СПИРАЛЬНЫЙ НАДДУВ ВОЗДУХА
SPIRAL AIR CHARGING

Изобретение относится к центробежным компрессорам для турбонагнетателей отработанных газов. Оно касается устройства для наддува воздуха в направляющий канал центробежного компрессора согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Для расширения диапазона характеристик ступеней центробежного компрессора во многих ступенях центробежных компрессоров последних поколений применяют стабилизаторы в области всасывания колеса компрессора.
На рынке не прекращается спрос на компрессоры турбонагнетателей отработанных газов с более высоким давлением сжатия. Увеличение давления сжатия за счет увеличения скорости вращения при прежнем дизайне ступеней компрессоров имеет, однако, свои границы, так как увеличение скорости вращения сопровождается схождением ограничивающих полезные характеристики границ помпажа и границ захвата. Полезный диапазон характеристик поэтому с повышением давления сжатия уменьшается. Чтобы не допустить этого и сохранить как можно более широкий полезный диапазон характеристик, можно применить при прежнем дизайне колеса компрессора и прежних размерах колеса компрессора диффузор с меньшим поперечным сечением потока. Граница помпажа в результате этого сдвигается в сторону меньших объемных расходов, а это при прежнем пределе захвата колеса имеет следствием увеличенный полезный диапазон характеристик. Недостатком при этом является уменьшение коэффициента полезного действия, в частности при частичной нагрузке. Этот недостаток можно устранить путем повышения с помощью соответствующих мер стабильности имеющихся ступеней компрессора при максимальной нагрузке. Этого можно добиться путем наддува воздуха со стороны корпуса в направляющий канал в не охватываемом лопатками пространстве между рабочими лопатками колеса компрессора и направляющими лопатками диффузора. Динамическая стабильность в области высоких давлений сжатия может быть повышена путем наддува воздуха.
Другой возможностью повышения давления сжатия и устранения сближения границы помпажа и границы захвата является адаптация дизайна колеса компрессора. Стабильность, а тем самым полезный диапазон характеристик, можно обеспечить путем увеличения «заднего изгиба» у колеса компрессора. «Задним изгибом» обозначают угол на выходе колеса компрессора между лопаткой с радиально расположенной задней кромкой и лопаткой с направленным по касательной в противоположном направлению вращения колеса направлении более пологим выходным углом. Увеличение «заднего изгиба» приводит к тому, что для достижения того же самого давления сжатия необходимо увеличить окружную скорость колеса. Поэтому для достижения более высокого давления сжатия необходимо сверхпропорциональное увеличение скорости вращения. Однако это ограничивается материалом, из которого изготавливают колесо компрессора, соответственно нужно переходить на материал с лучшими механическими свойствами. Такие материалы намного дороже. В отличие от этого решения преимущества в отношении затрат обеспечивает наддув воздуха, так как имеющаяся ступень компрессора усиливается для достижения более высокого давления сжатия и можно избежать дорогой замены материала, из которого изготавливаются колеса компрессора.
Из "Centrifugal Compressor Flow Range Extension Using Difruser Flow Control (Расширение диапазона потока центробежного компрессора путем управления потоком диффузора)", (Gary J. Skoch; Army Research Laboratory, Vehicle Technology Directorate, Cleveland, Ohio; 5. Dezember, 2000) известен центробежный компрессор с присоединенным диффузором, в котором с использованием эффекта Коанда сжатый воздух из форсунки нагнетается в направлении потока в направляющий канал между колесом компрессора и диффузором.
Под эффектом Коанда (описан в патенте США 2052869) понимают потоковый эффект, согласно которому быстротекущая среда, которая течет по поверхности твердого тела, прижимается к его поверхности и не отделяется от этой поверхности.
Форсунки для сжатого воздуха расположены в ограничивающей направляющий канал стенке корпуса и завинчены до отказа в корпусе компрессора. Их можно перемещать в отверстиях, поэтому направление наддува может изменяться. Форсунки трубопроводом соединены с внешним источником сжатого воздуха.
В СН 204331 раскрывается устройство для предотвращения отрыва струи в компрессорах. При этом в области направляющего колеса через отсасывающие отверстия отсасываются части потока, которые затем снова вводятся в поток в противоположном его течению направлении. Повторное введение происходит через проходящую в направлении потока по окружности щель, имеющую форму форсунки.
