КОЖУХ ДЛЯ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБОМАШИНЫ
TURBINE WHEEL CASING

Настоящее изобретение относится к области рабочих колес турбомашин и, в частности, рабочих колес компрессоров. Действительно, в турбомашинах рабочие колеса, объединенные с неподвижными колесами, образуют ступени компрессора, предназначенные для сжатия проходящей через них текучей среды. При проектировании и оптимизации ступени рабочих колес (то есть узла из одного или нескольких рабочих колес), например, для компрессора, необходимо учитывать, в частности, две задачи.
Первой задачей является обеспечение оптимального кпд сжатия. Этот кпд сжатия можно определить как соотношение между энергией, теоретически сообщаемой текучей среде для изоэнтропийного сжатия между входом и выходом ступени подвижных колес, и энергией, реально сообщаемой текучей среде. В настоящем документе вход и выход следует определять относительно нормального направления потока текучей среды через ступень лопаточных колес.
Второй задачей является обеспечение достаточного «запаса по помпажу». Помпаж представляет собой явление неустойчивости текучей среды при работе компрессора, выражающееся в низкочастотной пульсации потока и появляющееся, когда условия расхода, подачи, давления или температуры выходят за пределы диапазона нормальной работы турбомашины. Поскольку это нестационарное явление, как правило, является очень мощным, оно становится причиной воздействия на турбомашину механических напряжений (статических и динамических). Поэтому понятно, что при разработке ступени рабочих колес постоянно преследуют цель максимально возможного расширения диапазона нормальной работы этих колес и, следовательно, компрессора или турбомашины, в которых они находятся, чтобы получить, таким образом, достаточный «запас по помпажу», позволяющий избежать явлений помпажа.
Как известно, для оптимизации этого второго фактора, то есть для оптимизации запаса по помпажу, в рабочие лопаточные колеса были внесены специальные усовершенствования.
В рабочем колесе или в рабочем лопаточном колесе наличие рабочего радиального зазора между неподвижным кожухом и подвижными лопатками приводит к появлению вторичного потока, называемого потоком зазора. Он является причиной существенного снижения производительности рабочих колес и в большинстве случаев может стать причиной потери стабильности компрессора (явление помпажа). Поэтому для решения второй упомянутой задачи и для максимального увеличения запаса по помпажу ступени подвижных колес, как известно, на внутренней стенке кожуха напротив концов лопаток подвижных колес осуществляют соответствующую обработку кожуха.
Обработка кожуха состоит, например, в выполнении системы канавок во внутренней стенке кожуха. Благодаря этим канавкам, добиваются увеличения запаса по помпажу рабочего колеса. Так, в патенте GB 2408546 описан пример обработки кожуха для турбомашины. Однако в предложенной обработке кожуха выполнение канавок является очень специфическим: речь в данном случае идет не об окружных канавках, а о прорезях, отстоящих друг от друга в окружном направлении и имеющих разный наклон относительно радиального направления. Поэтому изготовление кожуха является относительно сложным и, следовательно, дорогим, при этом кожух не обеспечивает одновременно увеличения запаса по помпажу и оптимизации кпд сжатия.
На практике большинство видов обработки кожуха предназначены только для оптимизации запаса по помпажу компрессора и не учитывают отрицательное влияние, которые они часто оказывают на кпд сжатия.
Настоящее изобретение направлено на создание кожуха для рабочего лопаточного колеса турбомашины, содержащего внутреннюю стенку, по существу цилиндрическую вокруг оси кожуха, причем эта цилиндрическая стенка содержит множество окружных канавок, каждая из которых имеет по существу постоянное сечение в осевой плоскости сечения, при этом кожух оптимизируют таким образом, чтобы одновременно увеличить запас по помпажу и оптимизировать кпд соответствующего рабочего колеса турбомашины.
Этого результата достигают за счет того, что в кожухе площадь сечения S1, S2, S3 окружных канавок 11, 12, 13 уменьшается от входа к выходу от первой канавки 11 к последней канавке 13.
В данном случае под “входным” концом следует понимать конец кожуха, который расположен с верхней по потоку стороны кожуха.
Под окружной канавкой следует понимать канавки, расположенные по существу в плоскости, перпендикулярной оси рабочего колеса. Как правило, этими канавками являются круговые канавки, проходящие в плоскости, перпендикулярной оси рабочего колеса. Эти канавки не обязательно являются сплошными и не обязательно проходят по всей окружности кожуха. Вместе с тем, чтобы обеспечить их достаточную эффективность, в частности, с точки зрения увеличения запаса по помпажу ступени подвижных колес, необходимо, чтобы они занимали большую часть окружности кожуха.
Тот факт, что каждая окружная канавка имеет по существу постоянное сечение в осевой плоскости сечения, означает, что при любой осевой плоскости сечения, выбранной для определения сечения, сечение канавки является по существу одинаковым.
