ЛОПАТОЧНЫЙ ДИФФУЗОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
VANED DIFFUSER OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR

Изобретение относится к газотурбинным установкам, а именно к конструкциям лопаточных диффузоров центробежных компрессоров авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок, вспомогательных газотурбинных силовых установок, турбокомпрессорных стартеров и турбонагнетателей поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Проблема улучшения газодинамических и массогабаритных характеристик для центробежных компрессоров и, в частности, для их лопаточных диффузоров всегда имела первостепенное значение.
В технике известны и нашли широкое распространение кольцевые лопаточные диффузоры конструктивного различного исполнения в статорах центробежных насосов и компрессоров.
Известен лопаточный диффузор, в котором лопатки имеют среднюю линию, обеспечивающую постоянный прирост статического давления вдоль средней линии канала, образованного лопатками и двумя осесимметричными стенками (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.201-207).
2
Известен лопаточный диффузор центробежной турбомашины, содержащий расположенные между торцевыми стенками неподвижные лопатки. В диффузоре каждая лопатка имеет двоякоизогнутый профиль (см. Авторское свидетельство СССР №581325, М. Кл. F04D 29/44, 1977).
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий две осесимметричные относительно оси компрессора стенки, образующие проточную часть с безлопаточным участком на входе, и установленную между стенками с образованием межлопаточных каналов и полубезлопаточных участков на входе и выходе кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем. Лопатки диффузора имеют среднюю линию, выполненную по логарифмической спирали (см. патент США №3997281, МПК F04D 29/44, НКИ США 415/207, 1976 г.).
Недостатки рассмотренных и других известных технических решений заключаются в том, что эти диффузоры можно использовать только для дозвуковых или только для сверхзвуковых течений потока в лопаточных каналах. Кроме того, для получения заданной степени повышения статического давления в каналах, составленных лопатками, имеющими указанные выше аэродинамические профили, требуется иметь значительный радиальный габарит диффузора, что приводит к увеличению массы центробежных компрессоров.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- снижение потерь полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров многорежимных компрессоров;
- увеличение запаса устойчивой работы центробежного компрессора при дозвуковом, трансзвуковом или сверхзвуковом течении в диффузоре;
- уменьшение массогабаритных характеристик центробежных компрессоров.
Необходимым условием выполнения поставленных задач является обеспечение безотрывного дозвукового, трансзвукового и сверхзвукового течения на стационарных и переходных режимах в областях больших градиентов статического давления в каналах лопаточного диффузора центробежного компрессора.
Поставленные задачи решаются тем, что лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит кольцевую решетку лопаток с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем, установленную между двумя осесимметричными относительно оси компрессора стенками, образующими проточную часть с безлопаточным участком на входе и полубезлопаточными участками на входе и выходе.
В соответствии с изобретением контуры вогнутой и выпуклой сторон отдельной лопатки описываются полиномом Безье 3-го порядка и профилируются посредством задания текущего угла каждого отдельного контура по формулам
где  - относительная величина текущего радиуса отдельного контура;
r - текущий радиус отдельного контура;
0
3
r, r - радиусы входа и выхода кольцевой решетки лопаток;
- текущий угол отдельного контура на радиусе r;
0
β - угол отдельного контура на входе в решетку;
1
2
β, β - коэффициенты;
3
β - угол отдельного контура на выходе из решетки,
причем выполняются условия:
0
1
2
3
3
0
- функции  для выпуклой и вогнутой сторон профиля лопатки применимы без изменения величин β, β, β, β, для отношения величин r/r в диапазоне от 1.2 до 1.4, характерном для центробежных компрессоров (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П. Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.191);
- максимум толщины профиля составляет не менее 6.5 процентов от длины его внутренней хорды и располагается на участке, примыкающем к выходу лопатки. В этом случае удается обеспечить угол расхождения стенок межлопаточного канала диффузора в диапазоне от 8 до 12 градусов, рекомендуемый в литературе (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.216);
- максимум кривизны контура вогнутой стороны профиля расположен внутри межлопаточного канала за сечением входа в межлопаточный канал.
0
1
2
3
0
3
0
1
0
2
Величины β, β, β и βвогнутой стороны профиля лопатки есть определяемые коэффициенты, причем β определен раньше в ходе проектирования рабочего колеса центробежного компрессора и определяется по углу потока на выходе из рабочего колеса, а β больше угла β на 12-15 градусов (см. «Аэродинамика центробежных компрессорных машин». С.П.Лифшиц. М., Машиностроение, 1966, с.191). Характерная величина β превышает β в 3 раза. Характерная величина β превышает
3
β в 3 раза.
