ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР СО СТАБИЛИЗИРУЮЩИМ ПОТОК КОРПУСОМ Российский патент 1998 года по МПК F04D17/08 F04D27/02 

Изобретение относится к области центробежных компрессоров. Оно касается центробежного компрессора со стабилизирующим поток корпусом, содержащего установленное с возможностью вращения вокруг оси рабочее колесо со ступицей, по окружности которой расположены рабочие лопатки, охватывающий рабочее колесо корпус, который по своему внутреннему контуру соответствует внешнему контуру рабочих лопаток и вместе со ступицей образует проточный канал, проходящий между осевым впускным отверстием и радиальным выпускным отверстием, и, проходящие во входной зоне проточного канала в направлении потока, удлиненные стабилизирующие шлицы, которые выполнены в корпусе от его внутреннего контура и распределены по внутренней периферии корпуса.

Такой центробежный компрессор известен, например, из патента США N 4 212 585.

У центробежных компрессоров стабильный рабочий диапазон при сильном дросселировании ограничен в сторону меньших объемных потоков так называемой "границей помпажа". По другую сторону этой границы надежная работа компрессора больше невозможна. За счет неустановившегося тогда потока дополнительно возникают очень высокие механические нагрузки на все детали, которые могут привести к повреждению компрессора или даже к его поломке.

Для многих областей применения большой интерес представляет смещение границы помпажа центробежного компрессора в сторону меньших объемных потоков с тем, чтобы расширить стабильный рабочий диапазон компрессора. Предпосылкой этого является знание причин, вызывающих возникновение границы помпажа и определяющих ее положение.

В отношении нарушения стабильности потока имеются многочисленные экспериментальные и теоретические исследования. Большинство специалистов сходится в том, что рециркуляционное завихрение, возникающее при дросселировании компрессора в передней зоне рабочего колеса, в значительной мере участвует в возникновении помпажа. Все известные конструкции для смещения границы помпажа направлены поэтому на подавление этого завихрения или воздействие на него.

Решение, называемое "Casing Treatment", описано в упомянутом выше патенте США. Оно отличается, согласно схематичному изображению на фиг. 1, выполненными в корпусе 4 компрессора узкими стабилизирующими шлицами 5. Они начинаются у входных кромок 6 рабочих лопаток 3 рабочего колеса 2 или даже чуть перед ними в направлении потока, расположены с наклоном в направлении вращения колеса 2 и частично наискось к оси 7. В сечении шлицы имеют прямоугольную форму, причем передняя 5a и задняя 5c стенки приблизительно перпендикулярны оси 7.

В известной конструкции смещение границы помпажа происходит прежде всего в верхнем диапазоне поля характеристик компрессора. При низкой частоте вращения с этой формой "Casing Treatment" улучшений не достигается. Напротив, здесь могут произойти даже ухудшения. Форма поэтому пригодна для компрессоров, эксплуатируемых с частотой вращения, лишь незначительно колеблющейся вокруг номинального значения. Для компрессоров, работающих с сильно изменяющейся частотой вращения, например, компрессоров в газотурбонагнетателях, эта форма "Casing Treatment" непригодна из-за упомянутых проблем стабильности при низкой частоте вращения.

Задача изобретения состоит в создании центробежного компрессора со стабилизирующим поток корпусом, у которого во всем диапазоне поля характеристик граница помпажа смещена в сторону меньших объемных потоков.

Задача решается тем, что в компрессоре вышеупомянутого типа стабилизирующие шлицы расположены относительно рабочих лопаток так, что их обращенный к осевому впускному отверстию конец удален в направлении потока на заданный отрезок от входной кромки лопаток.

Сущность изобретения состоит в расположении стабилизирующих шлицев так, чтобы возникающие при сильном дросселировании рециркуляционные завихрения можно было гасить до их полного развития уже посредством шлицев.

