ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ЛОПАТОЧНАЯ МАШИНА

Заявляемая полезная модель относится к области вентиляторо-компрессоростроения, а именно к центробежным компрессорным машинам, включающим вентиляторы, нагнетатели и компрессоры, предназначенные для средних и малых расходов сжимаемых газов.
Центробежные компрессорные машины (ЦКМ) хорошо известны и имеют традиционную конструкцию - радиальное лопаточное колесо и охватывающий это колесо корпус с каналами для подвода и отвода сжимаемых газов. При этом лопаточное колесо с корпусом представляет собой одну ступень сжатия. Для получения высоких давлений используются многоступенчатые схемы.
ЦЛМ обладают существенными достоинствами, например, такие широко распространенные машины, как центробежные нагнетатели и компрессоры, имеют высокий ресурс и практически полностью исключают присутствие продуктов износа или смазки в сжимаемой среде; данные машины компактны и обладают высокой производительностью. Однако центробежные компрессоры и нагнетатели имеют и весьма существенный недостаток, а именно: ограниченное промышленное применение для сжатия газов в диапазонах средних и, тем более, малых расходов. Это объясняется следующими основными аспектами.
Во-первых, для обеспечения эффективной работы ЦЛМ требуется сохранять оптимальные размерные соотношения между шириной лопаток и диаметром рабочего колеса, поэтому при малой производительности необходимо на низких расходах существенно уменьшать диаметр рабочих колес и, соответственно, для поддержания приемлемой степени повышения давления, повышать частоту их вращения (до 100 тыс. об/мин и более). Сегодня в малоразмерных ЦЛМ такие скорости вращения, как правило, обеспечиваются только турбинным приводом, например, известны подобные турбокомпрессоры для наддува двигателей внутреннего сгорания. Однако для широкого промышленного применения таких малоразмерных ЦЛМ требуется применение дорогостоящих повышающих редукторов или специальных высокоскоростных электродвигателей, что является серьезной проблемой.
Во-вторых, одна ступень ЦЛМ обеспечивает сравнительно небольшую степень повышения давления, например, в указанных выше одноступенчатых турбокомпрессорах, имеющих очень высокие окружные скорости, создается напор не более 150-200 кПа, и поэтому существующие промышленные центробежные нагнетатели и компрессоры, имеют по нескольку ступеней сжатия. Однако создание эффективной многоступенчатой ЦЛМ с несколькими рабочими колесами очень малых размеров на общем валу является сложной и дорогостоящей конструкторско-технологической задачей.
Из-за указанных выше конструктивных особенностей ЦЛМ до последнего времени не могут, к сожалению, широко применяться в качестве нагнетателей и компрессоров в области малых расходов, где доминирующее положение занимают поршневые и роторные машины.
Известна центробежная лопаточная машина - центробежный компрессор (см. патент RU 2439378, МПК F04D 29/08, опубликован 10.01.2012), содержащая установленный в корпусе вал с рабочими колесами, диск думмиса, наружная поверхность которого выполнена ступенчатой, и охватывающую его втулку думмиса. Наружная поверхность диска думмиса выполнена цилиндрической, состоящей из участков различных диаметров с образованием на наружной цилиндрической поверхности диска думмиса выступа, а на внутренней поверхности втулки думмиса размещены лабиринтные гребешки и выполнена проточка, ответная выступу диска думмиса.
Известная центробежная лопаточная машина обеспечивает повышение КПД путем уменьшения объемных потерь и затраченной работы сжатия центробежного компрессора путем снижения протечек через лабиринтное уплотнение думмиса, но оно очень в малой степени может повлиять на устранение указанного выше недостатка ЦЛМ, а именно: ограниченное промышленное применение для сжатия газов в диапазонах средних и, тем более, малых расходов.
