Безлопаточный диффузор малорасходной центробежной компрессорной ступени

Безлопаточный диффузор малорасходной центробежной компрессорной ступени
Полезная модель относится к области машиностроения и предназначена для использования в центробежных компрессорах с целью снижения потерь трения в диффузоре и повышения коэффициента полезного действия ступени.
Безлопаточный диффузор представляет собой кольцевой элемент проточной части с параллельными или расходящимися в сторону больших диаметров стенками. Движение воздуха в диффузоре обладает всеми особенностями движения в расширяющемся канале, где кроме потерь на трение имеются ещё потери, вызванные наличием вихрей и срыва потока. В составе центробежных компрессоров безлопаточный диффузор также применяют для выравнивания потока воздуха перед лопаточным диффузором.
Известен безлопаточный диффузор, расширяющийся в меридиональной плоскости по всей длине, начиная от входного участка, и позволяющий получить выигрыш по напору и КПД для средненапорных и высоконапорных ступеней (см. авт. св. СССР № 323570, опубл. 10.12.1971 по индексу МПК F04D29/44).
°
3
2
4
2
5
2
6
2
2
3
4
5
6
Известен безлопаточный диффузор центробежного нагнетателя, содержащий последовательно включенные его части, первая из которых по ходу потока выполнена в виде вращающегося диффузора, последующие части диффузора выполнены в виде расширяющегося диффузора с углом раскрытия 3-6, диффузора с параллельными стенками и радиально-осевого диффузора. Относительная радиальная протяженность частей диффузора составляет: для вращающегося диффузора до D/D=1,1-1,15, для расширяющегося диффузора – до D/D=1,4-1,45, для диффузора с параллельными стенками – до D/D=1,65-1,70, для радиально-осевого диффузора – до D/D=1,85-1,90, где D - наружный диаметр рабочего колеса по концам лопаток, D - наружный диаметр вращающегося диффузора, D - наружный диаметр расширяющегося диффузора, D - наружный диаметр диффузора с параллельными стенками, D - наружный диаметр радиально-осевого диффузора (см. патент РФ № 2181855, опубл. 20.12.2001 по индексу МПК: F04D29/44).
2
3
2
4
2
5
2
6
2
0
Наиболее близким аналогом является безлопаточный диффузор в составе безлопаточного аппарата промежуточной ступени центробежного нагнетателя. Безлопаточный аппарат выполнен с вращающимся (при относительной радиальной протяженности =1,10-1,15), расширяющимся (=1,45-1,70) и кольцевым поворотным каналом. Диффузор выполнен с последовательно изменяющейся шириной канала от ширины b по концам лопаток рабочего колеса до граничной ширины вращающегося диффузора b= 0,90 - 0,95 b, выходной ширины расширяющегося диффузора b=1,40 - 1,45 b, ширины кольцевого канала при повороте потока на 90 из радиального направления в осевое b= 1,65 - 1,70 b и ширины канала на входе в обратный направляющий аппарат b= 1,10 - 1,15 b (см. патент РФ № 2173409, опубл. 10.09.2001 по индексу МПК F04D29/44).
°
Перечисленные безлопаточные диффузоры не могут быть использованы в малорасходных ступенях. У ступеней этого типа углы потока на выходе из рабочего колеса менее 20-25. При таких небольших углах потока на входе и расширении безлопаточного диффузора неизбежен отрыв потока, ведущий к снижению КПД и возникновению вращающегося срыва (Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчёт и проектирование проточной части. [текст] / Ю.Б. Галеркин // М.: ООО «Информационно-издательский центр «КХТ». - 2010. С. 596 с.).
Недостатком безлопаточных диффузоров малорасходной центробежной компрессорной ступени с параллельными стенками и шириной диффузора примерно равной высоте лопаток рабочего колеса является возникновение отрыва потока на режимах, близких к расчетным. Для малорасходных ступеней рекомендуют применять диффузоры с суженным начальным участком и параллельными стенками основного участка (Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры. Рабочий процесс, расчёт и проектирование проточной части. [текст] / Ю.Б. Галеркин // М.: ООО «Информационно-издательский центр «КХТ». - 2010. С. 596 с.). У таких диффузоров отрывы не возникают на расчетных режимах и близких к ним, но на расчетном режиме и при расходах больше расчетного из-за повышенного уровня потерь трения имеет место снижение КПД.
