Рабочее колесо центробежного компрессора

Полезная модель относится к области сжатия и/или перемещения газообразных сред и может быть использована в автомобилестроении, судостроении, строительной и других отраслях промышленности.
Известно рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск и лопатки, которые выполнены с уменьшением толщины от входа к выходу газовой среды [FR2749038, дата публикации: 28.11.1997 г., МПК: F01D 5/048].
Преимуществами известного технического решения являются хорошая сбалансированность, массогабаритные и инерционные характеристики за счет уменьшения толщины основного диска и лопаток от входа к выходу газовой среды. Однако существенным недостатком известного технического решения является высокий риск разрушения основного диска при высоких нагрузках из-за возникновения сложных изгибающих напряжений и неравномерности распределения нагрузок, действующих на основной диск, в месте присоединения лопаток.
Известно рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск и лопатки, имеющие наклон относительно оси вращения рабочего колеса [KR101673951, дата публикации: 09.11.2006 г., МПК: F04D 29/28, F04D 29/30].
Преимуществом известного технического решения является низкий риск разрушения основного диска за счет наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса и частичного преобразования сложных изгибающих напряжений в растягивающие напряжения. Однако недостатком известного технического решения является высокий риск разрушения лопаток в серединном сечении при высоких рабочих нагрузках из-за неравномерного распределения напряжений, создаваемых инерционными силами и потоком среды по поверхности лопаток.
В качестве прототипа выбрано рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск и лопатки, имеющие наклон 65-70° относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды, при этом форма лопаток описывается поверхностями второго порядка [FR2282058, дата публикации: 12.03.1976 г., МПК: F04D 29/284].
Преимуществом прототипа перед известными техническими решениями является высокая надежность рабочего колеса при высоких рабочих нагрузках за счет наклона лопаток под углом 65-70° относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды, который обеспечивает возможность частичного преобразования изгибающих напряжений в растягивающие напряжения, а также за счет того, что форма лопаток описывается поверхностями второго порядка, что обеспечивает возможность более равномерного распределения нагрузки, создаваемой потоком газовой среды по поверхности лопаток. Однако существенным недостатком прототипа являются плохие массогабаритные характеристики, что приводит к появлению не скомпенсированных центробежных сил и моментов, вызывающих повышенные вибрационные нагрузки и увеличенный момент импульса движения, вследствие чего в значительной степени ухудшаются эксплуатационные характеристики центробежного компрессора, из-за высокой инерции рабочего колеса проявляется эффект «турбоямы», когда наблюдается значительная по времени задержка между нажатием на педаль акселератора транспортного средства и увеличением количества оборотов двигателя внутреннего сгорания, сопутствующее увеличение задержки при разгоне транспортного средства до необходимой скорости и снижение безопасности при его эксплуатации.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение эксплуатационных характеристик центробежного компрессора.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является улучшение массогабаритных и инерционных характеристик рабочего колеса центробежного компрессора.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Рабочее колесо центробежного компрессора содержит основной диск и лопатки, имеющие наклон относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды, при этом форма лопаток описывается поверхностями второго порядка. В отличие от прототипа угол наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды составляет 10-60°, а толщина основного диска и лопаток рабочего колеса уменьшается от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды.
Рабочее колесо имеет вход газовой среды, расположенный в осевой центральной части, и выход газовой среды, расположенный по боковой (торцевой) поверхности. Рабочее колесо имеет лопатки с входной и выходной кромкой, предназначенные для создания центробежной силы и преобразования механической энергии вращения рабочего колеса в энергию движения газовой среды. Рабочее колесо имеет радиальные рабочие каналы, образованные лопатками и основным диском, проходящие от входа к выходу газовой среды.
Угол наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды составляет 10-60°, что обеспечивает возможность частичного преобразования сложных изгибающих напряжений, возникающих в конструкции рабочего колеса, в растягивающие напряжения, снижая общий уровень напряжения и нагрузки на рабочее колесо. В случае, если угол наклона лопаток составляет менее 10°, в конструкции рабочего колеса наблюдается преобладание сложных изгибающих напряжений, в результате чего снижение общего уровня напряжения и нагрузки на элементы рабочего колеса не происходит. В случае, если угол наклона лопаток составляет более 60°, повышается риск возникновения паразитных вихрей на выходе газовой среды, в результате чего наблюдается значительное снижение КПД рабочего колеса.
Угол наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды может составлять 20-50°, что обеспечивает возможность повышения равномерности распределения нагрузки  на периферийной области рабочего колеса (по причине увеличения центробежных сил с увеличением радиуса рабочего колеса), и позволяет существенно снизить уровень сложных изгибающих напряжений. Угол наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса может составлять 35-45°, что обеспечивает возможность оптимального распределения нагрузки по периферии рабочего колеса и дополнительного снижения риска возникновения сложных изгибающих напряжений в корневой периферийной части лопаток в месте соединения с диском.
