Диффузор центробежного компрессора

Полезная модель относится к области компрессоростроения и предназначена для улучшения массогабаритных и газодинамических характеристик компрессора за счет преобразования скоростного напора в напор давления.
Из уровня техники известна конструкция лопаточного диффузора компрессора, имеющая поворотный адаптивный переменный геометрический диффузор. При этом форма и угол установки лопасти диффузора определяются расчётной точкой компрессора (Патент № CN F 201710021371 А), так чтобы угол их установки соответствовал углу натекания потока. Однако такое выполнение регулируемого диффузора не обеспечивает высокую надежность работы ввиду сложности конструкции.
Также известен радиальный лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий лопатки, поверхности корыта и спинки которых в области выходной кромки имеют образующие в виде прямых линий и прямолинейную образующую выходных кромок [Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. М.: Машиностроение, 1986, с.204-207]. Существенным недостатком лопаточного диффузора с лопатками, имеющими прямолинейные образующие выходных кромок, являются высокие вторичные потери в угловых участках лопаточных каналов за счет повышенных радиальных градиентов давления в этих сечениях.
Известна ступень центробежного компрессора, в которой каждая лопатка поворотного лопаточного диффузора выполнена за одно целое с лопаткой спрямляющего аппарата таким образом, что совокупность средних линий профилей объединенных лопаток расположена в одной плоскости (пат. РФ № 2334901, F04D 29/44, опубл. 27.09.2008).
С помощью литейного производства предельно сложно изготовить спрямляющий аппарат и диффузор в виде одной детали, поскольку литейные сердечники, которые предусматриваются между лопатками спрямляющего аппарата и радиальными перегородками диффузора, оказываются труднодоступными, вследствие чего становится весьма затруднительным, а иногда и невозможным, извлечение этих сердечников.
Также известна конструкция узла диффузор-спрямляющий аппарат, содержащего расположенные по ходу движения рабочего потока безлопаточный и лопаточный диффузоры, спрямляющий аппарат (Энциклопедия «Авиация». - М.: Научное изд-во «Большая российская энциклопедия», Центральн. аэрогидродинам. ин-т им. проф. Н.Е.Жуковского, 1994, стр.282). В указанном устройстве лопаточный диффузор отделен от спрямляющего аппарата кольцевым радиально-осевым безлопаточным каналом, в котором происходит изменение направления движения рабочего потока с радиального на осевое, т.е. поток поворачивается. Недостатком узла является низкий КПД центробежного компрессора, расположенный перед диффузором из-за наличия существенных потерь в проточной части на участке, ограниченном с одной стороны входом поворотного лопаточного диффузора, а с другой - выходом спрямляющего аппарата.
Техническая проблема заключается в повышении КПД центробежного компрессора за счет уменьшения вторичных потерь полного давления воздуха в лопатках диффузора и радиально расположенных спрямляющих лопатках.
Технический результат - повышение адиабатического КПД центробежного компрессора, уменьшение потерь полного давления воздуха на участке воздушного тракта между рабочим колесом компрессора и камерой сгорания.
1
1R
пер
кор
лоп
кор
лоп
лоп
Диффузор центробежного компрессора, представляющий собой единую конструкцию, содержащую диск с центральным отверстием, на котором радиально расположены спрямляющие лопатки, на торцевой части диска расположены лопатки диффузора, при этом входной угол лопатки  диффузора в среднем ее сечении определяется по формуле , где С – абсолютная скорость потока воздуха на выходе из рабочего колеса, а С – радиальная составляющая абсолютной скорости потока воздуха на выходе из рабочего колеса, периферийное сечение лопаток диффузора повернуто вокруг их входной кромки на α= 4° относительно среднего сечения лопаток диффузора в направлении вращения ротора, а корневое сечение лопаток диффузора повернуто на α= 5° в направлении против вращения ротора, хорда сечений радиальных спрямляющих лопаток определяется по формуле , где l – это относительная высота лопатки спрямляющего аппарата, изменяющаяся в пределах от 0 до 1, b = 2.15h – хорда корневого сечения спрямляющей лопатки, где h – абсолютная высота спрямляющей лопатки, причем стенки спрямляющих лопаток оканчивается непосредственно за корневым сечением спрямляющих лопаток в направлении ниже по потоку от лопаток, а на верхних гранях лопаток диффузора установлены шпильки с резьбой.
Заявляемая конструкция диффузора центрального компрессора позволяет значительно повысить КПД компрессора, при этом наименьшие потери в лопаточном диффузоре соответствуют частоте вращения ротора газотурбинного двигателя, когда угол натекания потока воздуха совпадает или близок с углом расположения лопаток диффузора.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг. 1 изображен диффузор в изометрическом виде, где 1 – диск диффузора; 2 – лопатки диффузора; 3 – радиально расположенные спрямляющие лопатки; 4 – шпильки с резьбой для крепежа;
- на Фиг. 2 изображен вид сверху диффузора;
- на Фиг. 3 изображен диффузор в продольном разрезе;
- на Фиг. 4 изображен входной угол лопаток диффузора 2 в среднем сечении лопатки диффузора;
пер
кор
- на Фиг. 5 изображен профиль лопатки диффузора 2, где α – угол поворота периферийного сечения лопатки вокруг входной кромки по направлению вращения ротора относительно среднего сечения лопатки диффузора; α – угол поворота корневого сечения лопатки вокруг входной кромки против направления вращения ротора относительно среднего сечения лопатки диффузора;
- на Фиг. 6 показано сечение радиальной спрямляющей лопатки 3, где b - хорда сечения спрямляющей лопатки.