Выбор угла клина передней кромки профиля отдельной лопатки в диапазоне от 8 до 10 градусов обеспечивает безотрывное течение потока на входе в отдельный межлопаточный канал диффузора.
0
0
Величина β выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина передней кромки лопатки.
Выбор угла клина задней кромки профиля в диапазоне от 14 до 16 градусов обеспечивает обтекание задней кромки профиля без образования интенсивных вязких следов за лопаткой.
3
3
Величина угла β выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина задней кромки лопатки.
1
2
Выбор величин β, β для формирования вогнутой стороны производится таким образом, что максимум ее кривизны располагается за областью входа в межлопаточный канал. Это позволяет обеспечить безотрывное торможение вязкого потока на выпуклой стороне каждой лопатки для дозвуковых и трансзвуковых режимов, а для сверхзвуковых потоков - обеспечить торможение без скачка уплотнения.
1
2
Выбор величин β, β для формирования выпуклой стороны производится таким образом, чтобы за счет выбора толщины профиля избежать больших градиентов статического давления на выпуклой стороне и предотвратить отрыв вязкого потока.
В целом предлагаемый закон построения профилей выпуклой и вогнутой сторон лопатки диффузора обеспечивает высокую степень прироста градиента статического давления в отдельном межлопаточном канале для дозвуковых, трансзвуковых и сверхзвуковых стационарных и переходных режимов течения потока, возможных в многорежимных компрессорах.
Профилирование лопаток кольцевого диффузора по предложенному закону позволяет:
- снизить потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков в межлопаточных каналах кольцевого диффузора одного профиля многорежимных компрессоров;
- увеличить запасы устойчивой работы центробежного компрессора на стационарных и переходных режимах дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового течения потоков;
- сохранить безотрывное течение при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков на стационарных и переходных режимах и обеспечить увеличение степени роста градиента статического давления вдоль каждого отдельного межлопаточного канала кольцевого диффузора, что дает возможность уменьшить длину межлопаточных каналов диффузора и таким образом снизить массогабаритные характеристики для многорежимных центробежных компрессоров.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- снижены потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров многорежимных компрессоров;
- увеличены запасы устойчивой работы центробежного компрессора при течении в диффузоре дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потоков;
- уменьшены массогабаритные характеристики центробежных компрессоров.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы лопаточного диффузора центробежного компрессора со ссылкой на фиг.1-3, где:
на фиг.1 изображен меридиональный разрез лопаточного диффузора центробежного компрессора;
на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 даны сравнительные характеристики прироста статического давления по длине отдельного канала лопаточного диффузора для патента США №3997281 и предложенного решения.
Лопаточный диффузор центробежного компрессора, изображенного на фиг.1 и 2, содержит две осесимметричные относительно оси компрессора 1 стенки 2 и 3. Стенки 2 и 3 образуют проточную часть 4 с безлопаточным участком 5 на входе. Между стенками 3 и 4 установлена кольцевая решетка лопаток 6 с образованием межлопаточных каналов 7 и полубезлопаточных участков 8 и 9 на входе и выходе. Лопатки 6 выполнены между стенками 2 и 3 с постоянным вогнуто-выпуклым аэродинамическим профилем.
Контуры вогнутой 10 и выпуклой 11 сторон отдельной лопатки 6 описываются полиномом Безье 3-го порядка и профилируются посредством задания текущего угла каждого отдельного контура 10 или 11 по формулам
где  - относительная величина текущего радиуса отдельного контура;
r - текущий радиус отдельного контура;
0
3
r, r - радиусы входа и выхода кольцевой решетки лопаток (см. фиг.2);
- текущий угол отдельного контура на радиусе r;
0
β - угол отдельного контура на входе в решетку;
1
2
β, β - коэффициенты;
3
β - угол отдельного контура на выходе из решетки,
причем выполняются условия:
0
1
2
3
3
0
- функции  для выпуклой 11 и вогнутой 10 сторон профиля лопатки 6 применимы без изменения величин β, β, β, β для отношения величин r/r в диапазоне от 1.2 до 1.4;
- максимум толщины профиля лопатки 6 составляет не менее 6.5 процентов от длины его внутренней хорды и располагается на участке, примыкающем к выходу 9 лопатки 6;
- максимум кривизны контура вогнутой 10 стороны профиля расположен внутри межлопаточного канала 7 на участке, примыкающем к его входу 15.