Известна центробежная лопаточная машина - центробежный компрессор (см. патент RU 2428589, МПК F04D 17/08, опубликован 10.09.2011) содержащая корпус с входным и выходным патрубками, ротор, статорные элементы, всасывающую и нагнетательную камеры. Во входном патрубке перед всасывающей камерой установлен завихритель потока газа, выполненный в виде соосного с входным патрубком кольца, внутри которого размещены профилированные лопатки, закрепленные с одной стороны на кольце, а с другой стороны скрепленные между собой посредством конической обечайки (диффузора), при этом конструкция завихрителя выполнена со следующими параметрами:
количество лопаток 5-7 штук,
угол лопатки на входе 0…5°,
угол лопатки на выходе не более 45° к оси завихрителя, угол раскрытия конической обечайки (диффузора) 5°±2°,
отношение площади конической обечайки (диффузора) к проходному сечению завихрителя 0,4…0,6.
Известный центробежный компрессор обеспечивает равномерность полей скорости и давления потока газа в его проточном тракте при оптимальных габаритах всасывающей камеры. Установка дополнительных элементов в проточные части всасывающей камеры, с целью получения устойчивости работы машины на меньших расходах, имеет те недостатки, что увеличивается сопротивление на входе в рабочее колесо и сужается общий диапазон экономичной работы компрессора.
Известна центробежная лопаточная машина (см. патент JP 2001329996, МПК F04D 27/00; F04D 29/46, опубликован 30.11.2001), имеющая ось вращения, рабочее колесо, установленное на оси вращения, корпус, вмещающий рабочее колесо, регулируемый диффузор, соединенный с выходом рабочего колеса, и спиральную камеру, соединенную с выходом диффузора, обеспечивающая сжатие текучей среды под воздействием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса.
Известная центробежная лопаточная машина обеспечивает расширение рабочего диапазона за счет применения регулирующего механизма, такого как регулируемый диффузор. Недостатком известной центробежной лопаточной машины является ее экономическая неэффективность, поскольку регулируемый диффузор требует сложного приводного устройства.
Известна центробежная лопаточная машина (см. патент RU 2419731, МПК F04D 29/46, опубликован 27.05.2011), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Известная центробежная лопаточная машина имеет ось вращения, рабочее колесо с лопатками, установленное на оси вращения, корпус с входной всасывающей камерой и выходной нагнетательной камерой, вмещающий рабочее колесо, диффузор, вход которого соединен с выходом рабочего колеса, а выход с нагретательной камерой в форме спирали, обеспечивающей сжатие текучей среды под воздействием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса. Машина-прототип содержит разделительный элемент, разделяющий проходной канал в секции диффузора и в секции спиральной камеры на несколько каналов в направлении движения текучей среды, с образованием проходного канала со стороны ступицы и проходного канала со стороны бандажа. Машина содержит также регулятор расхода, обеспечивающий при низком расходе текучей среды, сжатой рабочим колесом, уменьшение расхода текучей среды в проходном канале со стороны бандажа и высокий расход текучей среды в проходном канале со стороны ступицы, а при высоком расходе текучей среды, сжатой рабочим колесом, обеспечивающий протекание текучей среды и в проходном канале со стороны бандажа, и в проходном канале со стороны ступицы без уменьшения расхода текучей среды в проходном канале со стороны бандажа.
Известная центробежная лопаточная машина имеет довольно широкий рабочий диапазон, эффективна с экономической точки зрения и обладает высокой надежностью в отношении устойчивой работы. В машине-прототипе, с целью получения более устойчивой работы на малых расходах, предложено устройство внутренней частичной рециркуляции потока по схеме «с выпуска - на всас», при этом, сжимаемая среда, направляемая обратно через встроенный регулятор расхода по проходному каналу во всасывающую камеру, отбирается непосредственно за рабочим колесом из диффузора, а не после выходного патрубка машины, как это обычно делается в схемах с внешней рециркуляцией. Основными недостатками данной машины являются: низкая эффективность при ее использовании по большей части времени только в режимах средней и, тем более, малой производительности; практическая сложность создания многоступенчатых вариантов для получения более высокого напора.
Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой центробежной лопаточной машины, которая бы эффективно работала при малой производительности перемещаемой среды и создавала более высокий напор.