1
1R
пер
кор
лоп
кор
лоп
лоп
Диффузор центробежного компрессора представляет собой единую конструкцию, содержащую диск 1 с центральным отверстием с радиально расположенными спрямляющими лопатками 3. На торцевой части диска 1 расположены лопатки диффузора 2. Входной угол лопатки диффузора 2 в среднем ее сечении определяется по формуле , где С – абсолютная скорость потока воздуха на выходе из рабочего колеса, а С – радиальная составляющая абсолютной скорости потока воздуха на выходе из рабочего колеса. Периферийное сечение лопаток диффузора 2 повернуто вокруг их входной кромки на α= 4° относительно среднего сечения лопаток диффузора в направлении вращения ротора, а корневое сечение лопаток диффузора повернуто на α= 5° в направлении против вращения ротора. Хорда сечений радиальных спрямляющих лопаток определяется по формуле , где l – это относительная высота лопатки спрямляющего аппарата, изменяющаяся в пределах от 0 до 1, а b = 2.15h – хорда корневого сечения спрямляющей лопатки, где h – абсолютная высота спрямляющей лопатки. Стенки спрямляющих лопаток 3 оканчиваются непосредственно за корневым сечением спрямляющих лопаток в направлении ниже по потоку от лопаток. На верхних гранях лопаток диффузора 2 установлены шпильки 4 с резьбой.
Сложная пространственная форма лопаток диффузора 2 и радиально расположенных спрямляющих лопаток 3 была подобрана авторами экспериментально с помощью методов вычислительной газодинамики и параметрической оптимизации. Изготовление диффузора в виде единой конструкции возможно путем применения аддитивных технологий. Аддитивные технологии позволяют «выращивать» детали сложной внешней и внутренней формы, которые невозможно получить путем применения традиционных технологий (напр., литья) и без использования дорогостоящей оснастки.
Работа диффузора центробежного компрессора осуществляется следующим образом.
1
1R
Воздушный поток поступает из окружающей среды в рабочее колесо компрессора, при этом поток воздуха закручивается в сторону вращения рабочего колеса компрессора, а его полные давление и температура повышаются. Далее закрученный поток воздуха затормаживается в лопатках диффузора 2 и «выпрямляется» в радиально расположенных спрямляющих лопатках 3. Лопатки диффузора 2 и спрямляющие лопатки 3 закреплены на диске 1. «Крутка» потока воздуха на выходе из рабочего колеса компрессора в периферийном сечении рабочего колеса больше, чем в среднем сечении рабочего колеса из-за срыва потока в радиальном зазоре рабочего колеса компрессора. В то же время, «крутка» потока в корневом сечении (рабочего колеса) на выходе из рабочего колеса компрессора меньше, чем в среднем сечении рабочего колеса по причине возникающего углового вихря вследствие торможения входного пограничного слоя на торцевых стенках рабочего колеса при набегании потока воздуха на передние кромки лопаток рабочего колеса. Входной лопаточный угол диффузора в среднем сечении определяется по формуле , где С – абсолютная скорость на выходе из рабочего колеса, а С – радиальная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса.
пер
кор
За счет профилирования лопатки диффузора 2 таким образом, что периферийное сечение повернуто вокруг ее входной кромки наα= 4° относительно среднего сечения в направлении вращения ротора, а корневое сечение повернуто на α= 5° в направлении против вращения ротора, обеспечивается уменьшение области отрывных течений воздуха в корневом и периферийном сечениях лопаток диффузора.
лоп
кор
лоп
лоп
Увеличенная хорда спрямляющей лопатки в периферийном сечении позволяет уменьшить отрывные течения в проточной части на участке, ограниченном с одной стороны выходом из лопаток диффузора, а с другой - выходом из радиально расположенных спрямляющих лопаток, так как основная часть потока воздуха проходит через периферийное сечение спрямляющих лопаток из-за центробежных сил при радиально-осевом повороте. Результаты компьютерного моделирования и оптимизации позволили определить оптимальную длину хорды сечений спрямляющей лопатки  (см. фиг. 6) для данной конструкции диффузора и выразить ее в виде формулы , где l – это относительная высота расположения сечения спрямляющей лопатки, изменяющаяся в пределах от 0 до 1, а b = 2.15h – хорда корневого сечения спрямляющей лопатки, где h – абсолютная высота спрямляющей лопатки.
Для крепления диффузора к корпусу компрессора, как правило, используются болтовые соединения. Применение аддитивных технологий позволяет исключить болтовые соединения, поскольку возможно «наращивание» шпилек 4 с резьбой на поверхности лопаток диффузора. Такое решение позволяет снизить трудозатраты на выполнение сборки, а также уменьшает количество используемых деталей.
Заявляемый диффузор центробежного компрессора был испытан на виртуальном стенде «Компрессор» ИЦ «ЦКИ» СПБПУ. Скорость вращения ротора составила 112000 об/мин. Степень повышения давления рабочего тела (воздуха) составила 3.69. Расход рабочего тела через компрессор составил 0.48 кг/с. Адиабатический КПД компрессора составил 74.3%.