0
1
2
3
0
3
0
1
0
2
3
Величины β, β, β и β вогнутой стороны профиля лопатки есть определяемые коэффициенты, причем β определен раньше в ходе проектирования рабочего колеса центробежного компрессора и определяется по углу потока на выходе из рабочего колеса в соответствии с расчетом угла потока на входе 8 в лопаточный диффузор, а β больше угла β на 12-15 градусов. Характерная величина β превышает β в 3 раза. Характерная величина β превышает β в 3 раза.
Выбор угла клина передней кромки 13 профиля отдельной лопатки 6 в диапазоне от 8 до 10 градусов обеспечивает безотрывное течение потока в области 15 отдельного межлопаточного канала 7 диффузора.
0
0
Величина β выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина передней кромки 13 лопатки 6.
Выбор угла клина задней кромки 12 профиля в диапазоне от 14 до 16 градусов обеспечивает обтекание задней кромки 12 профиля без образования интенсивных вязких следов за лопаткой.
3
3
Величина угла β выпуклой стороны профиля лопатки равна величине β вогнутой стороны профиля лопатки с добавлением величины угла клина задней кромки 12 лопатки 6.
При работе поток рабочего тела из рабочего колеса компрессора 1 натекает на входы 13 лопаток 6, поступает в межлопаточные каналы 7 кольцевой решетки, проходит на выходы 9 каналов 7 и поступает в сборник рабочего тела (не показано). В диффузоре кинетическая энергия потока рабочего тела частично преобразуется в потенциальную.
Характерными областями лопаточного диффузора (см. фиг.2) являются следующие четыре области:
- безлопаточный участок 5 является областью смешения неравномерного потока, выходящего из рабочего колеса;
- отдельные полубезлопаточные участки 8 охватывают области от безлопаточных участков 5 до зон 14 перестройки течения рабочего тела перед входами в каналы 7. Эти области ограничены контурами вогнутых поверхностей 10 лопаток 6 кольцевой решетки диффузора и характеризуются небольшим градиентом статического давления;
- в зоне 14 перестройки течения, вызванной обтеканием передних кромок 13 лопаток 6, и в зоне 15 за входом в отдельный межлопаточный канал 7 происходит интенсивное повышение статического давления. Здесь могут возникнуть отрывные явления в вязком потоке на вогнутой стороне 10 отдельной лопатки 6. Профилирование контура вогнутой поверхности 10 лопатки 6 в зоне 14 перестройки течения потока является первым ключевым моментом при проектировании диффузора;
- после зоны перестройки 14 за зоной 15 канала 7 рост статического давления осуществляется с градиентом, уменьшающимся по длине канала. В каждом межлопаточном канале 7 происходит уменьшение скорости потока рабочего тела и одновременное нарастание вязкого пограничного слоя на стенках канала. При этом возможен отрыв пограничного слоя с поверхности 11 выпуклой стороны лопатки 7. Профилирование контура выпуклой поверхности 11 лопатки 7 диффузора для обеспечения безотрывного течения рабочего тела является вторым ключевым моментом при проектировании диффузора.
Таким образом, профилирование лопаток кольцевого диффузора по предложенному закону позволяет увеличить степень повышения статического давления и степень восстановления полного давления в проточном тракте диффузора по сравнению с известными техническими решениями и улучшить массогабаритные характеристики центробежных компрессоров.
Сравнительные характеристики прироста статического давления по длине отдельного канала лопаточного диффузора для патента США №3997281 и предложенного технического решения приведены на фиг.3.
0
3
Ось абсцисс соответствует длине межлопаточного канала, который начинается в точке пересечения оси канала с окружностью радиуса r, а заканчивается в точке пересечения оси канала с окружностью радиуса r, поделенной на корень квадратный из площади сечения входа в межлопаточный канал.
0
По оси ординат отложено осредненное статическое давление в текущем сечении канала, поделенное на осредненное статическое давление на окружности радиуса r, за вычетом единицы.
Сравнительный анализ приведенных кривых показывает, что предложенный лопаточный диффузор позволяет получить больший прирост статического давления как на начальном участке канала, так и в лопаточном диффузоре в целом по сравнению с лопаточным диффузором, описанным в патенте США №3997281.
Таким образом, разработана конструкция лопаточного диффузора, улучшающая газодинамические и массогабаритные характеристики многорежимных центробежных компрессоров и пригодная для работы в дозвуковом, трансзвуковом и сверхзвуковом потоке рабочего тела.