РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА
IMPELLER OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR

Предлагаемое изобретение относится к области компрессорного машиностроения, в частности к конструкции рабочих колес, и может быть использовано при изготовлении самих рабочих колес или центробежных компрессоров, осуществляющих термогазодинамические процессы, основанные на сжатии и перемещении газов.
Принципиальная схема известного центробежного компрессора (ЦК) включает: проточную часть, ступень, секцию, ротор и статор турбокомпрессора.
Проточная часть ЦК предназначена для изменения величины и направления скорости газа и включает всасывающую, промежуточную и концевую ступень. Всасывающая ступень включает в себя всасывающую камеру (ВК), рабочее колесо (РК), лопаточный или безлопаточный диффузор (ЛД или БЛД), поворотное колено (ПК), обратно-направляющий аппарат (ОНА). Промежуточная ступень включает: РК, ЛД или БЛД, ПК, ОНА. Концевая ступень вместо ПК и ОНА имеет выходное устройство (ВУ). В случае одноступенчатого нагнетания всасывающая ступень одновременно является и концевой.
Рабочие колеса центробежного компрессора состоят из диска, на котором выполнены лопатки, и могут быть покрыты еще одним диском. Газовый поток, выходя из ВК в осевом направлении и, совершая поворот от осевого к радиальному направлению в безлопаточном участке РК, попадает на лопатки РК, которые и передают механическую энергию газу при вращении ротора.
На выходе из РК газ имеет кинетическую энергию. Для преобразования кинетической энергии в потенциальную служит диффузор (Д), где происходит торможение потока за счет увеличения площади канала и, как следствие, увеличение давления газа. Д может быть лопаточным или безлопаточным. Однако даже в случае ЛД перед ним имеется короткий безлопаточный участок, называемый иногда БЛД, для выравнивания потока перед входом на лопатки ЛД.
Для того чтобы подвести газовый поток к всасывающему отверстию РК следующей ступени, необходимо развернуть поток на 180°, движущийся при выходе из диффузора от центра к периферии, а затем придать ему осевое направление. Для этих целей служит поворотное колено (ПК), представляющее собой, как правило, безлопаточный канал (БК) и обратно-направляющий аппарат (ОНА) - лопаточный аппарат. Требованием к этим элементам является сохранение по возможности постоянной скорости газа с наименьшими потерями энергии.
Концевая ступень заканчивается выходным устройством (ВУ), в качестве которого могут применяться улитки (с переменным по углу разворота поперечным сечением) или сборные камеры, в которых сечение постоянно по углу разворота. ВУ собирает поток, выходящий из ЛД (БЛД) в радиальном направлении, и направляет его в нагнетательный патрубок. Кроме того, в ВУ (обычно в улитках) поток газа может дополнительно тормозиться (А.Д.Ваняшов. Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия. Конспект лекций. Федеральное агенство по образованию, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет», Омск-2007, с.8-12, рис.1.5).
Как видно из наведенного в данном источнике информации рисунка 1.5., внутренняя поверхность основного диска выполнена в виде радиальной плоскости, а внутренняя поверхность покрывного диска выполнена конической с прямолинейной образующей с углом у вершины. Меридиальная плоскость межлопаточного канала (МЛК), сформированного такими внутренними поверхностями дисков, ассиметрична относительно оси действия центробежных сил и оси безлопаточного и лопаточного диффузоров.
Наиболее близким техническим решением по назначению и достигаемому результату к заявляемому изобретению является рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее основной диск с лопатками; закрепленный на торцевых поверхностях лопаток покрывной диск, внутренняя поверхность которого выполнена конической с прямолинейной образующей конуса; и, сформированный внутренними поверхностями основного и покрывного дисков, межлопаточный канал.
2
Причем внутренняя поверхность основного диска выполнена в виде радиальной плоскости, а внутренняя поверхность конического покрывного диска с прямолинейной образующей выполнена с углом у вершины конуса, равным 180°-2α; меридиальная плоскость межлопаточного канала ассиметрична относительно оси действия центробежных сил и оси лопаточного диффузора, а наружный диаметр D рабочего колеса равен наружному диаметру лопаток (Решение о выдаче патента Украины на полезную модель по заявке № u 2011 10982 от 13.09.2011 г.).
Известное рабочее колесо, как и предыдущее, имеет недостаточно высокие энергетические характеристики: расход, напор и КПД ступени. Также при работе с ним имеют место пульсация и завихрения на выходе потока газа.
Это обусловлено тем, что в процессе работы подобных РК поток газа, протекающий в меридиальной плоскости канала рабочего колеса, имеет ассиметричный характер относительно оси действия центробежных сил и оси лопаточного диффузора. Данное обстоятельство приводит к тому, что часть газа, движущаяся вдоль покрывного диска, попадает в диффузор под углом, близким к α, и создает вихрь с отрывом потока из-за снижения касательных напряжений до нуля (см. Фиг.1, на которой показаны: основной диск 1, покрывной диск 2, межлопаточный канал 3 и диффузор 4).
