РАБОЧЕЕ КОЛЕСО ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2002 года по МПК F04D29/28 

Изобретение относится к области компрессоростроения, а именно к рабочим колесам центробежных компрессоров с регулируемыми лопатками.

Известно рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее несущий диск, закрепленные на его периферии лопатки и регулирующий элемент. При этом последний выполнен в виде закрепленного на диске кольца с упругими лепестками, отогнутыми от диска и расположенными перед входными кромками лопаток. Кольцо установлено в паз диска заподлицо с его поверхностью.

При частотах вращения, близких к расчетным, лепестки под действием центробежных сил прижимаются к диску и входят в паз. При этом кольцо не оказывает влияния на течение рабочего тела через колесо.

С уменьшением частоты вращения величина центробежных сил, действующих на лепестки кольца, снижается, а лепестки за счет своей упругости отклоняются от диска, воздействуя тем самым на поток рабочего колеса.

Таким образом, в соответствии с изменением режима работы происходит саморегулирование компрессора за счет упругости регулирующего элемента [1].

Известно также рабочее колесо центробежного вентилятора, содержащее несущий и покрывной диски, размещенные между ними лопатки, состоящие из жесткого предкрылка и эластичного закрылка, намотанного на установленную в дисках вращающуюся ось и закрепленного на ней одним концом.

При работе вентилятора под действием центробежной силы эластичный закрылок разматывается с оси. Полному разматыванию эластичного закрылка препятствует пружина. При максимальной частоте вращения эластичный закрылок размотан полностью и имеет максимальную длину. Изобретение позволяет расширить диапазон регулирования производительности вентилятора [3].

Известна также лопатка вентилятора, содержащая жесткую профильную часть и закрепленный на ней одним концом гибкий элемент, приводимый от барабана, расположенного в жесткой профильной части. Такое выполнение лопатки позволяет обеспечить бесступенчатое регулирование производительности при работе вентилятора [2].

В качестве прототипа выбрана традиционная конструкция рабочего колеса центробежного компрессора с лопатками традиционной (жесткой) конструкции. В зависимости от наличия покрывного и основного диска различают рабочие колеса закрытого, полуоткрытого и открытого типа [5].

Недостатками вышеизложенных центробежных компрессоров являются их громоздкость, сложность, а в связи с этим утяжеление конструкции и уменьшение их надежности.

Цель предлагаемого изобретения - увеличить КПД, давление на выходе колеса компрессора, расширить зону устойчивой работы, уменьшить массу, снизить стоимость и повысить надежность компрессора.

Для достижения поставленной цели предлагается рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее несущий и покрывной диски, закрепленные между ними лопатки, отличающееся тем, что лопатки выполнены из тонкого, гибкого листового материала повышенной прочности, имеют плоскую форму и каждая закреплена своей передней частью жестко к предкрылку, являющемуся частью ступицы рабочего колеса компрессора, или шарнирно посредством оси, установленной в его ступице. Наличие покрывного и основного дисков необязательно и в зависимости от их использования возможна конструкция рабочего колеса закрытого, полуоткрытого и открытого типа.

На фиг. 1 изображено рабочее колесо компрессора с лопатками, закрепленными к ступице с помощью оси, поперечный разрез; на фиг.2 - рабочее колесо компрессора с лопатками, жестко закрепленными к предкрылкам ступицы, поперечный разрез; на фиг. 4 - положение лопаток колеса при его рабочем режиме (лопатки принимают рабочее положение под воздействием центробежных сил); на фиг. 3 - положение лопаток, сложенных под действием сил давления со стороны рабочего тела (данный режим наблюдается при начале раскручивания колеса компрессора).

Рабочее колесо центробежного компрессора содержит несущий диск 1, покрывной диск 2 и размещенные между ними лопатки 3, закрепленные своей передней частью к ступице 4 с помощью оси 5 либо жестко закрепленные к предкрылку 6, являющемуся частью ступицы.

