РОТОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
ROTOR OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR

Изобретение относится к области компрессоростроения, в частности к роторам высокоскоростных центробежных компрессоров.
Известен ротор центробежного компрессора, содержащий вал и установленное на нем рабочее колесо с посадочной поверхностью на внутреннем диаметре его ступицы (см., например, книгу В.Б. Шнеппа «Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин» издательства «Машиностроение», г. Москва, 1995 г., ББК 31.76, Шн.76, УДК 621.515, стр.39, рис.1.23).
Недостатком известного ротора является большие радиальные и осевые деформации рабочего колеса от действия центробежных сил, в частности, радиальная деформация его посадочной поверхности. Большая радиальная деформация ступицы рабочего колеса уменьшает натяг и площадь контакта между посадочными поверхностями колеса и вала, что снижает надежность их соединения.
Известен ротор центробежного компрессора, содержащий вал и установленное на нем рабочее колесо, в ступице которого выполнена кольцевая полость, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой, соединяющей внутреннее и наружное кольца. На внутреннем кольце ступицы установлен вращающийся направляющий аппарат, кольцевая перегородка расположена со стороны основного диска рабочего колеса, а его посадочная поверхность выполнена на внутреннем диаметре внутреннего кольца (см. Патент RU №2174624, Кл. F04D 29/28, опубликован 10.10.2001).
Недостатком конструкции является недостаточная надежность соединения рабочего колеса с валом, вследствие радиальной деформации ступицы рабочего колеса на части своей длины и уменьшения площади контакта их посадочных поверхностей. Кроме того, разная жесткость частей одной лопатки на вращающемся направляющем аппарате и основном диске создает во время работы предпосылки к их разной деформации и несовпадению профилей в месте стыковки торцов от действия центробежных сил и потока газа. Это накладывает определенные ограничения на процесс профилирования лопаток, что сужает область применения таких рабочих колес. Еще одним недостатком известного ротора является повышенная трудоемкость изготовления рабочего колеса, вследствие его выполнения из двух частей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности соединения рабочего колеса с валом ротора центробежного компрессора при одновременном упрощении процесса изготовления и сборки ротора.
Технический результат достигается тем, что в роторе центробежного компрессора, содержащем вал и установленное на нем рабочее колесо, в ступице которого выполнена кольцевая полость, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой, соединяющей внутреннее и наружное кольца, кольцевая перегородка выполнена со стороны входа потока в рабочее колесо, а торец вала выполнен с внутренней расточкой, при этом посадочные поверхности рабочего колеса и вала образованы, соответственно, внешней поверхностью внутреннего кольца ступицы рабочего колеса и внутренней расточкой вала.
Кроме того, в изобретении может иметь место следующее:
- внешняя поверхность внутреннего кольца ступицы рабочего колеса и внутренняя расточка вала выполнены коническими;
- вал и рабочее колесо дополнительно взаимодействуют между собой посредством шлицевого соединения, при этом шлицы могут быть выполнены на наружном кольце ступицы рабочего колеса и на наружной поверхности вала либо могут быть выполнены на диске, соединенным с наружным кольцом ступицы рабочего колеса, и на наружной поверхности вала;
- в ступице рабочего колеса внутреннее кольцо и перегородка выполнены в виде единого элемента, соединенного с наружным кольцом посредством крепежных элементов, например болтов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан ротор центробежного компрессора, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вариант выполнения рабочего колеса.
Ротор центробежного компрессора содержит вал 1 и установленное на нем рабочее колесо 2. В ступице рабочего колеса 2 выполнена кольцевая полость 3, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца 4 и 5 и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой 6, соединяющей внутреннее и наружное кольца 4 и 5.
Кольцевая перегородка 6 выполнена со стороны входа потока в рабочее колесо 2, а посадочные поверхности в рабочем колесе 2 и на валу 1 выполнены, соответственно, на внешней поверхности 7 внутреннего кольца 4 ступицы и во внутренней расточке 8 на торце вала 1.
Внешняя поверхность 7 внутреннего кольца 4 ступицы и внутренняя расточка 8 на валу 1 выполнены коническими.
Вал 1 и рабочее колесо 2 дополнительно взаимодействуют между собой посредством шлицевого соединения 9 наружного кольца 5 ступицы и наружной поверхности вала 1.
Шлицы наружного кольца 5 ступицы могут быть выполнены на диске 10, который соединен с наружным кольцом 5 крепежными элементами, например винтами 11 с внутренним шестигранником.
Внутреннее кольцо 4 ступицы и перегородка 6 могут быть выполнены в виде отдельного элемента 12, соединенного с наружным кольцом 5, например, болтами 13.
При сборке ротора рабочее колесо 2 устанавливают на вал 1, совмещая посадочные поверхности и обеспечивая сборку шлицевого соединения 7. При этом внешняя поверхность 7 внутреннего кольца 4 ступицы сопряжена с внутренней расточкой 8 вала 1. Производят крепление рабочего колеса 2 к валу 1 центральным стержнем 14 (шпилька, болт). Усилие затяжки центрального стержня 14 определяет значение натяга в посадочных поверхностях колеса и вала.
При работе ротора центробежного компрессора вращение от вала 1 передается рабочему колесу 2 через натяг в их посадочных поверхностях и (или) шлицевое соединение 9, при этом на лопатки рабочего колеса 2 поступает рабочая среда. В результате взаимодействия с лопатками рабочего колеса поток рабочей среды приобретает кинетическую и потенциальную энергию.
Выполнение кольцевой перегородки 6, соединяющей внутреннее и наружное кольца 4 и 5 ступицы рабочего колеса 2, со стороны входа в рабочее колесо уменьшает воздействие на внутреннее кольцо 4 центробежных сил от периферийной, самой массивной, части колеса. Поэтому деформация внутреннего кольца 4, а значит и посадочной поверхности рабочего колеса 2 во время работы незначительна. Ввиду малой массы конца вала 1, воздействие центробежных сил на перемещение его посадочной поверхности еще меньше. Выполнение посадочной поверхности рабочего колеса 2 на внешней поверхности 7 внутреннего кольца 4 ступицы рабочего колеса 2 и размещение ее во внутренней расточке 8 вала 1 сохраняет заданный натяг в соединении «вал - рабочее колесо», практически, неизменным.
Таким образом, такое выполнение ротора центробежного компрессора существенно упрощает изготовление рабочего колеса и его соединение с валом. Изготовление лопаток на колесе выполняется из одной поковки. Для сборки и разборки ротора не требуются прессовые приспособления. Выполнение лопаток из одного массива позволяет исключить нештатные деформации их частей, оптимально профилировать проточную часть рабочего колеса с высокими энергетическими показателями в широком диапазоне расходов и давлений. Конструкция обеспечивает надежность соединения рабочего колеса с валом и позволяет применять ротор на высокие скорости вращения, которые ограничены только прочностью материала колеса.