Выходное устройство центробежной турбомашины
OUTLET DEVICE OF A CENTRIFUGAL TURBOMACHINE

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях, вентиляторах и насосах.
Известны выходные устройства центробежных турбомашин, состоящие из расположенных последовательно по ходу рабочей среды осесимметричного колена, кольцевой полости круглого сечения и выходного патрубка (рис. 132 в книге Д. Мисарек. Турбокомпрессоры. - М.: Машиностроение, 1968). Недостаток таких выходных устройств состоит в большой трудоемкости изготовления их вследствие сложности качественного выполнения кольцевой полости круглого сечения.
Отмеченный недостаток отчасти устранен в выходных устройствах, кольцевая полость которых имеет прямоугольное сечение. Известное выходное устройство центробежной турбомашины - прототип (рис. 1.23 в книге В.Б. Шнепп. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.: Машиностроение, 1985) содержит расположенные последовательно по ходу рабочей среды осесимметричное колено, кольцевую полость прямоугольного сечения и выходной патрубок. Колено образовано вогнутой и выпуклой торовыми поверхностями. Полость образована двумя торцевыми поверхностями и двумя цилиндрическими, одна из которых - периферийная, а другая - центральная. Все поверхности, образующие колено и полость, выполнены гидравлически гладкими, т.е. с настолько малой шероховатостью, что еще меньшая шероховатость их не привела бы при работе турбомашины к снижению потерь напора рабочей среды в выходном устройстве.
Недостаток прототипа заключается в том, что трудоемкость изготовления его все же велика из-за необходимости выполнения гидравлически гладкими всех поверхностей, образующих колено и полость.
Целью настоящего изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления устройства без значительного увеличения потерь напора в нем.
Указанная цель достигается тем, что в известном выходном устройстве центробежной турбомашины, содержащем расположенные последовательно по ходу рабочей среды осесимметричное колено, кольцевую полость прямоугольного сечения и выходной патрубок, причем колено образовано вогнутой и выпуклой торовыми поверхностями, полость образована двумя торцевыми поверхностями и двумя цилиндрическими, из которых одна - периферийная, а другая - центральная, гидравлически гладкими выполнены только выпуклая поверхность колена и центральная поверхность полости, вогнутая поверхность колена и периферийная поверхность полости - шероховатые, а шероховатость торцевых поверхностей полости больше шероховатости ее центральной поверхности, но меньше шероховатости ее периферийной поверхности.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно, в отличие от известных технических решений, уменьшает трудоемкость изготовления устройства не за счет упрощения его конструкции, а качественно иным способом, - за счет большей шероховатости некоторых внутренних поверхностей устройства.
На фиг. 1 изображен меридиональный разрез выходного устройства центробежной турбомашины; на фиг. 2 - радиальный разрез А-А, обозначенный на фиг. 1. На обеих фигурах шероховатость показана, причем утрированно, только у шероховатых поверхностей колена и полости.
Выходное устройство центробежной турбомашины содержит осесимметричное колено 1, кольцевую полость 2 и выходной патрубок 3. Колено 1, полость 2 и патрубок 3 расположены последовательно по ходу рабочей среды. Колено 1 образовано вогнутой поверхностью 4 и выпуклой поверхностью 5. Сечение 6 кольцевой полости 2 - прямоугольное. Полость 2 образована двумя торцевыми поверхностями 7 и 8, цилиндрической периферийной поверхностью 9 и цилиндрической центральной поверхностью 10.
Выпуклая поверхность 5 колена 1 и центральная поверхность 10 полости 2 - гидравлически гладкие. Вогнутая поверхность 4 колена 1 и периферийная поверхность 9 полости 2 - шероховатые. Шероховатость торцевых поверхностей 7 и 8 полости 2 больше шероховатости центральной поверхности 10 полости 2, но меньше шероховатости периферийной поверхности 9 полости 2 (см. фиг. 1).
Выходное устройство центробежной турбомашины работает следующим образом.
m.кол
m.кол
u.кол
u.кол
кол
Рабочая среда из последней ступени турбомашины поступает в осесимметричное колено 1 выходного устройства равномерно по окружности с меридиональной и окружной составляющими скорости. При этом меридиональная составляющая направлена по радиусу. Колено изменяет направление меридиональной скорости с радиального на осевое. В каждом поперечном сечении колена меридиональная скорость с у вогнутой поверхности 4 колена меньше, чем у его выпуклой поверхности 5 (см. эпюру с на фиг. 1) по аналогии с течением в коленах трубопроводов (рис. 3.4.2а в книге Ю.Б. Галеркин. Турбокомпрессоры. - М.: Информационно-издательский центр «КХТ», 2010). Окружная скорость в колене c также неодинакова на его поверхностях. В каждом поперечном сечении колена, в соответствии с законом сохранения момента количества движения рабочей среды, с на вогнутой поверхности 4 меньше, чем на выпуклой поверхности 5. Следовательно, скорость рабочей среды в колене с, будучи равной  на вогнутой поверхности 4 меньше, чем на выпуклой поверхности 5.
u.пол
u.пол
u.пол
u
Из колена 1 рабочая среда поступает в кольцевую полость 2 равномерно по окружности, имея как меридиональные, так и окружные составляющие скоростей. В полости 2 рабочая среда движется в окружном направлении в сторону выходного патрубка 3 с окружными скоростями c. В каждом поперечном сечении полости 2 скорость с не постоянна по радиусу, а уменьшается с увеличением расстояния от центральной поверхности 10 к периферийной поверхности 9 (см. эпюру с на фиг. 2). Такая закономерность изменения с в кольцевой полости выходного устройства центробежной турбомашины соответствует закономерности изменения скорости поперек циркуляционного потока, каковым приближенно является течение рабочей среды в полости 2, и доказана экспериментально (рис. 7.9 в книге Г.Н. Ден. Механика потока в центробежных компрессорах. - Л.: Машиностроение, 1973). Из полости 2 рабочая среда поступает в выходной патрубок 3, пройдя который, оказывается за пределами центробежной турбомашины.
Движение рабочей среды по выходному устройству центробежной турбомашины сопровождается потерями напора рабочей среды. Эти потери обусловлены в основном трением рабочей среды о смачиваемые ею поверхности выходного устройства. Согласно гидрогазодинамике местные потери трения пропорциональны квадрату местной скорости с и местной шероховатости.
Выходное устройство центробежной турбомашины по настоящему изобретению отличается от прототипа только большими шероховатостями вогнутой поверхности 4 колена 1, периферийной поверхности 9 полости 2 и торцевых поверхностей 7 и 8 полости 2. Поскольку трудоемкость выполнения любой поверхности тем меньше, чем больше заданная шероховатость ее, трудоемкость выполнения поверхностей 4, 9, 7, 8 и, следовательно, трудоемкость изготовления выходного устройства в целом по настоящему изобретению меньше, чем в прототипе.
Наряду с данным положительным эффектом настоящего изобретения имеет место отрицательный эффект, заключающийся в возрастании потерь напора рабочей среды у поверхностей 4, 9, 7 и 8 по причине больших шероховатостей этих поверхностей. Однако суммарные потери в выходном устройстве увеличиваются незначительно, во-первых, благодаря тому, что поверхности 5 и 10, омываемые рабочей средой с наибольшими скоростями (см. раздел заявки о работе устройства), как и в прототипе, выполнены гидравлически гладкими. Во-вторых, шероховатость поверхности выходного патрубка 3 устройства - такая же, как в прототипе.
Таким образом, цель настоящего изобретения, состоящая в уменьшении трудоемкости изготовления устройства без значительного увеличения потерь напора в нем, достигнута.