Толщина основного диска и лопаток рабочего колеса уменьшается от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды, что обеспечивает возможность снижения момента инерции, за счет уменьшения массы частей этих элементов к периферии рабочего колеса и улучшения, таким образом, не только массогабаритных характеристик рабочего колеса, но и дополнительного повышения его КПД в моменты выхода рабочего колеса на высокие частоты вращения, что наиболее заметно проявляется при эксплуатации транспортного средства в интенсивных циклах с частым изменением количества оборотов двигателя. Под средней частью рабочего колеса подразумевается область, находящаяся приблизительно на равном удалении от оси вращения и выхода газовой среды из рабочего колеса. При этом уменьшение толщины основного диска и лопаток может обеспечиваться пропорционально расчетному снижению нагрузки при выбранном угле наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды. Таким образом, например, при выбранном угле наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды, толщина основного и/или покрывного диска  может составлять до 40% от толщины покрывного диска на входе в рабочее колесо (в случае отсутствия покрывного диска - толщине в средней части основного), а толщина лопаток также может составлять до 30% от толщины лопаток в средней части рабочего колеса. При этом увеличение угла наклона лопаток до 55-60° обеспечивает возможность снижения толщины основного и покрывного диска на выходе газовой среды до 15%, а лопаток на выходе газовой среды до 5% от их толщины в средней части рабочего колеса.
Уменьшение толщины основного диска и лопаток может обеспечиваться за счет изменения геометрии напорной и/или тыльной стороны лопаток, а также наружной и/или внутренней поверхности основного диска в зависимости от условий эксплуатации рабочего колеса. При этом напорная и тыльная стороны лопаток, а также наружная и внутренняя поверхность основного диска могут иметь разную геометрию, которая может задаваться математической функцией.
Дополнительно угол между касательной к окружности рабочего колеса и выходной кромке лопаток может составлять 50-90°, что снижает величину корневых напряжений у лопаток и снижает риск разрушения рабочего колеса, сохраняя при этом его эффективный КПД. При этом для наибольшего снижения величины корневых напряжений у лопаток и дополнительного снижения риска разрушения рабочего колеса, угол между касательной к окружности рабочего колеса и выходной кромке лопаток может составлять 85-90°.
Дополнительно рабочее колесо может содержать покрывной диск, толщина которого может уменьшаться от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды, что повышает жесткость конструкции рабочего колеса, т.е. - увеличивает деформационную стойкость лопаток, позволяя значительно уменьшить их толщину и дополнительно улучшить инерционные и массогабаритные характеристики рабочего колеса. При этом уменьшение толщины покрывного диска может обеспечивается по тому же принципу, что и уменьшение толщины лопаток и основного диска.
Форма лопаток описывается поверхностями второго порядка и подразумевает то, что любое сечение лопатки в любой плоскости имеет искривление, которое обеспечивает возможность сдвига и вытягивания входной кромки лопаток ко входу газовой среды, а также наклона и плавного разворота лопаток по всей длине в направлении вращения рабочего колеса и смещения входной кромки лопаток к плоскости входа рабочего колеса. Поверхность второго порядка может быть профилирована методом расчетов треугольников скоростей во множестве сечений с учетом выбранного значения величины углов между касательными к выходной и входной кромкам лопаток и касательными к окружностям рабочего колеса.
Дополнительно для снижения газодинамического сопротивления проточной части рабочего колеса и снижения риска разрушения лопаток с уменьшенной толщиной, входная кромка лопаток может быть расположена максимально близко ко входу потока, а величина угла между касательной к входной кромке лопаток и касательной к окружности рабочего колеса может составлять 10-50°. При этом для дополнительного повышения равномерности распределения нагрузки по радиальным рабочим каналам величина угла между касательной к входной кромке лопаток и касательной к окружности рабочего колеса может составлять 10-20°.
Дополнительно рабочее колесо может иметь ступицу, углубленную в основной диск, что обеспечивает улучшение инерционных и массогабаритных характеристик рабочего колеса за счет облегчения его центральной части. При этом ступица может быть расположена на глубине 0,5-50% от высоты рабочего колеса, что дополнительно обеспечивает улучшение его инерционных и массогабаритных характеристик. При этом место соединения ступицы с основным диском может быть скруглено по радиусу, составляющему до 20% от диаметра рабочего колеса, обеспечивая повышение равномерности распределения нагрузки на конструкцию рабочего колеса, позволяя дополнительно снизить толщину (массу и момент инерции) основного диска.
Рабочее колесо может быть изготовлено из различных конструкционных материалов с высоким удельным отношением прочности материала к его плотности, например, из стали или сплавов на основе алюминия, железа или никеля, а также из композиционных материалов или полимеров с высокими прочностными характеристиками, в частности, из класса полимеров с жидкокристаллической структурой или армированных различными типами высокопрочных минеральных волокон.
Полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных отличительных признаков, заключающейся в том, что:
- угол наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды составляет 10-60°, что обеспечивает возможность преобразования изгибающих напряжений, возникающих в конструкции рабочего колеса, в растягивающие напряжения, а также возможность более равномерного распределения потока газовой среды по выходной кромке лопаток и основного диска при движении газовой среды из рабочего колеса, позволяя снизить нагрузку, которая создается в средней части и на выходе газовой среды рабочего колеса.
