Рабочее колесо центробежного компрессора

МПК: F04D 29/28
Рабочее колесо центробежного компрессора
Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для сжатия и/или перемещения газообразных веществ или газообразных веществ с наличием жидких и твердых фаз, и может быть использована в автомобилестроении, судостроении, строительной и других отраслях промышленности.
Известно рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск, на котором расположены лопатки [US2016281732, дата публикации: 26.03.1991 г., МПК: F04D 25/06].
Известно рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск, на котором расположены основные и вспомогательные лопатки [US5002461, дата публикации: 29.09.2016 г., МПК: F04D 29/28].
Недостатком известных технических решений является наличие потерь КПД центробежного компрессора из-за развитых вихрей, возникающих на кромках лопаток рабочего колеса при наличии технологического зазора между рабочим колесом и неподвижным корпусом компрессора.
В качестве прототипа выбрано рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной и покрывной диски, между которыми расположены лопатки [SU1073495, дата публикации: 21.12.1982 г., МПК: F04D 29/28].
Преимуществом прототипа перед известными решениями является отсутствие вихрей между торцевой поверхностью лопаток и корпусом центробежного компрессора за счет наличия покрывного диска. Однако существенным недостатком прототипа является высокий риск возникновения турбулентных вихрей за выходной кромкой лопатки рабочего колеса. Указанный недостаток обусловлен геометрией лопаток, в частности тем, что ширина каждой лопатки по всей длине, включая выходную кромку, имеет практически одинаковую величину. Вследствие этого при вращении рабочего колеса часть энергии потока затрачивается на преодоление сил сопротивления, вызываемых турбулентными вихрями потока газа, что снижает КПД рабочего колеса и ухудшает эксплуатационные характеристики центробежного компрессора.
Технической проблемой, на решение которой направлена полезная модель, является улучшение эксплуатационных характеристик центробежного компрессора.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение КПД рабочего колеса центробежного компрессора.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Рабочее колесо центробежного компрессора содержит основной и покрывной диски и лопатки. В отличие от прототипа лопатки имеют сужение от средней части к выходной кромке, при этом толщина выходной кромки лопаток не превышает 25% толщины их средней части.
Рабочее колесо центробежного компрессора может иметь плоскую или вогнутую форму. Рабочее колесо имеет вход, расположенный в центральной части, и выход, расположенный по боковой (торцевой) поверхности. Рабочее колесо имеет лопатки, предназначенные для создания центробежной силы и преобразования механической энергии вращения рабочего колеса в энергию движения газа. При этом рабочее колесо может иметь вспомогательные лопатки, которые могут быть расположены между основных лопаток и могут иметь длину от 10 до 80% длины основных лопаток. Также рабочее колесо имеет радиальные рабочие каналы, образованные между лопатками, проходящие от входа к выходу.
Лопатки имеют сужение от средней части к выходной кромке. Под средней частью лопатки подразумевается область, находящаяся приблизительно на равном удалении от входной и выходной кромок. Толщина выходной кромки лопаток не превышает 25% толщины их средней части, что обеспечивает возможность снижения риска возникновения турбулентных потоков за выходной кромкой, при этом чем меньше толщина выходной кромки лопаток, тем ниже риск возникновения турбулентных потоков и выше КПД рабочего колеса. При толщине выходной кромки лопаток выше 25% КПД рабочего колеса может не существенно изменяться.
Сужение лопаток может обеспечиваться за счет изменения геометрии напорной и/или  тыльной стороны лопаток, в зависимости от условий эксплуатации рабочего колеса.  При этом напорная и тыльная стороны лопаток могут иметь разную геометрию, которая может задаваться математической функцией.
Дополнительно для снижения лобового сопротивления потоку газа на входе рабочего колеса и дополнительного повышения КПД рабочего колеса лопатки могут также иметь сужение от средней части к входной кромке, при этом толщина входной кромки лопаток может также составлять до 25% от толщины их средней части.
Дополнительно для повышения КПД, вспомогательные лопатки могут иметь сужение от средней части к выходной и/или входной кромке, при этом толщина выходной и/или входной кромки может составлять до 25% от толщины их средней части.
Дополнительно для повышения КПД, вспомогательные лопатки могут быть расположены относительно основных лопаток со смещением на 1/12 - 1/20 угловой величины сектора.
