при увеличении плотности и постоянной скорости потока воздуха, необходимо уменьшать площадь проходного сечения, для этого можно уменьшать длину выходных отверстий 12 тоннелей 11, рабочего колеса 9 при неизменной длине тоннелей 11. При установке на авиадвигателе осецентробежного многоступенчатого компрессора за последним рабочим колесом ставить направляющий диск не имеет смысла.
Использование менее дорогостоящих материалов и простота изготовления рабочего колеса тоннельного типа и направляющего диска существенно уменьшает стоимость заявленного изобретения.