При раскручивании колеса компрессора лопатки под действием центробежных сил будут отклоняться, стремясь принять форму радиальных лучей (фиг.4), а под действием сил давления со стороны рабочего тела (газа или жидкости) будут стремиться прижаться друг к другу (фиг.3). В результате при некотором значении числа оборотов колеса и параметров рабочего тела (плотность, вязкость, объемный расход и т.д.) лопатки примут форму и положение, оптимальное для получения сжатого газа. Причем в предлагаемой конструкции распределение давления по длине лопатки легко обеспечить линейно возрастающим, что считается наиболее оптимальным вариантом [4], используя лопатки из материала постоянной толщины.

Если изменится расход газа, то изменится и распределение давления на лопатках колеса, что приведет к изменению формы лопатки, т.е. лопатка будет стремиться принять наиболее оптимальную форму для обтекания, что уменьшит потери. Будет происходить автоматическое регулирование угла выхода лопаток.

Конструкция предлагаемого центробежного компрессора легка и проста в изготовлении.

Использование гибких лопаток позволяет осуществить автоматическое саморегулирование компрессора.

Благодаря тому, что лопатки выполнены из листового тонкого материала (ленты) их прочность будет выше, чем у цельных лопаток, выполненных из аналогичного материала (аналогично повышенной прочности ленточных супермаховиков Н.В.Гулиа [6] по сравнению с маховиками традиционной конструкции), что позволяет повысить окружные скорости и давление на выходе компрессора.

Благодаря тому, что лопатки могут быть изготовлены из более прочных материалов, можно значительно повысить окружные скорости, а значит, и напор, получаемый в одной ступени компрессора.

Поскольку лопатки - части колеса компрессора, работающие на наибольших линейных скоростях, то и вероятность отрыва наибольшая именно у них. Однако поскольку вероятность одновременного отрыва двух и более лопаток невелика, а масса одной лопатки значительно меньше по сравнению с их массой в рабочих колесах центробежных компрессоров традиционной конструкции, то и вероятность разрушения корпуса компрессора при отрыве лопатки будет небольшой. Этот положительный фактор позволяет приблизить рабочую окружную скорость рабочего колеса к максимально возможной, при которой происходит разрушение компрессора, что также увеличивает давление рабочего тела, получаемое в компрессоре.

В предлагаемой конструкции резко снижается вероятность разрушения компрессора в режиме помпажа, который характеризуется возвратно-поступательными движениями рабочего тела при уменьшении расхода газа (или жидкости). Поскольку лопатки рабочего колеса могут изгибаться, то при возникновении помпажа колебания газа внутри компрессора не будут приводить к неизбежным разрушениям конструкции. Благодаря устойчивости компрессора к режиму помпажа появляется возможность расширить диапазон расходов, на которых может устойчиво работать компрессор.

Источники информации
1. Описание изобретения SU 1199978 А, кл. МПК F 04 D 29/28, 1973 г.

2. Описание изобретения SU 1390440 А1, кл. МПК F 04 D 29/28, 1979 г.

3. Описание изобретения SU 1481483 А1, кл. МПК F 04 D 29/28, 1983 г.

4. Стрижак Л. Я. Исследование влияния формы межлопаточных каналов ц.б. колеса на его характеристики. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Л., ЛПИ им. Калинина, 1968 г., 15 стр.

5. Селезнев К.П., Галеркин Ю.Б. и др. Теория и расчет турбокомпрессоров: Учеб. пособие для студентов машиностроительных специальностей. Л.: Машиностроение, 1986 г., 178 стр.

6. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980 г., 74 стр.

Изобретение предназначено для использования в компрессоростроении. Компрессор содержит лопатки. Последние выполнены из гибкого листового материала повышенной прочности. Лопатки имеют плоскую форму. Каждая лопатка закреплена своей передней частью жестко к предкрылку. Последний является частью ступицы рабочего колеса компрессора. Лопатки могут закрепляться шарнирно посредством оси. Последняя установлена в ступице рабочего колеса компрессора. Обеспечивается увеличение КПД, снижение стоимости и повышение надежности компрессора. 4 ил.

Рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее несущий и покрывной диски, закрепленные между ними рабочие лопатки, отличающееся тем, что лопатки выполнены из гибкого листового материала повышенной прочности, имеют плоскую форму и каждая закреплена своей передней частью жестко к предкрылку, являющемуся частью ступицы рабочего колеса компрессора, или шарнирно, посредством оси, установленной в его ступице.