РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Заявляемое техническое решение относится к роторам центробежных машин, особенно, компрессоров, и, в частности, к рабочим колесам таковых, с учетом особенностей геометрии их лопаток, и предназначено для использования в высокоскоростных центробежных компрессорах газотурбинных двигателей, особенно авиационных.
Известно полуоткрытое рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее несущий диск со взаимосвязанными с последним осерадиальными и разделительными лопатками (см. Кампсти Н., «Аэродинамика компрессоров», М., «Мир», 2000, стр.101, рис.2.16).
Недостатком таких рабочих колес являются значительные деформации, наблюдающиеся при высоких окружных скоростях вращения (более 500 м/с), что требует или утолщения несущего диска или применения больших зазоров между неподвижным корпусом и лопатками, а это приводит к увеличению соответственно массы рабочего колеса или перетекания рабочего тела в зазорах и снижает коэффициент полезного действия (КПД) компрессора.
Из описания к авторскому свидетельству СССР №189315, кл. МПК F05C (59В, 1) заявлено 17.11.1966 г, известно рабочее колесо центробежного насоса.
В нем была сделана попытка получить одновременно совокупный технический результат повышения КПД устройства и повышения жесткости конструкции путем определенных улучшений, состоявших в совокупности, желобобразной формы лопаток в направлении вращения колеса и связи их кольцевым ободом.
Надо отметить, что такое решение действительно полезно в мало- и средненагруженных центробежных колесах, однако эффективность в высоконагруженных конструкциях и, в частности, в авиационных двигателях, недостаточна.
Известно также техническое решение «Турбомашина радиального потока» фирмы General Motors Corp. (см. патент США №3 984193, заявлено 07.10.1974 г., кл. США 415/213/219, кл. МПК F04D 17/00), где представлен центробежный компрессор.
Периферия каждой его лопатки вдоль и от входа поверхности давления к выходу имеет отбуртовку или «губу» (lip) у передней крышки компрессора.
При этом его заявляемый технический результат - сведение к минимуму утечек рабочего тела между крышкой и соседствующими с ней краями лопаток.
Следует отметить, что в его работе снижение утечек действительно имеет место, но возникающие при этом завихрения снижают эффективность решения.
Из описания к авторскому свидетельству СССР №1603073, F04D 29/28, заявлено 10.05.1988, известно также рабочее колесо центробежного нагнетателя, содержащее несущий диск 1 с лопатками 2, каждая из которых имеет осевой 3 и радиальный 4 участки поверхности профиля пера. Периферия каждой лопатки 2 на радиальном участке 4 поверхности профиля пера снабжена полкой 6 расчетной протяженности. Полка 6 имеет кромку 7 неопределенной формы, ориентированную в ту же сторону, что и поверхность давления 8, названная рабочей поверхностью, являющаяся частью поверхности профиля пера. Там же, на радиальных участках лопаток, поименованных, как торцы, выполнены пазы 10, технологически обеспечивающие образование полок 6.
Это известное техническое решение позволяет уменьшить перетекание рабочего тела в зазорах между лопатками и неподвижным корпусом за счет ужесточения концевой части каждой лопатки и наличия пазов, выполняющих роль воздушного уплотнения. Однако оно также имеет ряд недостатков.
Полка под действием центробежных сил отклоняется в направлении неподвижного корпуса, при этом возможное касание заостренной кромкой о неподвижный корпус имеет встречный характер, что влечет врезание в поверхность корпуса. Открытые пазы на концевых частях лопаток способствуют увеличению потерь на рециркуляцию, при которой рабочее тело, выходя из межлопаточного канала с высоким давлением, будет течь по вышеуказанным пазам к входу в рабочее колесо в сторону меньшего давления, что также приводит к потерям производительности колеса.
Тем не менее, ввиду общности существенных признаков с заявляемым, техническое решение по охранному документу SU №1693073 «Рабочее колесо центробежного нагнетателя» может быть использовано в качестве прототипа.
Перед авторами стояла задача создать такое рабочее колесо центробежного компрессора, в котором были бы сведены к минимуму потери за счет перетекания рабочего тела в зазоре между лопатками и неподвижным корпусом, и при этом получить определенный совокупный технический результат, содержащий несколько, логически взаимосвязанных, технических результатов.
Основным техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия высокоскоростного компрессора за счет уменьшения потерь от перетекания рабочего тела.
