ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР
RADIAL FLOW COMPRESSOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в компрессорной технике.
В процессе работы центробежного компрессора при вращении рабочего колеса в каждой его части возникает распределенная по объему сила инерции, действующая в радиальном направлении, которая уравновешивается внутренними окружными напряжениями. При этом напряженно-деформированное состояние, вызываемое действием центробежных сил, пропорционально квадрату окружной скорости вращения колеса и плотности его материала и зависит от конструкции колеса. Выбор формы и материалов рабочих колес во многом зависит от величин расчетных внутренних напряжений в них при работе компрессора.
Известен центробежный компрессор, содержащий статор, ротор с рабочими колесами. Рабочее колесо соединено с валом ротора при помощи бандажных колец, установленных по прессовой посадке и охватывающих кольцевой выступ боковой поверхности полотна основного диска (Центробежные и осевые компрессорные машины: Отраслевой каталог.- М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. - 1992 г. - стр.118, рис.102, стр.124., рис.106). При этом покрывной диск рабочего колеса выполнен составным, с прессовым соединением входной втулки и полотна диска.
Недостатком такой конструкции центробежного компрессора является наличие высоких внутренних напряжений в элементах рабочего колеса (выполненных из одного материала), обусловленных действием центробежных сил, что ведет к повышению деформаций деталей рабочего колеса и ограничению порога допустимой окружной скорости вращения.
Известен центробежный компрессор (патент №2189502), содержащий корпус, размещенные в нем статор, ротор с рабочим колесом с составными лопатками и дисками, выполненными из монолитных частей, соединенных между собой по цилиндрическим поверхностям сопряжения с натягом.
Недостатком такой конструкции центробежного компрессора с соединением составных колец рабочего колеса по цилиндрическим поверхностям (посадка с натягом) является наличие высокого контактного давления по поверхностям сопряжения составных колец за счет большого натяга, что ведет к повышению внутренних напряжений в материале и деформаций деталей рабочего колеса и к недостаточной надежности долгосрочной работы.
Высокие внутренние напряжения в соединении могут вызвать коробление полотен дисков в зонах между составными лопатками, что неблагоприятно отражается на коэффициенте полезного действия и ресурсе работы рабочих колес центробежной машины.
Технической задачей заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно уменьшение внутренних напряжений в элементах рабочего колеса и радиальных деформаций в зоне сопрягаемых цилиндрических поверхностей, повышение надежности прессового соединения коаксиальных колец рабочего колеса с сохранением функции передачи крутящего момента привода в условиях воздействия внешних сил и моментов.
Технический результат достигается тем, что в центробежном компрессоре, содержащем корпус, размещенные в нем статор, ротор с рабочим колесом из монолитных составных частей, включающих в себя части покрывного, основного дисков, части лопаток, коаксиально соединенных по цилиндрическим поверхностям сопряжения, материал каждой последующей части рабочего колеса по направлению от центра к периферии имеет больший модуль упругости по отношению к модулю упругости материала каждой предыдущей части рабочего колеса, а цилиндрическая поверхность сопряжения увеличена за счет кольцевых выступов, выполненных на последующих и предыдущих частях рабочего колеса, при этом на кольцевых выступах последующих частей рабочего колеса выполнены кольцевые пазы, в которых размещены бандажные кольца из композиционного материала с большим модулем упругости по отношению к модулю упругости материала составных частей рабочего колеса.
На фиг.1 изображен центробежный компрессор (продольный разрез); на фиг.2 - рабочее колесо (поперечный разрез); на фиг.3 - вид А (фрагмент рабочего колеса).
Центробежный компрессор содержит корпус 1, размещенные в нем статор 2, ротор 3 с рабочим составным колесом 4 закрытого типа, имеющим покрывной диск 5 и ступицу основного диска 6 с кольцевыми выступами 7, 8, соединенными между собой лопатками 9, в совокупности образующие центральную часть рабочего колеса с цилиндрической поверхностью сопряжения 10.
На центральную часть рабочего колеса по цилиндрической поверхности сопряжения 10 присоединена (напрессована) средняя часть, представляющая собой монолитное кольцо, образованное средними частями покрывного диска 11, основного диска 12 и лопаток 13. На внешней поверхности, со стороны внутреннего диаметра, средней части рабочего колеса выполнены кольцевые выступы 14, 15, на которых в кольцевых пазах 16, 17 размещены бандажные кольца 18, 19. При этом на внешней поверхности, со стороны наружного диаметра, средней части рабочего колеса выполнены кольцевые выступы 20, 21, образующие в совокупности со средними частями покрывного диска 11, основного диска 12 и лопаток 13 цилиндрическую поверхность сопряжения 22.
На среднюю часть рабочего колеса по цилиндрической поверхности сопряжения 22 присоединена (напрессована) периферийная часть, представляющая собой монолитное кольцо, образованное периферийными частями покрывного диска 23, основного диска 24 и лопаток 25. На внешней поверхности, со стороны внутреннего диаметра, периферийной части рабочего колеса выполнены кольцевые выступы 26, 27, на которых в кольцевых пазах 28, 29 размещены бандажные кольца 30, 31.
При этом центральная часть рабочего колеса является предыдущей по отношению к средней части, которая в свою очередь является последующей по отношению к центральной части и предыдущей по отношению к периферийной части рабочего колеса, а периферийная часть является последующей по отношению к центральной части рабочего колеса.
При работе центробежного компрессора происходит передача крутящего момента от вала привода (не показан) к каждой части рабочего колеса (центральной, средней, периферийной).
От центральной части к средней части рабочего колеса передача крутящего момента осуществляется за счет контакта наружной поверхности центральной части с внутренней поверхностью средней части по цилиндрической поверхности сопряжения 10. От средней части к периферийной части рабочего колеса передача крутящего момента осуществляется за счет контакта наружной поверхности средней части и внутренней поверхности периферийной части по цилиндрической поверхности сопряжения 22. При этом по контактным поверхностям сопряжения составных частей рабочего колеса величина натяга снижена за счет того, что материал каждой последующей части рабочего колеса по направлению от центра к периферии имеет больший модуль упругости по отношению к модулю упругости материала каждой предыдущей части рабочего колеса, что уменьшит радиальные деформации и внутренние напряжения в материале рабочего колеса.
В результате перераспределения масс в каждой последующей части рабочего колеса (средней и периферийной) путем уменьшения толщины частей покрывного и основного дисков, а также увеличения модуля упругости материала каждой последующей части рабочего колеса по отношению к модулю упругости материала каждой предыдущей части достигается уменьшение массы рабочего колеса, что в свою очередь позволяет уменьшить внутренние напряжения в элементах рабочего колеса и снижает уровень радиальных деформаций в зоне цилиндрических поверхностей сопряжения.
За счет увеличенной цилиндрической поверхности сопряжения частей (центральной, средней, периферийной) рабочего колеса уменьшается величина расчетного контактного давления и требуемого натяга, как следствие - величина радиальных деформаций (в зоне) сопрягаемых цилиндрических поверхностей и повышается надежность прессового соединения коаксиальных колец рабочего колеса с сохранением функции передачи крутящего момента привода в условиях воздействия внешних сил и моментов.
Использование бандажных колец из композиционного материала с большим модулем упругости по отношению к модулю упругости материала составных частей рабочего колеса, размещенных в кольцевых пазах, позволяет уменьшить изгибные напряжения, которые испытывают покрывной и основной диск рабочего колеса в процессе работы компрессора.
Благодаря принятым решениям повышается эксплуатационная надежность рабочих колес и ресурс работы центробежного компрессора.