Основной и покрывной диски могут иметь наружный диаметр, превышающий диаметр лопаточной части на величину до 70% от ее диаметра, благодаря чему на выходе рабочего колеса образуется безлопаточный диффузор. Безлопаточный диффузор обеспечивает возможность снижения скорости движения потока газа относительно корпуса центробежного компрессора, увеличения потенциальной энергии потока газа в полости и повышения КПД рабочего колеса. При этом для снижения риска образования турбулентных вихрей потока газа внутри безлопаточного диффузора и дополнительного повышения КПД рабочего колеса, выходная кромка лопаток в продольном сечении может иметь эллиптическую или каплевидную форму.
Рабочее колесо может быть изготовлено из различных конструкционных материалов, например, из стали, или сплавов на основе железа, алюминия или меди, а также из композиционных материалов или полимеров с высокими прочностными характеристиками, в частности, из класса полимеров с жидкокристаллической структурой.
Полезная модель обладает неизвестной ранее совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что лопатки имеют сужение от средней части к выходной кромке, при этом толщина выходной кромки лопаток не превышает 25% толщины их средней части, благодаря чему газовые потоки, движущиеся по обе стороны лопатки, плавно соединяются в один общий поток, образующийся на выходе из рабочего колеса, позволяя снизить риск образования турбулентных  вихрей за выходной кромкой лопаток и количество энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления, оказываемого турбулентными вихрями, благодаря чему обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении КПД рабочего колеса, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики центробежного компрессора.
Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «новизна».
Полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
Фиг.1 – Рабочее колесо центробежного компрессора, вид сверху.
Фиг.2 – Рабочее колесо центробежного компрессора, вид сверху, без покрывного диска.
Фиг.3 – Рабочее колесо центробежного компрессора, вид сбоку, без покрывного диска.
Фиг.4 - Рабочее колесо центробежного компрессора с безлопаточным диффузором, вид сверху.
Фиг.5 - Рабочее колесо центробежного компрессора с безлопаточным диффузором, вид сбоку.
Фиг.6 - Рабочее колесо центробежного компрессора с безлопаточным диффузором, вид сверху, без покрывного диска.
Фиг.7 - Рабочее колесо центробежного компрессора с безлопаточным диффузором, вид сбоку, без покрывного диска.
Фиг.8 – Лопатка рабочего колеса центробежного компрессора с сужением от средней части к выходной кромке, аксонометрический вид.
Фиг.9 - Лопатка рабочего колеса центробежного компрессора с сужением от средней части к входной и выходной кромкам, аксонометрический вид.
Фиг.10 – Развертка лопатки рабочего колеса центробежного компрессора, продольный разрез, вид сверху.
1
2
3
Рабочее колесо центробежного компрессора состоит из основного диска 1 и покрывного диска 2, основных лопаток 3 и вспомогательных лопаток 4. Лопатки 3 и 4 имеют толщину S выходной кромки, толщину Sсредней части и толщину Sвходной кромки. Также рабочее колесо в отдельных конфигурациях имеет безлопаточный диффузор, образованный дисками 1 и 2, диаметр которых превышает диаметр лопаточной части рабочего колеса.
Полезная модель работает следующим образом.
Рабочее колесо центробежного компрессора начинает вращаться и поток газа поступает на вход рабочего колеса, огибая входные кромки лопаток 3 и 4, и движется вдоль поверхности лопаток 3 и 4. При этом потоки газа сжимаются и движутся к выходным кромкамлопаток 3 и 4 и соединяются в один поток. При этом за выходными кромками лопаток 3 и 4 не наблюдается образование турбулентных вихрей, а потенциальная энергия потока существенно возрастает.
В таблице 1 представлена зависимость изменения КПД относительно сужения выходной и входной кромок лопаток.
Таблица 1
Сужение выходной кромки, толщина % от средней части (S<sub>1</sub>/ S<sub>2</sub>)
Сужение входной кромки, толщина, % от средней части (S<sub>3</sub>/ S<sub>2</sub>)
Рост КПД, % относительно прототипа
30
-
-
25
-
До 0,2
10
-
До 0,4
5
-
До 1,0
1
-
До 1,5
-
30
-
-
25
До 0,4
-
10
До 1,0
-
5
До 1,5
-
1
До 2,0
30
30
-
25
25
До 0,6
10
10
До 1,4
5
5
До 2,5
1
1
До 3,5
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в повышении КПД рабочего колеса и улучшаются эксплуатационные характеристики центробежного компрессора.