При этом должен быть получен технический результат обеспечения жесткости пера лопатки при одновременной оптимизации собственных частот его колебаний и, как следствие, предотвращение разрушения устройства.
Поставленная задача решается тем, что в известном рабочем колесе центробежного компрессора, содержащем несущий диск взаимосвязанный с лопатками, поверхности профиля пера каждой из которых от входного сечения к выходному по линии периферии ее пера (см. ГОСТ 23537-79, п.14), снабжена дополнительной полкой с заостренной кромкой, произведено усовершенствование.
Усовершенствование заключаются в том, что полка с заостренной кромкой каждой лопатки по линии указанной периферии пера поверхности профиля пера выполнена на стороне поверхности разрежения
При этом указанная полка выполнена Δ-образной формы со своим основанием, взаимосвязанным с указанной поверхностью разрежения лопатки.
Кроме того указанная Δ-образная полка выполнена с плавным увеличением ее поперечного сечения от входа к выходу исходя из известных методов расчета и типоразмера газодинамических нагрузок выбранного колеса.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на:
- фиг.1 дан вид заявляемого рабочего колеса центробежного компрессора, с частичным продольным разрезом и возможным набором лопаток как полных осерадиальных, так и расчетно укороченных разделительных с упомянутой Δ-образной полкой;
- фиг.2 показан выносной элемент А, отдельное увеличенное изображение лопатки рабочего колеса;
- фиг.3 показано изображение условно отсоединенной Δ-образной полки. Рабочее колесо 1 (см. фиг.1) центробежного компрессора содержит несущий диск 2 и взаимосвязанные с ним осерадиальные лопатки 3 и при возможном использовании разделительные лопатки 4. При этом каждая из вышеупомянутых лопаток имеет сторону давления 5 и сторону разрежения 6. Как на осерадиальных лопатках 3, так и на разделительных лопатках 4 по всей их расчетной длине со стороны разрежения 6 на линии 7 (см. фиг.2) периферии пера выполнена Δ-образная полка 8, которая представляет собой выступ тела пера лопатки с основанием 9, являющегося частью поверхности разрежения 6 профиля пера, дополнительным увеличением 10 толщины пера в окружном направлении и сопряжением 11 заостренной кромки 12 со стороной разрежения 6 профиля пера.
В зависимости от типоразмера колеса вышеуказанное дополнительное увеличение 10 толщины пера (величина В) определяется расчетным путем, но оно максимально на выходной кромке 13 и плавно уменьшается (см. фиг.3, В<В′<В″) в направлении ко входной кромке 14 и корневой части 15 рабочего колеса 1 как для лопаток осерадиальных 3, так и для разделительных 4, если таковые необходимы согласно газодинамическим требованиям и расчетам.
При работе центробежного компрессора рабочему телу, поступающему в межлопаточные каналы, передается кинетическая энергия вращающегося рабочего колеса 1 (см. фиг.1). Существующая разность давлений рабочего тела в межлопаточном канале, вызывает вторичные течения, перпендикулярные основному потоку, которые направлены от стороны давления 5 к стороне разрежения 6, а также от корневой части 15 к периферии пера рабочего колеса 1. При этом полка 8 с заостренной кромкой 12 (см. фиг.2) направляет по сопряжению 11 вышеуказанные течения параллельно пограничному слою на неподвижном корпусе, чем способствуют снижению потерь от вихреобразования при смешивании.
Под воздействием центробежных сил и температуры рабочее колесо 1 имеет упругие деформации, которые ведут к уменьшению зазора между неподвижным корпусом и вращающимися как осерадиальными 3, так и разделительными 4 лопатками. При этом, возможное касание полки 8 заостренной кромкой 12 о неподвижный корпус будет иметь попутный характер.
Согласно представленному в описании техническому решению изготовлены опытные образцы рабочего колеса центробежного компрессора, прошедшие испытания в профиле реального авиационного газотурбинного двигателя, которые подтвердили работоспособность и заявленный технический результат.
Благодаря предлагаемому техническому решению, повышен коэффициент полезного действия компрессора, жесткость и прочность лопаток рабочего колеса, и исключено встречное касание лопаток о корпусные детали, а также сводятся к минимуму повреждения лопаток рабочего колеса в процессе приработки, что в целом увеличивает эффективность и долговечность работы компрессора.