Поставленная задача решается тем, что центробежная лопаточная машина Центробежная лопаточная машина включает ось вращения, по меньшей мере одно рабочее колесо с лопатками, установленное на оси вращения и размещенное в корпусе. Корпус снабжен по меньшей мере с одним проходным каналом, входным и выходным патрубками и радиально разделен по меньшей мере на два образованных радиальными перегородками сектора. Каждый из секторов включает всасывающую камеру и нагнетательную камеру. Вход всасывающей камеры первого сектора соединен с входным патрубком, выход каждой нагнетательной камеры, вплоть до предпоследнего сектора, соединен проходным каналом с всасывающей камерой последующего по направлению вращения оси сектора, а выход нагнетательной камеры последнего сектора соединен с выходным патрубком.
Новым является радиальное разделение корпуса машины по меньшей мере на два образованных радиальными перегородками сектора, каждый из которых включает всасывающую камеру и нагнетательную камеру. При этом вход всасывающей камеры первого сектора соединен с входным патрубком, выход каждой нагнетательной камеры, вплоть до предпоследнего сектора, соединен проходным каналом с всасывающей камерой последующего по направлению вращения оси сектора, а выход нагнетательной камеры последнего сектора соединен с выходным патрубком.
Всасывающая и нагнетательная камеры одного сектора могут быть радиально смещены одна относительно другой по ходу вращения рабочего колеса, что зависит от конструктивных особенностей машины.
Корпус машины может быть радиально разделен на три образованных радиальными перегородками сектора.
В корпусе машины может быть расположены два или более рабочих колеса с лопатками.
В машине по меньшей мере один проходной канал может быть снабжен охладителем.
Выносной охладитель или просто обдуваемое оребрение на проходном канале можно использовать после каждого сектора - это зависит от условий применения машины и термодинамических свойств рабочей среды (например, введение охлаждения при сжатии агрессивных газов может сопровождаться их конденсацией, поэтому они часто прокачиваются без охлаждения). Следует отметить, что одна и та же машина будет называться нагнетателем, если не используется охлаждение газа, и - компрессором, если установлен охладитель сжатого газа, который может устанавливаться либо между ступенями сжатия, либо - после машины.
Секторы корпуса имеют одинаковые размеры по центральным углам или различные размеры по центральным углам. В насосах, где перекачиваются жидкости, секторы будут одинаковыми, а в компрессорах и нагнетателях, где объемный расход уменьшается после каждой ступени сжатия, секторы будут сужаться. В то время как в обычных многоступенчатых машинах уменьшается ширина лопаток по ходу сжатия; более того, ступени группируются на цилиндры: несколько ступеней включает цилиндр низкого давления, несколько - цилиндр среднего давления и несколько - цилиндр высокого давления, при этом, все последующие цилиндры приводятся через повышающий редуктор, так как размеры лопаточных колес последних ступеней существенно уменьшаются, и для поддержания заданной степени сжатия требуется более высокая окружная скорость).
В машине сопрягаемые поверхности радиальных перегородок и рабочего колеса могут содержать уплотнения безконтактного типа или контактного типа, так как основные протечки сжимаемой среды происходят в зазорах между сопрягаемыми цилиндрическими поверхностями дисков рабочего колеса и всасывающих и, особенно, нагнетательных камер последних секторов. Например, может быть применено уплотнение лабиринтного типа, когда на цилиндрических поверхностях по внешнему и внутреннему диаметрам покрывающего и рабочего дисков рабочего колеса выполняются заостренные гребни, а сопрягаемые с ними цилиндрические поверхности секторов имеют покрытие из существенно менее твердого и эластичного материала, что позволяет сопрягать поверхности с малыми зазорами и обеспечивать низкий уровень протечек.
В машине между входным патрубком и всасывающей камерой первого сектора может быть размещен конфузор.
По меньшей мере нагнетательная камера одного сектора корпуса выполнена спиральной формы, но могут иметь спиральную форму (в виде начальной части спирали) нагнетальные камеры всех секторов.
В машине всасывающая камера и/или нагнетательная камера по меньшей мере одного сектора корпуса может включать лопаточный направляющий аппарат (лопаточные направляющие аппараты могут быть регулируемые и нерегулируемые).
Лопатки рабочего колеса могут быть выполнены радиальными или изогнутыми по направлению вращения оси (загнутые вперед), или изогнутыми в направлении, противоположном направлению вращения оси (загнутые назад).
Машина может быть выполнена в виде нагнетателя или в виде компрессора, или в виде вентилятора, или в виде насоса.