Первая предпочтительная форме исполнения компрессора согласно изобретению отличается тем, что задний конец стабилизирующих шлицев лежит в зоне начинающегося отклонения от осевого набегающего потока в радиальный стекающий поток.

Благодаря этому обеспечивается попадание завихрений уже при их возникновении в зону влияния шлицев.

Вторая предпочтительная форма исполнения компрессора согласно изобретению отличается тем, что рабочие лопатки содержат главные лопатки, проходящие от осевого впускного отверстия к радиальному выпускному, и расположенные между ними более короткие промежуточные лопатки, начинающиеся лишь за осевым впускным отверстием, причем задний конец стабилизирующих шлицев лежит в зоне начала промежуточных лопаток. Благодаря этому преимущества предыдущей формы исполнения достигаются даже при рабочих колесах с лопатками разной длины.

Другие преимущества в отношении стабилизации достигаются в том случае, когда форма шлицев аэрогидродинамически соответствует отношениям в рециркуляционном завихрении. Согласно другой предпочтительной форме осуществления изобретения это достигается тем, что каждый стабилизирующий шлиц имеет проходящее прямо в направлении потока основание, которое ориентировано приблизительно по касательной к примыкающему внешнему контуру лопаток, каждый стабилизирующий шлиц ограничен на заднем конце задней стенкой, которая проходит более плоско, чем нормаль к внутреннему контуру корпуса, и образует с этой нормалью острый угол γ , а задняя стенка переходит с постоянной касательной в основание.

Другие формы исполнения следуют из зависимых пунктов формулы.

Изобретение подробнее поясняется ниже с помощью примеров его осуществления во взаимосвязи с фигурами, на которых изображают:
фиг. 1 - в схематичном виде сечение компрессора со стабилизирующим "Casing Treatment" согласно уровню техники;
фиг. 2 - первый предпочтительный пример исполнения компрессора со стабилизирующими шлицами согласно изобретению в аналогичном фиг. 1 изображении b (и в разрезе вдоль плоскости А-А (а) на фиг. 2b);
фиг. 3 - для сравнения с фиг. 2b второй предпочтительный пример исполнения с видоизмененной формой шлицев.

Для того, чтобы наглядно показать отличия от прежнего уровня техники, следует сначала кратко пояснить с помощью фиг. 1 этот уровень техники, вытекающий, в частности, из упомянутого выше патента США. Известный центробежный компрессор со стабилизирующим корпусом содержит установленное с возможностью вращения вокруг оси 7 рабочее колесо 2, которое несет на ступице 9 рабочие лопатки 3, расположенные на одинаковом угловом расстоянии по окружности ступицы 9. Колесо 2 размещено в корпусе 4 (на фиг. 1 показан в виде фрагмента), который имеет на внутренней стороне внутренний контур 4а, соответствующий внешнему контуру лопаток 3. Контур 4а и ступица 9 образуют проточный канал для сжимаемой среды, идущий от осевого впускного отверстия 10 к радиальному выпускному отверстию 11, причем среда отклоняется в средней зоне канала от осевого набегающего потока в радиальный стекающий поток.

Известное "Casing Treatment" содержит стабилизирующие шлицы 5, расположенные на одинаковом угловом расстоянии в зоне входной кромки 6 лопаток на внутренней периферии корпуса. Удлиненные в направлении оси 7 шлицы 5 имеют в основном прямоугольное сечение и ограничены на переднем и заднем концах соответственно передней 5a и задней 5c стенками, перпендикулярными оси 7. Стенка 5a расположена при этом перед входной кромкой 6. Внешнее в радиальном направлении ограничение образовано параллельным оси 7 основанием 5b.