Подобная структура потока на выходе из РК оказывает существенное негативное влияние на характер течения и энергетические характеристики. На Фиг.1 показана несимметричная картина возникновения вихревой зоны и отрыв потока, которые препятствуют диффузным процессам и снижают напорные и расходные характеристики ступени.
Кроме этого непосредственная близость лопаток РК к ЛД создает дискретность в процессе подачи газа из РК и, как следствие, пульсацию потока. В свою очередь пульсирующий поток создает высокочастотные колебания ступени (равные числу оборотов ротора умноженному на число лопаток РК), которые при определенных условиях выходят за рамки допустимых.
Приведенные ниже математические исследования заявителей показали необходимость применения конического покрывного диска в подобных РК с углом конуса у вершины, равным 180°-2α.
1
2
Исследования заявителей основаны на том, что необходимость применения конического покрывного диска обуславливается линейно-переменной высотой лопаток от параметра b до параметра b.
Принятые сокращения и обозначения:
ЦК - центробежный компрессор:
РК - рабочее колесо;
БЛД - безлопаточный диффузор;
ЛД - лопаточный диффузор;
ПЧ - проточная часть ЦК;
МЛК - межлопаточный канал;
0
D- диаметр всасывающей кромки покрывного диска;
1
D - внутренний диаметр лопаток;
2
D - наружный диаметр лопаток;
3
D - наружный диаметр РК;
d
D - диаметр диффузора;
вт
D - диаметр посадки РК на вал;
Сечение 0-0 - площадь сечения канала на входе в РК;
Сечение 1-1 - площадь сечения канала на входе в МЛК;
Сечение 2-2 - площадь сечения канала на выходе из МЛК;
1
b - высота лопатки со стороны входа газа;
2
b - высота лопатки со стороны выхода газа;
2
φ - коэффициент расхода;
р
Ф - условный коэффициент расхода;
2
ε - плотность газа на выходе из РК;
2
α - угол потока в абсолютном движении;
2
β - угол потока в относительном движении;
т
ψ - коэффициент напора;
2
c - абсолютная скорость потока на выходе из РК;
2
w - относительная скорость потока на выходе из РК;
1
w - относительная скорость потока на входе РК;
F
K - отношение площадей канала в сечениях 0-0 и 1-1;
D
1
0
K - отношение диаметров D/D;
n - число оборотов ротора;
z - число лопаток РК.
1
Начальная высота лопаток b определяется из условия аэродинамически оптимального входа газа в РК и составляет величину
<mrow><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>D</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>K</mi><mi>D</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><mo>−</mo><msubsup><mi>D</mi><mrow><mi>B</mi><mi>T</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mn>4</mn><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>K</mi><mi>F</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
Выбор высоты лопаток на выходе из РК b, при заданном значении коэффициента теоретического напора приводит к трансформации треугольника скоростей, показаной на Фиг.2.
2
На Фиг.2 показаны: выходные треугольники скоростей варианта рабочего колеса с меньшим (сплошные линии) и с большим значением параметра b (штриховые линии)
Отсюда следует:
3
- коэффициент расхода тем больше, чем меньше b
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
- углы выхода потока в абсолютном и относительном движении тем больше, чем меньше b
<mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ψ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>T</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
- скорость потока и соответствующая им кинетическая энергия на выходе из РК тем больше, чем меньше b
<mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ψ</mi><mi>T</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mi>w</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
2
- замедление потока в относительном движении тем слабее, чем меньше b
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>w</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>ϕ</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
2
Перечисленные обстоятельства в разной степени определяют выбор b, но все они должны приниматься во внимание.
2
Из вышеперечисленных соотношений вытекает следующая формула для вычисления b в зависимости от заданного замедления
<mrow><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mi>р</mi></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>ε</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub><mi>w</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ψ</mi><mi>T</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
В любом случае высота лопаток РК на выходе не должна превышать высоту лопаток на входе
1
2
b>b
Данное неравенство создает угол занижения высоты лопаток от входа газа к выходу
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mrow><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где L - длина лопатки. В связи с вышеизложенным покрывной диск РК изготавливается с углом конуса γ=180°-2α.
2
3
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования конструкции рабочего колеса центробежного компрессора, в котором путем изменения геометрической формы и параметра углов внутренних поверхностей основного и покрывного дисков, что, в свою очередь, обуславливает симметрию меридиальной плоскости канала рабочего колеса относительно оси действия центробежных сил и оси лопаточного диффузора, увеличение наружного диаметра рабочего колеса от D до D и создание на рабочем колесе подвижного безлопаточного диффузора, и обеспечивает возможность увеличения энергетических характеристик рабочего колеса: расхода, напора, КПД, уменьшение пульсаций и завихрений газового потока на выходе с рабочего колеса.