Расположенные по окружности пары всасывающих и нагнетательных камер представляют собой последовательные напорные ступени, поэтому, в отличие от традиционных конструкций многоступенчатых центробежных компрессоров, где каждая ступень включает отдельные рабочее колесо и спиральный корпус, настоящая центробежная лопаточная машина содержит несколько напорных ступеней на каждом общем рабочем колесе. При этом между секторами-ступенями сжимаемый газ может отводиться на внешнее охлаждение. Для повышения давления, на общем приводном валу может устанавливаться два и более рабочих колеса, с соответствующими всасывающими и нагнетательными камерами секторов корпуса.
Если сравнивать параметры настоящей центробежной лопаточной машины, например, с нагнетателем, который содержит аналогичное по всем размерам колесо, установленное в традиционном спиральном корпусе (улитке), то при равной частоте вращения первая машина имеет большую степень повышения давления при существенно более низком расходе сжимаемого газа.
Приближенно разница в расходах будет определяться отношением общей площади входа всех межлопаточных каналов рабочего колеса к площади входа межлопаточных каналов, сопрягаемых с всасывающей камерой первого сектора (охватывает только часть лопаток рабочего колеса).
Заявляемая центробежная лопаточная машина поясняется чертежом, где
на фиг.1 показано первое воплощение центробежной лопаточной машины в поперечном разрезе;
на фиг.2 изображен продольный разрез по оси центробежной лопаточной машины по А-А, изображенной на фиг.1;
на фиг.3 схематическое изображение движения рабочей среды в настоящей лопаточной машине;
на фиг.4 показано второе воплощение центробежной лопаточной машины в поперечном разрезе;
на фиг.5 изображен продольный разрез по оси центробежной лопаточной машины по Б-Б, изображенной на фиг.4;
на фиг.6 показано третье воплощение центробежной лопаточной машины в поперечном разрезе;
на фиг.7 изображен продольный разрез по оси центробежной лопаточной машины по В-В, изображенной на фиг.6;
на фиг.8 изображен продольный разрез по Г-Г центробежной лопаточной машины, изображенной на фиг.6.
Заявляемая центробежная лопаточная машина 1 по одному воплощению (см. фиг.1-фиг.3) содержит корпус 2, снабженный входным патрубком 3 и выходным патрубком 4. В корпусе 2 установлено на оси 5 вращения рабочее колесо 6 с ориентированными в осевом направлении лопатками 7. Корпус 2, например, радиально разделен по меньшей мере на два сектора I и II, включающие соответственно всасывающие камеры 8, 9, образованные радиальными перегородками 10 с разделительными перемычками 11, нагнетательные камеры 12, 13, образованные радиальными перегородками 14, 15 с разделительными перемычками 16 перегородок 14, 15. Поверхности разделительных перемычек 11, 16, сопряженные с противолежащими поверхностями рабочего колеса 6, могут содержать уплотнения безконтактного или контактного типа. Входной патрубок 3 соединен, например, через конфузор 17 с входом первой всасывающей камеры 8. Выход первой по ходу рабочего колеса 6 нагнетательной камеры 12 соединен проходным каналом 18 с последующей по ходу рабочего колеса 6 второй всасывающей камерой 9. За диффузором 19 выход второй нагнетательной камеры 13 соединен с выходным патрубком 4. Секторные всасывающие камеры 8, 9 и нагнетательные камеры 12, 13 могут включать, устройства, направляющие рабочую среду, например, лопаточный направляющий аппарат в виде лопаток 20. Вторую (конечную) нагнетательную камеру 13 обычно выполняют спиральной формы (в виде улитки). Лопатки 7 рабочего колеса 6 показаны на фиг.1 радиальными, но могут быть выполнены изогнутыми по направлению вращения рабочего колеса или в противоположном направлении.