Задачей изобретения является создание более упрощенного, не требующего больших затрат устройства для наддува воздуха в направляющий канал центробежного компрессора, которое, в частности, могло бы быть смонтировано с небольшими затратами и проявляло бы высокую надежность в работе.
Эта задача решается с помощью устройства для наддува воздуха в направляющий канал центробежного компрессора с признаками п.1 формулы изобретения.
В соответствующем изобретению устройстве форсунки выполнены в виде вдувных отверстий в ограничивающей направляющий канал стенке корпуса. Через вдувные отверстия проходит воздух непосредственно из расположенной в направлении потока за диффузором накопительной полости. Этот воздух имеет по сравнению с потоком в направляющем канале перед диффузором более высокое давление. В результате этого создается пассивная, динамическая стабилизирующая система ступени компрессора в области высоких давлений сжатия, которая обходится без дополнительных регулирующих или исполнительных элементов.
Предпочтительный вариант осуществления соответствующего изобретению устройства для наддува воздуха в направляющий канал легко реализуем, поскольку отливаемые части корпуса компрессора уже имеют соответствующие отверстия. Нет необходимости в дополнительных форсуночных элементах или в подводке для сжатого воздуха.
Распределение сжатого воздуха при наличии нескольких вдувных отверстий происходит, по меньшей мере, через частично кольцеобразный, в виде интегрированной в корпус компрессора полости, воздушный канал.
Далее соответствующее изобретению устройство для наддува воздуха в направляющий канал центробежного компрессора объясняется подробнее с использованием чертежей. На них показывают:
фиг.1 - поперечный разрез через центробежный компрессор с соответствующим изобретению устройством для наддува воздуха в направляющий канал,
фиг.2 - увеличенный фрагмент соответствующего изобретению устройства согласно фиг.1 со смонтированным форсуночным элементом и
фиг.3 - увеличенный фрагмент соответствующего изобретению устройства согласно фиг.1 с интегрированным способом материального замыкания форсуночным элементом.
На фиг.1 показан разрез через центробежный компрессор с расположенным на установленном в подшипниках вращающемся валу колесом компрессора. Колесо компрессора имеет ступицу 10 и расположенные на ней рабочие лопатки 11. Колесо компрессора находится в корпусе компрессора. Корпус компрессора включает в себя несколько частей, ограничивающих направляющий канал для сжимаемой среды. В области рабочих лопаток колеса компрессора внутренняя стенка корпуса компрессора, так называемая «рабочая» стенка 31, ограничивает направляющий канал 41 в радиальном направлении наружу. Радиально внутрь направляющий канал в этой области ограничен ступицей колеса компрессора. Далее по потоку за областью рабочих лопаток колеса компрессора направляющий канал 42 ограничен с противолежащей по отношению к рабочей стенке 33 стороны стенкой диффузора 20. Диффузор включает в себя направляющие лопатки 21 диффузора, расположенные в направляющем канале. Далее по потоку за направляющими лопатками диффузора направляющий канал 42 входит в накопительную полость 43 спирального корпуса-улитки 32, откуда не изображенный воздухопровод ведет к камерам сгорания соединенного с турбонагнетателем отработанных газов двигателем внутреннего сгорания. Поток воздуха показан на чертежах соответственно толстыми белыми стрелками.
Соответствующее изобретению устройство для наддува воздуха в направляющий канал включает в себя воздушный канал 44 обратного потока, который от накопительной полости 43 проходит за направляющими лопатками 21 диффузора в направлении потока в направляющий канал 42 между рабочими лопатками 11 колеса компрессора и направляющими лопатками 21 диффузора.
Как показано на фиг.1, воздушный канал 44 может быть выполнен в виде полости, ограниченной рабочей стенкой 31, корпусом-улиткой 32 и перегородкой 33 корпуса компрессора. Воздушный канал 44 проходит от заборного отверстия 52 в стенке корпуса компрессора в области накопительной полости 43 к нагнетательному отверстию 51 в стенке корпуса компрессора в области между рабочими лопатками 11 колеса компрессора и направляющими лопатками 21 диффузора. Нагнетательное отверстие 51, которое впадает в направляющий канал 42 в области между рабочими лопатками 11 колеса компрессора и направляющими лопатками 21 диффузора, выполнено не цилиндрическим, а имеет внутреннюю поверхностную структуру Коанда. Это означает, что, как показано на фиг.3 в увеличенном виде, стенка корпуса компрессора имеет простирающуюся во вдувное отверстие выпуклость, вдоль которой может двигаться воздух в соответствии с эффектом Коанда.
