ТУРБОКОМПРЕССОР Российский патент 1995 года по МПК F04D27/02 

Предлагаемое изобретение относится к компрессоростроению, в частности к осевым, диагональным и осецентробежным компрессорам газотурбинных установок.

Известен центробежный компрессор, содержащий рабочее колесо и корпус с входным и выходными патрубками, причем на входном участке корпуса предусмотрена кольцевая полость, расположенная над торцевой кромкой лопаток и соединенная с проточной частью двумя смежными кольцевыми каналами, в каждом из которых расположены ребра, наклоненные в плоскости вращения в противоположных направлениях относительно радиуса.

Отличия в процессах сжатия газов и конструкций между центробежными и осевыми, диагональными или комбинированными компрессорами накладывают специфически требования к конструкции антисрывных надроторных устройств. По этой причине эффект от применения устройства, описанного выше не обеспечивает работоспособности многоступенчатого осевого компрессора и осецентробежного компрессора с осевыми первыми ступенями в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Известен осевой компрессор, содержащий корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками и расположенную над лопатками кольцевую полость, сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, расположенными в поперечном сечении под углом к радиусу корпуса.

Недостаток указанного решения состоит в том, что во избежание падения КПД компрессора возникает необходимость в дополнительном регулирующем устройстве в виде поворотного кольца, которое существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность.

Предлагаемое изобретение обеспечивает значительное расширение диапазона газодинамической устойчивости компрессора и аэроупругой устойчивости его лопаток при сохранении уровня КПД и обладает свойством саморегулируемости, благодаря чему не требует дополнительных управляемых устройств и значительно упрощает конструкцию.

Указанная задача решается тем, что в турбокомпрессоре, содержащем корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками и расположенную над лопатками кольцевую полость, сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, расположенными к радиусу корпуса под углом ϕ_r 30-50^о, решетка выполнена с отношением шага к ширине щелей, равном 1,5-2,0, отношение высоты радиальной проекции ребер к ширине щелей равно 1,1-1,8, осевая протяженность решетки составляет L 0,5-1,5 от осевой проекции хорды рабочей лопатки у периферии, а высота полости Н 0,2-0,5 от осевой протяженности решетки. Ребра расположены под определенным углом к направлению потока перед рабочим колесом, причем этот угол может быть выполнен и переменным, а угол наклона ребер к радиусу турбокомпрессора может быть выполнен постоянным по длине устройства.

На фиг. 1 представлена ступень турбокомпрессора, продольный разрез; на фиг. 2 предлагаемое надроторное устройство, поперечное сечение; на фиг. 3 вид по стрелке Б на фиг. 1.

В корпусе 1 над торцами лопаток рабочих колес 2 выполнено надроторное устройство, состоящее из кольцевой полости 3 и кольцевой решетки, образованной ребрами 4 и щелями 5 между ними, через решетку полость сообщается с проточной частью компрессора. Оси щелей 5 и ребер 4 наклонены в направлении вращения под углом ϕ_r к радиусу турбокомпрессора. Угол ϕ_r может быть выполнен и постоянным по длине устройства. По отношению к направлению потока перед рабочим колесом оси щелей и ребер также располагаются под некоторым углом ϕ_a. Углы ϕ_r и ϕ_a могут меняться по длине устройства и зависят от направления потока перед колесом, формы проточной части и других параметров ступени.