Заявляемая центробежная лопаточная машина 1 по другому воплощению (см. фиг.4-фиг.5) содержит корпус 21, снабженный входным патрубком 22 и выходным патрубком 23. В корпусе 21 установлено на оси 24 вращения рабочее колесо 25 с радиальными лопатками 26. Корпус 21 разделен на три сектора III, IV и V, содержащие соответственно расположенные по кругу всасывающие камеры 27, 28 и 29, образованные радиальными перегородками 30 с разделительными перемычками 31 радиальных перегородок 30, и расположенные по кругу нагнетательные камеры 32, 33 и 34 образованные радиальными перегородками 35 с разделительными перемычками 36. Поверхности разделительными перемычек 31, 36, сопряженные с противолежащими поверхностями рабочего колеса 25, могут содержать уплотнения безконтактного или контактного типа, например (например, лабиринтное уплотнение). Входной патрубок 22 соединен, например, через конфузор 37 с входом первой всасывающей камеры 27. Выход первой по ходу рабочего колеса 25 нагнетательной камеры 32 соединен проходным каналом 38 с последующей по ходу рабочего колеса второй всасывающей камерой 28. Выход второй по ходу рабочего колеса 25 нагнетательной камеры 33 соединен проходным каналом 39 с последующей по ходу рабочего колеса 25 третьей всасывающей камерой 29. За диффузором 40 выход третьей нагнетательной камеры 34 соединен с выходным патрубком 23. Всасывающие камеры 27, 28 и 29 и нагнетательные камеры 32, 33 и 34 могут включать, устройства, направляющие рабочую среду, например, в виде лопаток 41. Третью (конечную) нагнетательную камеру 34 обычно выполняют спиральной формы (в виде улитки).
Заявляемая центробежная лопаточная машина 1 еще по одному воплощению (см. фиг.6-фиг.8) содержит корпус 43, снабженный входным патрубком 44 и выходным патрубком 45. В корпусе 43 установлено последовательно на оси 46 вращения два рабочих колеса 47, 48 с радиальными лопатками 49. Корпус 43 разделен на пять секторов VI, VII, VIII, IX и X. Два сектора VI, VII расположены против первого рабочего колеса 47 и включают соответственно всасывающие камеры 50, 51, образованные радиальными перегородками 52 с разделительными перемычками 53 радиальных перегородок 52, нагнетательные камеры 54, 55, образованные радиальными перегородками 56, 57 с разделительной перемычками 58. Поверхности разделительных перемычек 53, 58 сопряженные с противолежащими поверхностями рабочего колеса 47, могут содержать уплотнения безконтактного или контактного типа. Три сектора VIII, IX и Х корпуса 43 расположены по кругу против второго рабочего колеса 48. Три сектора VIII, IX и Х соответственно включают расположенные по кругу всасывающие камеры 59, 60 и 61, образованные радиальными перегородкками 62 с разделительными перемычками 63 радиальных перегородок 62, и расположенные по кругу нагнетательные камеры 64, 65 и 66 образованные радиальными перегородками 67 с разделительными перемычками 68. Поверхности разделительными перемычек 63, 68, сопряженные с противолежащими поверхностями рабочего колеса 48, могут содержать уплотнения безконтактного или контактного типа, (например, лабиринтное уплотнение). Входной патрубок 44 соединен, например, через конфузор 69 с входом первой всасывающей камеры 50. Выход первой по ходу первого рабочего колеса 47 нагнетательной камеры 54 соединен проходным каналом 70 с последующей по ходу первого рабочего колеса 47 второй всасывающей камерой 51. Выход второй по ходу первого рабочего колеса 47 нагнетательной камеры 54 соединен проходным каналом 71 с входом первой по ходу второго колеса 48 всасывающей камеры 59. Выход первой по ходу рабочего колеса 48 нагнетательной камеры 64 соединен проходным каналом 72 с последующей по ходу рабочего колеса 48 второй всасывающей камерой 60. Выход второй по ходу рабочего колеса 48 нагнетательной камеры 65 соединен проходным каналом 73 с последующей по ходу рабочего колеса 48 третьей всасывающей камерой 61. За диффузором 74 выход третьей нагнетательной камеры 66 соединен с выходным патрубком 45. Секторные всасывающие камеры 59, 60 и 61 и нагнетательные камеры 64, 65 и 66 могут включать, устройства, направляющие рабочую среду, например, в виде лопаток 75. Третью (конечную) нагнетательную камеру 66 обычно выполняют спиральной формы (в виде улитки). С увеличением числа всасывающих и нагнетательных камер производительность машины будет снижаться, а давление - расти.