Задачей заявляемой полезной модели является снижение коэффициента потерь безлопаточного диффузора за счет снижения потерь трения при безотрывном течении, что в свою очередь ведет к повышению коэффициента полезного действия малорасходной центробежной компрессорной ступени.
0
0
Поставленная задача решается за счет конструкции заявляемого безлопаточного диффузора малорасходной центробежной компрессорной ступени, представляющего собой кольцевой элемент проточной части, образованный расходящимися коническими поверхностями, в котором начальная часть выполнена суженной, угол наклона наружной стенки диффузора равен углу наклона конической образующей покрывающего диска на выходе из рабочего колеса, а образующая внутренней поверхности диффузора составляет угол с наружной стенкой диффузора в пределах 040’ - 120’.
°
0
0
За счет выполнения безлопаточного диффузора с суженным начальным участком увеличивается угол потока на входе в безлопаточный диффузор, что приводит к предотвращению отрыва потока при углах потока, выходящего из рабочего колеса, менее 15-18. Для снижения потерь трения стенки основной части диффузора выполнены в виде расходящихся конических поверхностей с углом раскрытия в пределах 040’ - 120’, полученным в результате анализа результатов расчетов методом вычислительной газовой динамики.
0
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображен меридиональный контур малорасходной центробежной компрессорной ступени. Лопатки рабочего колеса 1 расположены на радиальной поверхности основного диска (на фиг. не показан). При вращении рабочего колеса 1 его лопатки закручивают и перемещают газовый поток в радиальном направлении. Газовый поток движется через межлопаточные каналы рабочего колеса 1 и затем поступает в безлопаточный диффузор 2, где скорость потока снижается, а давление потока увеличивается за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную. Затем газовый поток следует в поворотное колено 3, в котором происходит разворот потока на 180, после чего проходит через межлопаточные каналы обратно-направляющего аппарата 4 и следует в выходной кольцевой конфузор 5, где поток меняет направление с радиального на осевое и далее поступает в следующую ступень.
0
0
Безлопаточный диффузор 2 малорасходной центробежной компрессорной ступени, представляющий собой кольцевой элемент проточной части, образованный расходящимися коническими поверхностями, в котором начальная часть сужена, угол наклона наружной стенки α диффузора равен углу наклона конической образующей β покрывающего диска на выходе из рабочего колеса. Образующая внутренней поверхности диффузора составляет угол  с наружной стенкой диффузора в пределах 040’ - 120’.
Методом вычислительной газовой динамики был проведен эксперимент по расчету коэффициента полезного действия и коэффициента потерь от коэффициента расхода для малорасходной центробежной компрессорной ступени с применением заявляемого безлопаточного диффузора для центробежного компрессора. Параметры центробежной малорасходной ступени: условный коэффициент расхода на расчетном режиме =0,015, коэффициент теоретического напора =0,5. Критерии подобия: показатель изоэнтропы =1,4, условное число Рейнольдса =5 000 000, условное число Маха =0,55.
°
0
0
Размеры рабочего колеса (линейные размеры отнесены к наружному диаметру рабочего колеса ): относительный диаметр входа =0,44, относительная высота лопаток рабочего колеса на входе =0,0726, на выходе =0,0371, число лопаток z=7, относительная толщина лопаток =0,012, входной угол лопаток на периферии =17, выходной угол - =16,5. Размеры заявляемого безлопаточного диффузора (БЛД): относительная радиальная длина БЛД =1,743, относительная ширина суженного участка =0,0286, относительная ширина на выходе из диффузора =0,0329, угол раскрытия стенок основной части диффузора =045’.
Размеры обратно-направляющего аппарата: =0,0371, =0,0486, =, =0,529.
Расчетные исследования проведены в программном комплексе NUMECA Fine/Turbo. Для расчета течения с помощью приложения NUMECA Fine/AutoGrid построена неструктурированная сетка, состоящая из 3,270 тысяч элементов. При моделировании течения была использована однопараметрическая модель турбулентности Спаларта-Аллмараса согласно рекомендациям фирмы NUMECA.
По сравнению с известными ступенями для центробежных компрессоров коэффициент полезного действия ступени выше на 2,8% при коэффициенте расхода . Коэффициент потерь ниже на 2,7% в исследуемой области, соответствующей зоне работы малорасходной центробежной компрессорной ступени. Максимальный КПД ступени повысился на 0,6%.