- толщина основного диска и лопаток уменьшается от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды, что при условии равномерного распределения потока газовой среды и снижения общего уровня напряжения и нагрузки на рабочее колесо позволяет существенно снизить массу и момент инерции рабочего колеса, а также дополнительно повысить КПД рабочего колеса.
Совокупность существенных отличительных признаков полезной модели позволяет значительно снизить нагрузку, которая создается в средней части и на выходе газовой среды рабочего колеса обеспечивая возможность уменьшения толщины основного диска и лопаток рабочего колеса от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды и существенного снижения, таким образом, массы лопаток и основного диска (и покрывного диска тоже в случае его наличия), благодаря чему обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в улучшении массогабаритных и инерционных характеристик рабочего колеса центробежного компрессора, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики центробежного компрессора.
Наличие ранее не известной из уровня техники совокупности существенных признаков свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 - Рабочее колесо центробежного компрессора, аксонометрический вид.
Фиг.2 - Рабочее колесо центробежного компрессора, продольный разрез, вид сбоку.
Фиг.3 - Рабочее колесо центробежного компрессора, имеющее углубленную ступицу, продольный разрез, вид сбоку.
Фиг.4 - Рабочее колесо центробежного компрессора, имеющее углубленную ступицу, продольный разрез, аксонометрический вид.
Фиг.5 - Рабочее колесо центробежного компрессора с покрывным диском, местный вырез, аксонометрический вид.
Фиг.6 - Рабочее колесо центробежного компрессора с покрывным диском, продольный разрез, вид сбоку.
Фиг.7 - Рабочее колесо центробежного компрессора с покрывным диском, имеющее углубленную ступицу, продольный разрез, вид сбоку.
Фиг.8 - Рабочее колесо центробежного компрессора с покрывным диском, имеющее углубленную ступицу, продольный разрез, аксонометрический вид.
1
2
3
4
5
6
Рабочее колесо центробежного компрессора содержит основной диск 1 и лопатки 2, форма которых описана поверхностями второго порядка, при этом лопатки 2 имеют наклон на угол α относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды, толщина S лопаток 2 в средней части рабочего колеса уменьшается до толщины S лопаток 2 на выходе газовой среды, толщина S основного диска 1 в средней части рабочего колеса уменьшается до толщины S на выходе газовой среды. Также рабочее колесо в отдельных конфигурациях имеет покрывной диск 3, толщина S которого в средней части рабочего колеса уменьшается до толщины S на выходе газовой среды и ступицу 4, которая находится на глубине h и имеет при этом скругление по радиусу R, в месте соединения с основным диском 1.
Полезная модель работает следующим образом.
3
5
1
Рабочее колесо центробежного компрессора начинает вращаться и поток газовой среды поступает на вход рабочего колеса, огибая входные кромки лопаток 2. При этом потоки газовой среды сжимаются и движутся вдоль лопаток 2, а нагрузка, создаваемая в средней части рабочего колеса на поверхности дисков 1 и 3, а также лопаток 2 равномерно распределяется по их поверхности. Потоки газовой среды движутся от центра к периферии за счет центробежных сил, а за счет наклона лопаток 2 относительно оси вращения рабочего колеса под углом α происходит равномерное распределение центробежной нагрузки по выходной кромке дисков 1 и 3, а также лопаток 2. Это позволяет уменьшить толщину S и S дисков 1 и 3, а также толщину S лопаток 2, снизив тем самым массу рабочего колеса и его повышенный момент инерции, а также негативное влияние несбалансированных масс, удаленных от оси вращения рабочего колеса и вихреобразование за краями лопаток. При этом за счет выполнения ступицы на глубине h обеспечивает возможность снижения массы рабочего колеса в центральной части, а скругление R места соединения ступицы и основного диска 1 дополнительно повышает равномерность распределения нагрузки по основному диску 1 и позволяет дополнительно снизить его толщину и массу. Также за счет уменьшения толщины выходной кромки лопаток обеспечивается уменьшение потерь (за счет уменьшения вихреобразования за выходными краями лопаток), что позволяет на 1-3% увеличить КПД центробежного компрессора.
В Таблице 1 представлено влияние угла наклона лопаток относительно оси вращения рабочего колеса на выходе газовой среды на возможность уменьшения толщины элементов рабочего колеса от средней части рабочего колеса к выходу газовой среды и снижение массы рабочего колеса и его момента инерции относительно прототипа.
Таблица 1
α
Уменьшение толщины лопатки, толщина % выходной кромки от средней части S<sub>2</sub>/ S<sub>1</sub>
Уменьшение толщины основного диска, толщина % выходной кромки от средней части S<sub>4</sub>/S<sub>3</sub>
Уменьшение толщины покрывного диска (при наличии), толщина % выходной кромки от средней части S<sub>6</sub>/S<sub>5</sub>
Снижение момента инерции рабочего колеса, % без покрывного и с покрывным диском
10
30
40
40
14 (17)
20
25
35
35
17 (19)
45
15
25
25
19 (20)
55
5
15
15
21 (22)
60
10
20
20
20 (21)
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в улучшении инерционных и массогабаритных  характеристик рабочего колеса, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики центробежного компрессора.