Как уже упомянуто, стабилизирующее действие шлицев на внутренней стенке корпуса основано на оказании влияния на рециркуляционное завихрение в передней зоне колеса; завихрение смещается из колеса в шлицы и теряет тем самым свое слияние на главный поток. Как показывают новейшие экспериментальные исследования, завихрение не возникает непосредственно у входных кромок 6 лопаток колеса 2. Оно возникает за входными кромками 6 в зоне начала отклонения от осевого набегающего потока в радиальный стекающий поток или в зоне передних кромок промежуточных лопаток (если рабочие лопатки разделены на главные и промежуточные). Лишь при сильном дросселировании рециркуляционное завихрение возрастает до входных кромок 6, которые при разделении лопаток на более длинные главные и более короткие промежуточные являются одновременно входными кромками главных лопаток. Изображенная на фиг. 1 форма "Casing Treatment" может по этим причинам оказать влияние лишь на полностью развитое завихрение.

Однако у известного "Casing Treatment" не только начало шлицев у входной кромки 6 лопаток или перед ними не оптимально соответствует положению завихрения. То же относится и к форме шлицев в поперечном сечении: прямоугольная форма с перпендикулярными оси 7 передней 5a и задней 5c стенками не обеспечивает хороших предпосылок для попадания рециркуляционного завихрения в шлицы и его движения в них.

Для смещения границы помпажа во всем диапазоне частот вращения компрессора в сторону меньших объемных потоков необходимо поэтому, во-первых, оптимально подогнать положение стабилизирующих шлицев к положению и форме рециркуляционного завихрения. Во-вторых, должно быть возможно попадание в шлицы уже слабого, погашенного в момент возникновения завихрения. Для этого конфигурация шлицев должна быть такой формы, чтобы они имели по возможности небольшое гидравлическое сопротивление.

Первый предпочтительный вариант исполнения такого "Casing Treatment" изображен на фиг. 2. На фиг. 2b, сравниваемой с фиг. 1, одинаковые детали обозначены теми же позициями. Хотя это необязательно, в этом примере лопатки 3 разделены на более длинные главные лопатки 3a, проходящие от осевого впускного отверстия 10 к радиальному выпускному отверстию 11, и расположенные между ними более короткие промежуточные лопатки 3b со смещенной назад собственной передней кромкой 8. Стабилизирующие шлицы 5 изменены по сравнению с уровнем техники не только по положению, но и по форме. Они удалены своим обращенным к отверстию 10 передним концом, т.е. передней стенкой 5a, в направлении потока на заданный отрезок от входной кромки 6 лопаток 3.

Задний конец шлицев направлен в зону отклонения осевого набегающего потока в радиальный стекающий поток, что при изображении на фиг. 2b разделении лопаток 3 соответствует зоне непосредственно за передней кромкой 8 лопаток 3b. Специалист легко может найти оптимальное положение и длину шлицев путем расчетного или экспериментального определения положения и величины рециркуляционного завихрения. Как видно из изображенного на фиг. 2a /сечения по линии А-А на фиг. 2b/, шлицы могут быть дополнительно расположены с наклоном в направлении вращения колеса 2.

В дополнение к изменению положения и длины шлицев 5 по сравнению с уровнем техники изменена и их форма. В примере на фиг. 2b стенка 5a остается, правда, перпендикулярной оси 7. Однако проходящее прямо основание 5b уже не параллельно оси 7, а проходит приблизительно по касательной к примыкающему внешнему контуру лопаток 3 и, тем самым, к рециркуляционному завихрению. Кроме того, шлицы 5 ограничены на заднем конце задней стенкой 5c, которая проходит более полого, чем нормаль к внутреннему контуру 4a корпуса и образует с этой нормалью острый угол γ, величина которого зависит от определяемых отношений в завихрении. Наконец, гидродинамически не оптимальные прямые углы контура шлицев исключены за счет того, что стенки 5a, 5c шлицев переходят в основе 5b с постоянной касательной. Все описанные меры лучше влияют на рециркуляционное завихрение как на ранней стадии его возникновения, так и в целом, и стабилизируют его за пределами колеса 2.