Преимущество изобретение вытекает из следующих двух наблюдений: с одной стороны, увеличению запаса по помпажу способствует в основном первая канавка, находящаяся с входной стороны рабочего колеса, а остальные канавки способствуют этому увеличению в меньшей степени по мере их удаления от первой канавки; с другой стороны, каждая из этих канавок, как правило, оказывает отрицательное влияние на кпд компрессии ступени подвижных колес.
Таким образом, чтобы одновременно оптимизировать кпд рабочего колеса и увеличить запас по помпажу, согласно изобретению, площадь сечения первой или первых канавок предпочтительно увеличивают по отношению к следующим канавкам (то есть группы канавок, расположенной на входе, относительно другой или других канавок, расположенных дальше к выходу).
Как правило, первая канавка на входе имеет площадь сечения, превышающую площадь сечения всех других канавок. Вместе с тем, изобретение предусматривает также вариант выполнения, в котором кожух содержит, от входа к выходу, две канавки с одинаковой площадью сечения, затем две канавки с меньшей площадью сечения и так далее. Согласно изобретению, можно рассматривать все варианты площадей сечения канавок при условии, чтобы площадь сечения окружных канавок уменьшалась от входа к выходу, от первой канавки к последней канавке. Это уменьшение может быть равномерным, например, когда уменьшение площади сечения канавок от входа к выходу является линейным. В другом варианте выполнения уменьшение площади сечения канавок может быть также ступенчатым.
Следует отметить, что рассматриваемые канавки являются канавками, расположенными по существу напротив лопаток рабочего колеса, независимо от формы кожуха на входе и на выходе рабочего колеса.
Согласно варианту выполнения, каждая из канавок проходит по существу в плоскости, перпендикулярной оси кожуха.
Согласно варианту выполнения, глубина первой из окружных канавок превышает глубину следующих канавок, находящихся дальше к выходу.
Согласно варианту выполнения, глубина окружных канавок уменьшается от входа к выходу.
Предпочтительно, уменьшение глубины окружных канавок является линейным.
Согласно варианту выполнения, ширина первой из окружных канавок превышает ширину следующих канавок, находящихся дальше к выходу.
Согласно варианту выполнения, ширина окружных канавок уменьшается от входа к выходу вдоль оси кожуха.
Согласно изобретению, различные вышеописанные варианты выполнения позволяют одновременно оптимизировать кпд рабочего колеса и увеличить запас по помпажу, используя различные параметры, которые можно, таким образом, оптимизировать в зависимости от других требований, учитываемых при проектировании ступени подвижных колес.
Согласно варианту выполнения, между двумя последовательными канавками кожух содержит по существу цилиндрические соединительные поверхности, и диаметр соединительных поверхностей по существу равен среднему значению внутренних диаметров кожуха, измеренных соответственно перед канавками и за канавками.
Благодаря этому отличительному признаку, поток на уровне зазора между концами лопаток и кожухом проходит, если исключить канавки, в пространстве, диаметр которого меняется равномерно, что позволяет ограничить нежелательные завихрения.
Вторым объектом настоящего изобретения является турбомашина повышенной производительности, характеризующаяся большим запасом по помпажу.
Этого результата достигают за счет того, что турбомашина содержит рабочее колесо и описанный выше кожух. Таким образом, оптимизируют характеристики турбомашины, которая отличается оптимизированным кпд и увеличенным запасом по помпажу.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта выполнения, представленного в качестве неограничивающего примера. Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в перспективе рабочего колеса для турбомашины, содержащего кожух в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг.2 - вид в осевом разрезе рабочего колеса, показанного на фиг.1, с иллюстрацией выполнения кожуха в соответствии с настоящим изобретением.
Далее со ссылками на фиг.1 следует описание кожуха для рабочего колеса в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1 показано рабочее колесо 100. Рабочее колесо 100 в основном содержит роторный диск 30 и лопатки 20, которые вращаются вокруг оси F внутри статора, образованного неподвижным кожухом 10. В рабочем колесе роторный диск 30 имеет форму кольца, предназначенного для крепления на нем и приведения во вращение лопаток 20. Как правило, лопатки закреплены на роторном диске своими хвостовиками при помощи креплений, выполненных в виде шпильки или имеющих «елочную» конфигурацию. Таким образом, каждая из лопаток содержит хвостовик, полку 22, которая образует внутреннюю часть сечения прохождения потока, и аэродинамический профиль 23. Лопатки можно выполнять из того же блока материала, что и роторный диск, и в этом случае говорят о моноблочном лопаточном диске. Поток проходит по существу вдоль оси F рабочего колеса в межлопаточные каналы, расположенные между аэродинамическими профилями 23 различных лопаток. В радиальном направлении поток проходит между полками 22 лопаток и внутри кожуха 10 рабочего колеса. Каждая лопатка содержит аэродинамический профиль 23, ориентированный по существу в радиальном направлении. Хвостовик лопатки расположен ближе к центру рабочего колеса, тогда как профиль 23 направлен наружу. Таким образом, во время вращения рабочего колеса конец профиля 23 перемещается с высокой скоростью вблизи неподвижного кожуха 10. Для обеспечения эффективности рабочего колеса важную роль играет контроль за зазором В1, В2 между концом лопатки и внутренней стенкой кожуха. Таким образом, необходимо стремиться уменьшить этот зазор. Этот зазор будет описан подробнее со ссылками на фиг.2.