Поток в направляющем канале при выходе из области рабочих лопаток колеса компрессора имеет сильную касательную компоненту. Благодаря эффекту Коанда при вдувании воздуха в направляющий канал не возникают сильные завихрения и поперечные потоки. Вместо этого вдуваемый также в касательном направлении в направляющий канал воздух прижимается к выпуклости нагнетательного отверстия 51 и вводится в поток в краевой области направляющего канала в направлении потока, как это показано тонкими стрелками на фиг.2 и фиг.3.
Наддув воздуха в направляющий канал происходит пассивно, т.е. без участия регулирующих или исполнительных элементов. По причине более высокого по сравнению с направляющим каналом 42 в области между рабочими лопатками 11 колеса компрессора и направляющими лопатками 21 диффузора давления в накопительной полости 43 образуется компенсационный поток.
По периферии направляющего канала, следовательно, на одинаковой радиальной высоте относительно вала турбонагнетателя, могут быть предусмотрены несколько вдувных отверстий 51. Все они могут быть соединены одним-единственным кольцеобразным или, по меньшей мере, меющим близкую к кольцеобразной форму воздушным каналом 44. Кроме того, по периферии накопительной камеры 43 могут быть расположены несколько заборных отверстий 52.
Вместо одного кольцеобразного воздушного канала 44 могут быть предусмотрены несколько разделенных радиально расположенными перегородками каналов для забираемых потоков воздуха, которые снабжают одно или несколько вдувных отверстий 51 воздухом для наддува.
Отверстия в соответствующем изобретению устройстве могут быть выполнены в корпусе компрессора уже при его изготовлении. Это можно осуществить непосредственно при отливке частей корпуса или путем заливки предварительно изготовленных форсуночных элементов 62 в стенку корпуса и соединения их со стенкой корпуса способом материального замыкания или путем интегрирования специальных контуров нагнетательных отверстий уже в литьевую форму. При предварительном изготовлении форсуночных элементов 62 применяется материал, который в процессе литья замыкается сталью стенки корпуса, причем сам не расплавляется. В качестве альтернативы, впускные и нагнетательные отверстия можно выполнять в стенках корпуса компрессора позднее.
Могут быть также предусмотрены форсуночные элементы 61, которые соединяются со стенкой корпуса компрессора способом геометрического замыкания или способом силового замыкания. Это дает возможность, например, дооборудования уже существующих турбонагнетателей соответствующим изобретению устройством для наддува воздуха в направляющий канал.
Для разгрузки от толкающего усилия в области задней стенки колеса компрессора или в качестве запирающего воздуха для масляного уплотнения подшипника за счет давления наддува из компрессора может отсасываться воздух в области, располагающейся в направлении потока за рабочими лопатками колеса компрессора. Этот так называемый поток 53 утечки может, в свою очередь, оказать дестабилизирующее действие на поток в компрессоре, в результате чего граница помпажа сдвигается в сторону более высоких объемных расходов, что приводит к нежелательному уменьшению полезного диапазона характеристик. Путем соответствующего изобретению наддува положение границы помпажа может возвращаться к положению без потока 53 утечки.
Список позиций
10 - ступица колеса компрессора
11 - лопатки колеса компрессора
20 - стенка диффузора
21 - направляющая лопатка диффузора
31 - внутренняя стенка корпуса компрессора, рабочая стенка
32 - внешняя стенка корпуса компрессора, корпус-улитка
33 - перегородка
41 - направляющий канал, область всасывания
42 - направляющий канал, область диффузора
43 - накопительная полость, корпус-улитка
44 - воздушный канал, полость
51 - вдувное отверстие
52 - заборное отверстие
53 - отверстие для потока утечки
61 - форсуночный элемент, смонтированный
62 - форсуночный элемент, интегрированный в стенке корпуса