На оптимальных режимах течения в рабочем колесе и при повышенных расходах давление в передней части межлопаточного канала не превышает давления на периферии проточной части перед рабочим колесом и истечения воздуха из рабочего колеса в надроторное устройство не происходит. Напротив, при расходе воздуха, превышающем оптимальный, может происходить подсасывание воздуха через решетку и кольцевую полость в проточную часть рабочего колеса. При уменьшении расхода воздуха через турбокомпрессор повышение давления за ним или при локальном уменьшении скорости потока на периферии перед рабочим колесом возрастают углы атаки на его лопатках, давление в передней части межлопаточного канала возрастает и становится выше давления на периферии проточной части турбокомпрессора перед колесом. Под действием возникшего перепада давлений начинается истечение воздуха через щели надроторного устройства над рабочим колесом 2 в кольцевую полость 3, а из нее в проточную часть перед колесом. В результате этого процесса на периферии проточной части формируется циркуляционное течение, причем расход циркулирующего воздуха увеличивается по мере увеличения противодавления за рабочим колесом, в результате чего углы атаки на лопатках мало меняются. Интенсификации циркуляционного течения способствует использование решетки с наклоном щелей в поперечном сечении в направлении вращения и над рабочим колесом и перед ним. Это происходит благодаря тому, что при истечении воздуха из кольцевой полости через щели в проточную часть перед рабочим колесом он приобретает закрутку в направлении, противоположном направлению вращения колеса, что увеличивает подсасывающую способность периферийного участка рабочего колеса и повышает его напор. Таким образом кольцевая полость служит обводным каналом, по которому транспортируется обратный поток воздуха из рабочего колеса при повышении давления за ним выше некоторого максимального значения, не допуская выброса его непосредственно из колеса в проточную часть перед ним. Кроме того, кольцевая полость способствует выравниванию окружной неравномерности давления и препятствует формированию дискретных срывных зон, а также уменьшает пульсации потока, вызываемые пересечением щелей вращающимися лопатками. Высота полости выбирается в диапазоне Н 0,2-0,5 от осевой протяженности решетки. Уменьшение высоты полости Н ниже 0,2 приводит к уменьшению эффективности устройства, а увеличение Н больше 0,5 не повышает эффективности устройства и неоправданно увеличивает его радиальные габариты. Все геометрические параметры элементов надроторного устройства выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность устройства на предсрывных и срывных режимах и не допускать снижения КПД на оптимальных режимах течения. Так с целью уменьшения потерь при истечении воздуха из рабочего колеса в кольцевую полость угол ϕ_r рассчитывается по параметрам потока на периферии рабочего колеса таким образом, чтобы он был близок к направлению потока в поперечном сечении, т.е. ϕ_r= arctg и при реальных параметрах ступеней не выходит из указанные пределы 30-50^о. Выход его за верхнюю границу указанного диапазона 50^о увеличивает потери при истечении из рабочего колеса в кольцевую полость, а уменьшение ниже 30^о увеличивает потери при вытекании воздуха из кольцевой полости в проточную часть перед рабочим колесом. С этой же целью отношение шага решетки t к ширине щели δ_щвыбирается в пределах 1,5-2,0. Уменьшение этого отношения за указанные пределы приводит к необходимости либо уменьшения толщины ребер и их прочности при воздействии периодических нагрузок, либо к чрезмерному увеличению радиальной протяженности ребер и всего устройства в целом. Превышение этих пределов приводит к уменьшению коэффициентов истечения воздуха из рабочего колеса в кольцевую полость и, следовательно, эффективности устройства. Радиальная протяженность ребер и ее отношение к ширине щелей должно быть в пределах 1,1-1,8. Выход за нижнюю границу приводит к уменьшению густоты решетки, даже нижний предел целесообразно использовать только при малых значениях ϕ_r. Увеличение этого соотношения нецелесообразно, так как приводит к увеличению потерь трения при истечениях. Осевая протяженность решетки L может меняться в пределах от 0,5-1,5 от осевой проекции хорды периферийного сечения. Внутри этого диапазона она в большой степени зависит от напорности ступени и удлинения ее лопаток. Уменьшение L ниже значения 0,5 приводит к ухудшению эффективности устройства, а увеличение сверх 1,5 возможно только за счет участка, расположенного над проточной частью перед рабочим колесом, не повышает эффективности и конструктивно ограничивается предшествующими элементами турбокомпрессора.

Все указанные соотношения геометрических параметров связаны между собой и с аэродинамическими характеристиками ступеней, в частности с числом маха в относительном движении. Поэтому выбор параметров устройств в указанных пределах производится по результатам аэродинамических расчетов и с учетом конструктивных и технологических особенностей турбокомпрессоров.

Использование: в компрессоростроении, в частности в осевых и диагональных компрессорах газотурбинных установок. Сущность изобретения: над рабочими кромками лопаток рабочего колеса выполнена кольцевая замкнутая полость, сообщающаяся с проточной частью компрессора через каналы решетки, образованной прорезями и пластинами. При образовании перепада давления между участками над входными кромками лопаток рабочего колеса и перед ними поток из области над колесом через прорези устремляется в кольцевую полость, а оттуда в проточную часть компрессора уже перед колесом. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ТУРБОКОМПРЕССОР, содержащий корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками и расположенную над лопатками кольцевую полость, сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, расположенными в поперечном сечении под углом к радиусу корпуса, отличающийся тем, что угол наклона ребер в поперечном сечении к радиусу корпуса равен 30 50^o, решетка выполнена с отношением шага к ширине щелей 1,5 2,0, высоты радиальной проекции ребер к ширине щелей 1,1 - 1,8, осевая протяженность решетки составляет 0,5 1,5 осевой проекции хорды рабочей лопатки у периферии, а высота полости 0,2 0,5 осевой протяженности решетки. 2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что ребра расположены под углом к направлению потока рабочего тела. 3. Турбокомпрессор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол наклона ребер к направлению потока рабочего тела выполнен переменным по длине щели. 4. Турбокомпрессор по пп.1 3, отличающийся тем, что угол наклона ребер в поперечном сечении к радиусу выполнен одинаковым по длине камеры. 5. Турбокомпрессор по пп.1- 4, отличающийся тем, что он выполнен осевого типа. 6. Турбокомпрессор по пп.1 4, отличающийся тем, что выполнен диагонального типа.