Лопаточный диффузор центробежного компрессора

Полезная модель относится к области компрессоростроения, а именно к лопаточным диффузорам центробежных компрессоров, и может быть использована в турбокомпрессорах, газотурбинных двигателях, вентиляторах и насосах.
Неотъемлемой частью центробежной ступени компрессора является статор (выходная система), представляющий собой последовательность лопаточного диффузора и осевого спрямляющего аппарата. Практика проектирования высоконапорных центробежных ступеней показала, что обеспечить высокие параметры в центробежной ступени возможно при обеспечении эффективной работы выходной системы, поскольку наибольшие потери и неустойчивое течение возникает, как правило, в лопаточном диффузоре.
Проблемой является то, что на лопаточный диффузор натекает сверхзвуковой поток, поэтому возникает необходимость профилировать лопатки в диффузоре таким образом, чтобы сформировать канал для торможения сверхзвукового потока, а после его прохождения организовать дозвуковой диффузор. На практике довольно часто применяется специальное профилирование с утолщением в области минимальной проходной площади канала - горле лопаточного диффузора. Применяется также выполнение диффузора в виде нескольких венцов, каждый из которых имеет значительную протяженность, причем, как правило, число лопаток в венцах одинаковое.
Известен радиальный диффузор центробежного компрессора, содержащий размещенные между боковыми стенками два концентричных лопаточных венца (SU 879047, 1981). В известном техническом решении выходные кромки лопаток внутреннего венца смещены в окружном направлении от входных кромок лопаток наружного венца на заданное расстояние в зависимости от шага входных кромок наружного венца, площадь на входе межлопаточных каналов внутреннего венца определяется в зависимости от площади на входе этих же каналов, а диаметр горла каждого межлопаточного канала внутреннего венца выбирается в зависимости от высоты лопатки этого венца на входе, причем отношение площадей на выходе и входе межлопаточных каналов соответственно наружного и внутреннего венцов выбирается в определенном диапазоне. Применение двух лопаточных венцов приводит к снижению минимальных значений коэффициентов потерь в диффузоре от входа в лопаточный диффузор до выхода из него, а также к расширению зоны устойчивой работы диффузора и позволяет увеличить к.п.д. ступени на 1-1,5%. Существенным недостатком известного технического решения является недостаточная эффективность работы диффузора, поскольку радиальная протяженность лопаток, обусловленная указанными соотношениями, ограничивает возможность изменения угла установки профиля лопаток. Кроме того, недостатком известного технического решения является недостаточная густота наружного лопаточного венца на выходе диффузора, что также снижает эффективность его работы.
Известна ступень центробежного компрессора, содержащая многорядный лопаточный диффузор (SU 1134795, 1985). Выходной угол лопаток последнего ряда многорядного лопаточного диффузора составляет 90-100°. Существенным недостатком известного технического решения является низкий уровень снижения аэродинамических потерь, обусловленный отсутствием выбора оптимальной густоты и диффузорности для рядов лопаточного диффузора, а также невозможностью регулирования угла установки рядов в лопаточном диффузоре.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемой полезной модели является лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий лопаточную решетку с лопатками, установленными с возможностью изменения угла установки профиля (ЕР 0719944, 2002). Известное техническое решение позволяет расширить диапазон устойчивой работы центробежного компрессора. Существенным недостатком известного технического решения является его эффективность только в диапазоне низких скоростей потока.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении эффективности лопаточного диффузора в диапазоне высоких скоростей потока.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в обеспечении на выходе лопаточного диффузора потока с требуемой величиной скорости за счет создания системы последовательных косых скачков уплотнения потока.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в лопаточном диффузоре центробежного компрессора, содержащем лопаточную решетку с лопатками, установленными с возможностью изменения угла установки профиля, лопаточная решетка включает по меньшей мере четыре лопаточных венца, каждый из которых характеризуется определенной густотой и углом установки профиля лопаток, причем лопатки первых двух венцов выполнены со сверхзвуковым профилированием, а лопатки остальных венцов - с дозвуковым профилированием, густота венцов увеличивается от первого венца к последнему и составляет:
- для первых двух венцов 0,8 - 1,0
- для последующих венцов 1,0 - 2,5 угол установки профиля лопаток увеличивается от первого венца к последнему и составляет:
- для первого венца 8-15°
- для второго венца 11-17°
- для третьего венца 14-21°
- для последующих венцов 28-32°
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется следующим подробным описанием лопаточного диффузора центробежного компрессора со ссылкой на иллюстрации, где:
- на фиг. 1 представлена схема выполнения лопаточного диффузора центробежного компрессора, включающая пять последовательно расположенных венцов;
- на фиг. 2 представлена схема установки лопаток в лопаточной решетке, включающей пять последовательно расположенных венцов;
- на фиг. 3 представлена схема установки лопаток со сверхзвуковым профилем;
- на фиг. 4 представлена схема установки лопаток с дозвуковым профилем.
Лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит лопаточную решетку с лопатками, установленными с возможностью изменения угла установки профиля. Лопаточная решетка включает по меньшей мере четыре последовательно расположенных лопаточных венца. В примере реализации полезной модели лопаточная решетка включает пять венцов 1-5, расположенных в канале, образованном стенками 6 (см. фиг. 1). Каждый венец характеризуется определенной густотой и углом установки профиля лопаток. Первый венец 1, расположенный непосредственно после рабочего колеса 7 центробежного компрессора, включает лопатки 8, выполненные со сверхзвуковым профилированием, т.е. с острой входной и выходной кромками (см. фиг. 2). Первый венец 1 характеризуется малыми углами (от 8° до 15°) установки профиля лопаток 8 к фронту решетки и густотой решетки
b/t=0,8, где
b - величина хорды лопатки;
t - шаг решетки.
Отношение диаметра на выходе первого венца 1 к диаметру на входе в первый венец 1 выбирается в пределах от 1,03 до 1,035. Лопатки 9 второго венца 2 выполняются также со сверхзвуковым профилированием. Густота решетки второго венца 2 увеличивается до 1,0. Отношение диаметра на выходе второго венца 2 к диаметру на входе во второй венец 2 выбирается в пределах от 1,035 до 1,04. Угол установки профиля лопаток 9 увеличивается и составляет от 11° до 17°. Третий и последующие венцы 3, 4, 5 включают соответственно лопатки 10, 11, 12, выполненные со дозвуковым профилированием, т.е. со скругленной входной кромкой. Третий, четвертый и пятый венцы 3, 4 и 5 имеют постепенно увеличивающуюся густоту от 1,0 до 2,5 для последнего венца 5. Отношение диаметра на выходе третьего венца 3 к диаметру на входе в третий венец 3 выбирается в пределах от 1,05 до 1,09. Угол установки профиля лопаток 10 третьего венца 3 увеличивается и составляет от 14° до 21°, а у четвертого и пятого венца 4 и 5 углы установки профиля соответствующих лопаток 11, 12 постепенно возрастают до максимальных значений от 28° до 32° (см. фиг. 2). Первые два венца 1 и 2 со сверхзвуковым профилированием и венцы 3, 4 и 5 с дозвуковым профилированием выполняют с возможностью изменения угла установки профиля лопаток. Поворот лопаток венцов осуществляется вокруг оси, расположенной на входной кромке (на чертеже не показано), или вокруг оси 13, проходящей через центр тяжести соответствующей лопатки (см. фиг.3, 4). Угол поворота составляет от 5,0° и более в обе стороны относительно оси вращения в зависимости от необходимости регулирования венца. При этом первый венец 1 может быть выполнен с возможностью вращения относительно оси компрессора на собственной опоре, выполненной в виде подшипника (на чертеже не показан).
Лопаточный диффузор центробежного компрессора работает следующим образом.
Процесс сжатия газа в центробежном компрессоре протекает таким образом, что кинетическая энергия передается сжимаемому газу в рабочем колесе. При этом часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную энергию давления газа. Однако большая часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную в статорной части компрессора. Вследствие высоких степеней повышения полного давления в центробежном компрессоре статорная часть, включающая лопаточный диффузор и спрямляющий аппарат, выполняется протяженной как по радиусу, так и в осевом направлении. Поэтому наибольшие потери и неустойчивое течение возникает, как правило, в лопаточном диффузоре. При этом соотношение окружной и радиальной составляющих скоростей на выходе из рабочего колеса приводит к малым углам натекания к фронту лопаточного диффузора. Кроме того, скорость в абсолютном движении на входе в лопаточный диффузор оказывается сверхзвуковой. Лопаточный диффузор тормозит поток до дозвуковых скоростей, а в дальнейшем, до скоростей приемлемых для камеры сгорания, а также преобразует круговое движение потока газа в радиальное или осевое направление, т.е. увеличивает угол натекания с очень малого (примерно 8°) до примерно 90°. Сверхзвуковой поток, попадая в диффузор, может быть заторможен только в системе скачков уплотнения при сверхзвуковом профилировании первого венца 1 лопаток 8 лопаточного диффузора. Из-за высоких скоростей поток не может быть сразу заторможен до дозвуковых скоростей в одном венце, поэтому и окончательно тормозится до дозвуковой скорости во втором венце 2 лопаток 9 лопаточного диффузора, также имеющем сверхзвуковое профилирование. В силу высокой чувствительности к образованию отрывных зон, изменение углов в венцах 1 и 2 осуществляется незначительно, имея в ввиду, что основное изменение угла потока до радиального или осевого направления осуществляется после снижения скорости потока до дозвуковой. При дозвуковом потоке увеличивают густоту венцов, что снижает аэродинамическую нагрузку на лопатках венцов и позволяет повысить эффективность торможения потока. При этом изменять угол натекания необходимо плавно, поскольку возможно возникновение дополнительных потерь из-за неоптимального обтекания решетки диффузора.
Таким образом, выполнение решетки диффузора центробежного компрессора в виде по меньшей мере четырех лопаточных венцов с лопатками первых двух венцов, выполненными со сверхзвуковым профилированием, и с лопатками остальных венцов - с дозвуковым профилированием, причем установленными с возможностью изменения угла установки профиля в сторону увеличения от первого венца к последнему в определенных пределах и с определенной густотой венцов, увеличивающейся от первого венца к последнему, обеспечивает на выходе лопаточного диффузора истечение потока с требуемой величиной скорости за счет создания системы последовательных косых скачков уплотнения потока, что позволяет решить проблему повышении эффективности лопаточного диффузора в диапазоне высоких скоростей потока.