Трубчатый диффузор центробежного компрессора

Полезная модель относится к области компрессоростроения и используется в диффузорах центробежных компрессоров ГТД. Трубчатый диффузор центробежного компрессора предназначен для улучшения массогабаритных и газодинамических характеристик за счет преобразования скоростного напора в напор давления. В заявке описан радиально-осевой трубчатый диффузор компрессора ГТД. Трубчатый диффузор позволяет значительно повысить КПД компрессора во всем диапазоне его эксплуатации, снизив аэродинамические потери по сравнению с лопаточным диффузором, имеющего наименьшие потери только для режима, когда угол натекания потока совпадает или близок с углом установки лопаток диффузора.
Из существующего уровня техники известны случаи применения трубчатого диффузора вместо лопаточного (Патенты США US9803652, US 8425188). Данные патенты характерны тем, что в них предложены методы увеличения газодинамической устойчивости компрессора путем либо подсоса воздушной струи через отверстие в трубчатом диффузоре, либо специальным профилированием выступа внутри канала трубчатого диффузора, образующего локальную область ускорения потока, которая препятствует образованию пограничного слоя.
Недостатком данных решений является наличие дополнительных элементов на трубе диффузора для стабилизации потока, которые, создавая дополнительные потери уменьшают КПД установки в целом. .
Технической проблемой, на решение котрой направлена полезная модель, является повышение КПД центробежного компрессора за счет уменьшения вторичных потерь полного давления воздуха в канале радиально-осевого трубчатого диффузора центробежного компрессора.
i
0
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что геометрическая форма канала радиально-осевого трубчатого диффузора центробежного компрессора задается законом изменения площади проходного сечения канала, определяемой согласно формуле:  F= F*A,
где коэффициент А вычисляется по формуле:
3
2
А = -2*S + 3.23*S - 0.24*S + 1, где
S – относительная координата вдоль средней линии канала трубчатого диффузора (изменяется от 0 до 1).
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении КПД центробежного компрессора, уменьшении потерь полного давления воздуха на участке нахождения узла трубчатого диффузора в ГТД.
- на Фиг.1 изображен компрессор с трубчатым диффузором в изометрическом виде, где 1 – ротор компрессора; 2 – канал диффузора;
- на Фиг.2 изображен вид сзади на компрессор с трубчатым диффузором, где 1 – ротор компрессора; 2 – канал диффузора;
- на Фиг.3 изображен канал трубчатого диффузора, где
0
F – площадь проходного сечения входного сечения 3 канала трубчатого диффузора;
S = 0 – относительная координата входного сечения 3 канала трубчатого диффузора;
S = 1 - относительная координата выходного сечения 4 канала трубчатого диффузора;
- на Фиг. 4 изображено сечение канала трубчатого диффузора, где
L1 – высота сечения;
L2 – ширина сечения;
R – радиус скругления;
- на Фиг.5 изображены испытания на виртуальном стенде «Компрессор» ИЦ «ЦКИ» СПбПУ.
Данная цель достигается за счет профилирования канала трубчатого диффузора (см. 2 на фиг. 1 и 2) сложной пространственной формы с использованием методов вычислительной газодинамики и параметрической оптимизации. Создание сложной формы канала в свою очередь достигается путем применения аддитивных технологий, позволяющих избегать ограничений, присущих традиционной технологии изготовления.
Воздушный поток поступает из окружающей среды в рабочее колесо компрессора, где повышаются его полные давление и температура, а сам поток закручивается в сторону вращения рабочего колеса компрессора. Далее закрученный поток воздуха проходит через каналы трубчатого диффузора, где одновременно затормаживается и «выпрямляется» в канале. трубчатого диффузора. Каналы трубчатого диффузора закреплены на выходе из ротора располагаются (см. 1 на фиг. 1 и 2) в радиальном направлении (см. 1 на фиг. 1 и 2).
i
0
Для минимизации аэродинамических потерь при расширении в канале диффузора был выбран закон изменения площади проходного сечения канала согласно формуле F = F*A,
0
где F – площадь проходного сечения на входе в канал диффузора (см. фиг. 3);
3
2
коэффициент А вычисляется по формуле А = -2*S + 3.23*S – 0.24*S + 1, где
S – относительная координата вдоль средней линии канала трубчатого диффузора (изменяется от 0 до 1).
На участке от S = 0.2 до S = 0.5 осуществляется поворот потока на 90° из радиального направления в осевое (см. фиг. 3). Сечение канала диффузора представляет собой прямоугольник с соотношением сторон L2/L1 = 1.2 со скругленными углами, где
L1 – высота сечения;
L2 – ширина сечения;
R – радиус скругления R = 0.33*L1 (см. фиг. 4).
Заявляемый трубчатый диффузор центробежного компрессора был испытан на виртуальном стенде «Компрессор» ИЦ «ЦКИ» СПБПУ (см. фиг.5). Скорость вращения ротора составила 112000 об/мин. Степень повышения давления рабочего тела (воздуха) составила 4.01. Расход рабочего тела через компрессор составил 0.45 кг/с. Адиабатический КПД компрессора составил 77.1%. Этот показатель в среднем на 2% выше, чем у лопаточных диффузоров центробежных компрессоров.