В другом изображенном на фиг. 3 примере исполнения, при приблизительно неизменном положении по сравнению с примером на фиг. 2 форма шлицев упрощена. Задняя стенка здесь отсутствует. Основание 5b шлицев переходит на заднем конце клинообразно во внутренний контур 4a корпуса, что оказывает хорошее влияние на завихрение и упрощает изготовление шлицев.

В общем, благодаря изобретению создан центробежный компрессор, отличающийся значительным расширением стабильного рабочего диапазона в сторону меньших объемных потоков во всем диапазоне поля характеристик.

Центробежный компрессор предназначен для работы в широком диапазоне поля характеристик при смещении границы помпажа в сторону меньших объемных потоков. Корпус (4) вместе со ступицей (9) образует проточный канал, проходящий между осевым впускным отверстием (10) и радиальным выпускным отверстием (11). Проходящие во входной зоне проточного канала в направлении потока стабилизирующие шлицы (5) выполнены в корпусе (4) от его внутреннего контура (4а) и распределены по внутренней периферии корпуса (4). Для расширения стабильного рабочего диапазона в сторону меньших объемных потоков обращенный к осевому впускному отверстию (10) передний конец каждой шлицы (5) удален в направлении потока на заданный отрезок от входной кромки (6) лопаток. Шлицы (5) имеют форму, обеспечивающую незначительное гидравлическое сопротивление. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Центробежный компрессор со стабилизирующим поток корпусом, содержащий установленное с возможностью вращения вокруг оси 7 рабочее кресло 2 со ступицей 9, по окружности которой расположены рабочие лопатки 3, охватывающий рабочее колесо 2 корпус 4, который по своему внутреннему контуру 4а соответствует внешнему контуру рабочих лопаток 3 и вместе со ступицей 9 образует проточный канал, проходящий между осевым впускным отверстием 10 и радиальным выпускным отверстием 11, и проходящие во входной зоне проточного канала в направлении потока удлиненные стабилизирующие шлицы 5, которые выполнены в корпусе 4 от его внутреннего контура 4а и распределены по внутренней периферии корпуса 4, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 расположены относительно рабочих лопаток 3 так, что их обращенный к осевому впускному отверстию 10 передний конец удален в направлении потока на заданный отрезок от входной кромки 6 лопаток и контур шлицев имеет форму, обеспечивающую незначительное гидравлическое сопротивление. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что задний конец стабилизирующих шлицев 5 лежит в зоне начинающегося отклонения от осевого набегающего потока в радиальный стекающий поток. 3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что рабочие лопатки 3 содержат главные лопатки 3а, проходящие от осевого впускного отверстия 10 к радиальному выпускному отверстию 11, и расположенные между ними более короткие промежуточные лопатки 3b, начинающиеся за осевым впускным отверстием 10, а задний конец стабилизирующих шлицев 5 лежит в зоне начала промежуточных лопаток 3b. 4. Компрессор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 имеют проходящее прямо в направлении потока основание 5b, которое ориентировано, по существу, по касательной к примыкающему внешнему контуру рабочих лопаток 3. 5. Компрессор по п.4, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 ограничены на заднем конце задней стенкой 5c, которая проходит более полого, чем нормаль к внутреннему контуру 4а корпуса, и образует с этой нормалью острый угол γ. 6. Компрессор по п.5, отличающийся тем, что задняя стенка 5c переходит с постоянной касательной в основание 5b. 7. Компрессор по пп.1 - 3, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 имеют проходящее прямо в направлении потока основание 5b, которое на заднем конце шлица клинообразно переходит во внутренний контур 4а корпуса. 8. Компрессор по пп.1 - 7, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 ограничены на переднем конце передней стенкой 5а, которая переходит с постоянной касательной в проходящее прямо в направлении потока основание 5b. 9. Компрессор по пп.1 - 8, отличающийся тем, что стабилизирующие шлицы 5 расположены с наклоном в направлении вращения рабочего колеса 2.