Могут быть и другие воплощения настоящей полезной модели (с различным числом рабочих колес, различным числом секторных всасывающих и нагнетательных камер), в зависимости от требуемых характеристик по напору и производительности машины.
Центробежная лопаточная машина 1 работает следующим образом (на примере машины, показанной на фиг.1). Во время работы рабочее колесо 6 центробежной лопаточной машины 1 вращается на оси 5 приводом (на чертеже не показан) в приводном направлении R газообразная, например, воздух или жидкая рабочая среда поступает через входной патрубок 3, например, через конфузор 17 на вход первой всасывающей камеры 8. Через межлопаточные каналы рабочего колеса 6 рабочая среда подается в нагнетательную камеру 12. Из первой по ходу рабочего колеса 6 нагнетательной камеры 12 поток рабочей среды, уже под давлением, нагнетается через проходной канал 18 в последующую по ходу рабочего колеса 6 вторую всасывающую камеру. 9. Через межлопаточные каналы рабочего колеса 6 рабочая среда подается через диффузор 19 во вторую нагнетательную камеру 13. Далее сжатая рабочая среда подается в выходной патрубок 4.
Пример.
Образец предлагаемой секторной центробежной лопаточной машины был выполнен на базе высоконапорного вентилятора, имеющего следующие характеристики:
- электродвигатель 4,5 кВт, наружный диаметр рабочего колеса 620 мм;
3
- при номинальном напоре 6200 Па, расход - 1350 м/ч, при 2820 об/мин;
3
- при наибольшем напоре 7200 Па, расход около 400 м/ч, при 2900 об/мин.
После испытания и уточнения характеристик вентилятор был переделан в настоящую центробежную лопаточную машину, а именно: во входном отверстии, внутри рабочего колеса была смонтирована диаметральная перегородка толщиной около 20 мм. Зазор между перегородкой и лопатками колеса составляет около 1 мм. Внешний спиральный корпус был разделен на два сектора наклонной, загнутой вперед перегородкой. При этом в первом секторе были установлены дополнительные герметизирующие радиусные стенки по внешнему диаметру рабочего колеса; стенки приварены к разделительной перегородке. Зазоры вокруг колеса в образованной таким образом нагнетательной камере первого сектора составляли около 1 мм. Сбоку улитки, из первой секторной напорной камеры был выведен переходный канал во всасывающее окно к перегородке внутри рабочего колеса, канал имел прямоугольное сечение размером 100×120 мм. Также были загерметизированы щели между лабиринтным уплотнением на входе рабочего колеса, перегородкой и каналом.
Таким образом, был смоделирован секторный двухступенчатый вентилятор, проведены замеры его характеристик и получены следующие результаты:
3
- наибольший напор 9840 Па, при расходе около 300 м/ч;
3
- при напоре 7200 Па, расход составил около 650 м/ч.
Наибольший напор замерялся в обоих случаях при наличии некоторого расхода - это значение минимального расхода подбиралось путем постепенного увеличения его от нулевого значения до момента начала снижения напора.
Следует отметить, что работы были выполнены, исходя из имеющихся производственных возможностей и без всякой оптимизации. Однако результаты представляют определенный интерес и подтверждают потенциальные возможности настоящей центробежной лопаточной машины. Как видно из приведенных выше данных, наибольший напор вентилятора существенно возрос при снижении расхода. В то же время, показанное базовым вентилятором наибольшее давление в секторной машине достигается при большем расходе, те есть, получено расширение диапазона работы оснащенного исходным рабочим колесом вентилятора по производительности и по напору.
Настоящая полезная модель позволяет устранить существенные недостаток ЦК, а именно: их ограниченное промышленное применение для сжатия газов в диапазонах средних и, тем более, малых расходов, и открывает возможности производства недорогих центробежных компрессоров для работы в диапазоне низких расходов, оснащенных традиционным приводом (ременным или прямым через муфту) от сетевых асинхронных электродвигателей и конкурирующих с поршневыми и роторными машинами; производства мало- и средне-размерных вентиляторов с более высокими значениями напора.