2
3
Поставленная задача решается тем, что в известном рабочем колесе центробежного компрессора? содержащем основной диск с лопатками; закрепленный на торцевых поверхностях лопаток покрывной диск, внутренняя поверхность которого выполнена конической с прямолинейной образующей конуса; и, сформированный внутренними поверхностями основного и покрывного дисков, межлопаточный канал, согласно предлагаемому изобретению внутренняя коническая поверхность покрывного диска выполнена с углом конуса у вершины, равным 180°-α, внутренняя поверхность основного диска также выполнена конической с прямолинейной образующей с углом конуса у вершины, равным 180°-α, чем достигается симметричность меридиальной плоскости межлопаточного канала, относительно оси действия центобежных сил и оси лопаточного диффузора, увеличение наружного диаметра рабочего колеса от D до D и создание на рабочем колесе подвижного безлопаточного диффузора.
Предлагаемое рабочее колесо ЦК представляет собой конструкцию, содержащую:
- основной диск с лопатками, внутренняя поверхность которого выполнена конической с прямолинейной образующей конуса с углом у вершины 180°-α;
- закрепленный на торцевых поверхностях лопаток покрывной диск, внутренняя поверхность которого выполнена конической с прямолинейной образующей конуса с углом у вершины 180°-α;
межлопаточный канал, сформированный внутренними поверхностями дисков;
- и, созданный на рабочем колесе, подвижный безлопаточный диффузор.
1
2
F
Сохраняя параметры высоты лопаток со стороны входа и выхода газа от параметра b до параметра b и отношения площадей канала K в сечениях 0-0 и 1-1 (на входе в РК и на входе в МЛК), заявители достигают симметрии газового потока в меридиальной плоскости канала РК относительно действия центробежных сил и оси БЛД и ЛД.
Наружный диаметр лопаток остается D2, а наружный диаметр РК увеличивается на величину (0,1-0,15) D2. Таким образом, наружный диаметр РК D3=(1,1-1,15) D2.
Между D2 и D3 образуется безлопаточный подвижный диффузор с углом раскрытия в пределах 1-1,5°, в котором кроме замедления потока происходит сглаживание пульсаций газа из-за отсутствия лопаток.
Предложенная конструкция РК позволяет достичь следующих положительных результатов:
- газ симметрично поступает в лопаточный диффузор без образования вихревых зон;
- угол раскрытия безлопаточного подвижного диффузора в пределах 1-1,5° создает дополнительные касательные напряжения на стенках лопаточного диффузора, что исключает срыв потока газа и интенсифицирует его торможение, что в свою очередь способствует более активному преобразованию кинетической энергии газа в потенциальную;
- увеличивается расход, напор газа и КПД ступени;
- снижается пульсация газа без изменения остальных параметров ступени.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении энергетических характеристик рабочего колеса: расхода, напора, КПД, уменьшении пульсаций и завихрений газового потока на выходе с рабочего колеса.
Предлагаемая конструкция РК поясняется Фиг.3.
На чертеже показаны: основной диск 1 с выфрезированными с ним заодно лопатками, покрывной диск 2, закрепленный на торцевых поверхностях лопаток, межлопаточный канал 3, безлопаточный подвижный диффузор 4 и лопаточный диффузор 5.
Внутренняя поверхность основного диска выполнена конической с прямолинейной образующей с утлом конуса у вершины 180°-α.
Внутренняя поверхность покрывного диска также выполнена конической с прямолинейной образующей с углом конуса у вершины 180°-α.
Меридиальная плоскость межлопаточного канала 3 симметрична оси действия центробежных сил и оси безлопаточного и лопаточного диффузоров 4, 5.
На Фиг.3 также показаны:
0
D - диаметр всасывающей кромки покрывного диска;
1
D - внутренний диаметр лопаток;
2
D - наружный диаметр лопаток;
3
D - наружный диаметр РК;
d
D - диаметр диффузора;
вт
D - диаметр посадки РК на вал;
Сечение 0-0 -площадь сечения канала на входе в РК;
Сечение 1-1 - площадь сечения канала на входе в МЛК;
Сечение 2-2 - площадь сечения канала на выходе из МЛК;
1
b - высота лопатки со стороны входа газа;
2
b - высота лопатки со стороны выхода газа;
Рабочее колесо центробежного компрессора работает следующим образом.
При вращении рабочего колеса лопатки воздействуют на перекачиваемый газ, в результате чего происходит приращение кинетической энергии газа с последующим переходом в безлопаточный подвижный 4 и лопаточный неподвижный 5 диффузор, в которых кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, то есть происходит приращение давления.