На фиг.2, где представлен вид в разрезе, показан конец лопатки 20 напротив кожуха 10. Для обеспечения относительного вращения лопатки 20 по отношению к кожуху 10 между лопаткой и кожухом оставляют зазор. В представленном примере этот зазор имеет значение В1 на входе лопатки и значение В2 на выходе лопатки. На фиг.2 показаны сечения трех радиальных или по существу радиальных канавок 11, 12 и 13. Эти три канавки находятся напротив конца лопатки 20; и они могут частично проходить перед или за этим концом. Канавки 11, 12 и 13 являются результатом обработки кожуха, целью которой является увеличение запаса по помпажу в турбомашине, частью которого является рабочее колесо, с одновременным обеспечением оптимального кпд рабочего колеса. Для решения этой задачи, согласно изобретению, выполняют канавки 11, 12, 13, соответствующие площади S1, S2, S3 сечения которых уменьшаются от входа к выходу. Канавки 11, 12 и 13 являются радиальными круговыми канавками, проходящими по всему кожуху в плоскости, перпендикулярной к его оси F. Площади S1, S2, S3 уменьшаются линейно. Это уменьшение площадей сечения канавок от входа к выходу, а также превышение площади сечения первой канавки по отношению к следующим получают путем изменения одновременно ширины канавок, а также их глубины.
Таким образом, первая канавка имеет наибольшую глубину D1, измеренную вдоль оси F кожуха, а также наибольшую глубину Е1, измеренную в радиальном направлении. Аналогично, глубина канавок линейно уменьшается от входа к выходу между тремя канавками 11, 12, 13, которые имеют, таким образом, линейно уменьшающиеся глубины Е1, Е2, Е3; точно так же, значения ширины D1, D2 и D3 трех канавок, измеренные вдоль оси F кожуха, линейно уменьшаются от входа к выходу.
Для минимизации завихрений, возникающих между концом лопатки 20 и стенкой кожуха 10, зазоры между концом лопатки и внутренней стенкой 15 кожуха 10 равномерно меняются от входа к выходу рабочего колеса.
Начиная от конца лопатки, в направлении от входа к выходу, этими зазорами являются первый зазор В1 до внутренней стенки 15 кожуха, зазор С1 до поверхности 16 соединения между канавками 11 и 12, зазор С2 до поверхности 17 соединения между канавками 12 и 13 и, наконец, зазор В2 до внутренней стенки 15 кожуха (при этом зазор напротив канавок 11, 12 И 13 не рассматривается).
Для обеспечения равномерного прохождения потока без завихрений через рабочее колесо вблизи радиально наружных концов рабочих лопаток зазоры В1, С1, С2 и В2 должны иметь близкие значения. Соответственно, можно также отметить, что соединительные поверхности 16 и 17 между канавками являются по существу цилиндрическими и имеют диаметры, по существу равные среднему диаметру между входным диаметром А1, измеренным на входе лопатки 20, и диаметром А2, измеренным на ее выходе.
Канавки 11, 12, 13, показанные на фиг.2, проходят в радиальном направлении, то есть каждая из них находится по существу в плоскости, перпендикулярной оси кожуха. Согласно варианту, эти канавки могут быть также наклонными, то есть канавки выполнены не перпендикулярно внутренней стенке 15 кожуха, а под углом либо в направлении входа, либо в направлении выхода рабочего колеса.
Кроме того, на практике глубина Е1 канавок обычно меняется на значение от половины среднего зазора до его тридцатикратного значения, при этом данный средний зазор измеряют между концом лопатки 20 и внутренней стенкой 15 кожуха. С другой стороны, обычно глубина, площадь и/или ширина канавки делится на значение от двух до пяти между первой канавкой на входе обработанной части кожуха и последней канавкой на выходе обработанной части кожуха.
Наконец, вариант выполнения, показанный на фиг.2, содержит три канавки, площадь сечения которых равномерно уменьшается. Можно предусмотреть и другие варианты выполнения. В частности, вместо равномерного уменьшения этих площадей сечения можно предусмотреть первую группу канавок на входе, имеющих одинаковую площадь сечения, которая будет превышать общую площадь сечения для других канавок, расположенных ближе к выходу.