ДВУХЪЯРУСНЫЙ ЛОПАТОЧНЫЙ ДИФФУЗОР ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Техническое решение относится к области компрессоростроения, а именно к конструкции диффузоров центробежных компрессоров, применяемых например, в турбокомпрессорах, газотурбинных двигателях, вентиляторах и насосах.
Известен диффузор центробежного компрессора, содержащий корпус, расположенные в нем две лопаточные решетки, лопатки одной из которых установлены с возможностью осевого перемещения в отверстиях кольцевого элемента и закреплены на подвижном диске, соединенном с приводом, отличающийся тем, что с целью повышения КПД компрессора на переменных режимах, лопатки другой решетки установлены неподвижно, привод выполнен в виде электромагнитов, диск подпружинен относительно кольцевого элемента, угол входа неподвижных лопаток на 5-8° меньше угла подвижных, а отношение входных диаметров решеток с неподвижными и подвижными лопатками равно 1,13-1,17 (см. авторское свидетельство SU 1286824 А1, опубликовано 30.01.1987).
Внедрение промежуточных лопаток в данном техническом решений направлено на расширение диапазона работы и увеличение КПД компрессора, если в процессе работы промежуточные лопатки будут убраны, произойдет увеличение траектории движения частиц рабочего потока, движущегося в диффузоре, при этом снизится величина степени повышения давления в компрессоре и КПД соответственно, увеличится пропускная способность диффузора, что приведет к смещению характеристики компрессора.
Кроме того, наличие подвижных лопаток значительно усложняет данную конструкцию.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лопаточный диффузор турбомашины с расширяющимися проточными радиальными каналами кольцевой решетки, выполненной многоярусной, с целью расширения пределов устойчивой работы турбомашины, с лопатками полной длины, между которыми размещены укороченные лопатки, а выходные кромки всех лопаток расположены на общей окружности (см. авторское свидетельство SU 170606, опубликовано 23.04.1965).
Использование дополнительных укороченных лопаток между лопатками полной длины, обеспечивает лучшую направленность рабочего потока в диффузоре, увеличивая степень повышения давления в турбомашине, и прижимает пограничный слой потока, обтекающего спинку лопатки полной длины, увеличивая запас устойчивости работы турбомашины.
Однако отсутствие специального профилирования промежуточных лопаток и их входных кромок, способствует увеличению неравномерности потока и потерь полного давления в лопаточных каналах.
Технической задачей предлагаемого технического решения является разработка лопаточного диффузора, обеспечивающего получение следующих результатов:
- снижение потерь полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах диффузоров многорежимных компрессоров;
- увеличение запаса устойчивости работы центробежного компрессора при дозвуковом, трансзвуковом или сверхзвуковом течении в диффузоре;
- расширение эффективного диапазона работы центробежного компрессора;
- уменьшение массогабаритных характеристик.
Для решения поставленной задачи в известном лопаточном диффузоре с расширяющимися проточными радиальными каналами кольцевой решетки, выполненной многоярусной с лопатками полной длины, между которыми размещены укороченные лопатки, а выходные кромки всех лопаток расположены на общей окружности, укороченные лопатки имеют специальное профилирование спинки и корытца лопатки по кривой Безье, а входная кромка имеет эллиптическую форму, плавно сопрягаемую с контурами спинки и корытца.
Использование кривой Безье для профилирования спинки и корытца укороченных лопаток обеспечивает плавное изменение кривизны профиля контура лопатки, что снижает потери полного давления при торможении дозвукового, трансзвукового или сверхзвукового потока в лопаточных каналах и уменьшает отрыв пограничного слоя рабочего потока со спинки профиля укороченной лопатки, увеличивая запас устойчивости работы центробежного компрессора при дозвуковом, трансзвуковом или сверхзвуковом течении в диффузоре. Так как укороченные лопатки менее чувствительны к изменению углов атаки, применяется эллиптическая входная кромка, обеспечивающая меньший уровень потерь полного давления. Увеличение степени повышения давления в ступени компрессора позволяет уменьшить массогабаритные характеристики высоконапорных компрессоров.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где изображены:
На фиг. 1 изображен разрез Б-Б, на котором показан профиль лопаточного диффузора.
На фиг. 2 изображен выносной элемент А, на котором показан контур входной кромки укороченной лопатки.
На фиг. 3 показано направление изменения характеристики ступени компрессора при установке двухъярусного лопаточного диффузора со специальным профилированием укороченных лопаток.
Предлагаемый лопаточный диффузор выполнен двухъярусным с безлопаточным участком 1 (см. фиг. 1) на входе, при этом между лопатками полной длины 2 размещены укороченные лопатки второго яруса 3, а выходные кромки всех лопаток расположены на общей окружности. Укороченные лопатки второго яруса имеют специальное профилирование спинки 4 и корытца 5 лопатки по кривой Безье, а входная кромка 6 имеет эллиптическую форму, касательно сопрягаемую с контурами спинки и корытца (см. фиг. 2).
Лопаточный диффузор центробежного компрессора со специальным профилированием лопаток второго яруса работает следующим образом.
Рабочая среда, нагнетаемая колесом центробежного компрессора, попадает в безлопаточный участок диффузора 1, где происходит выравнивание параметров и первичное торможение потока после колеса центробежного компрессора. Затем поток рабочей среды набегает на лопатки полной длины 2 диффузора, где направляется профилем этих лопаток и расширяется. Так как в каналах с достаточной высокой степенью расширения существует вероятность отрыва потока с поверхности спинки лопаток, в канал устанавливается дополнительный ряд укороченных лопаток 3, образующих второй ярус, для организации благоприятной структуры течения в месте возможного отрыва. Эллиптическая входная кромка 6 укороченной лопатки второго яруса 3 и поверхности спинки 4 и корытца 5, образованные трехузловой кривой Безье с наиболее плавным изменением кривизны, способствуют снижению потерь полного давления при течении в лопаточном диффузоре. Эллиптическая входная кромка в меньшей степени загромождает канал, что увеличивает максимальный расход на ветке характеристики ступени компрессора в целом, а наличие второго яруса лопаток со специальным профилированием увеличивает запасы по газодинамической устойчивости работы лопаточного диффузора (см. фиг. 3).