ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2008 года по МПК F04D27/02 

Изобретение относится к центробежным компрессорам авиационных, транспортных и энергетических газотурбинных установок, в особенности к компрессорам авиационных вспомогательных газотурбинных двигателей, с регулированием расхода воздуха, обеспечивающем эффективную и устойчивую работу в широком диапазоне режимов.

Увеличение диапазона изменения расхода воздуха при сохранении устойчивой работы является важнейшим приоритетным направлением эксплуатационного совершенствования центробежных компрессоров, особенно высоконапорных.

Наиболее распространенным способом регулирования производительности центробежного компрессора является применение поворотных лопаток входного направляющего аппарата (ВНА), который описан в авторском свидетельстве №914815 от 16.06.1980 г.

Изменяя угол установки лопаток ВНА (внешним электрическим, гидравлическим или механическим приводом), регулируют расход воздуха и частично напор компрессора. Для уменьшения расхода воздуха и смещения границы устойчивой работы компрессора в сторону малых расходов воздуха лопатки ВНА поворачивают (прикрывают) в сторону увеличения закрутки абсолютного потока в направлении вращения центробежного колеса. Увеличение положительной закрутки абсолютного потока на входе в рабочее колесо снижает напор компрессора.

Недостатком данного технического решения является существенное прогрессивное снижение эффективности центробежного компрессора при уменьшении угла установки лопаток ВНА. Обтекание прикрытых лопаток ВНА происходит с большими углами атаки, равными углу поворота лопаток от расчетного положения, что приводит к срывному обтеканию лопаток. Появляется окружная неоднородность потока за входным направляющим аппаратом на входе в центробежное колесо.

В результате лопатки рабочего колеса и радиального диффузора обтекаются нестационарным потоком, снижается коэффициент полезного действия, возрастают вибрации машинной линии и ухудшаются акустические характеристики центробежного компрессора.

Кроме того, необходимость применения в конструкции центробежного компрессора дополнительного сложного узла поворотных лопаток входного направляющего аппарата и механизма его управления увеличивает число деталей, усложняет конструкцию изделия и повышает его стоимость. Дополнительно, конструкцию усложняет необходимость обогрева лопаток входного аппарата против их обледенения.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятому за прототип является «Центробежный компрессор (варианты) и способ регулирования центробежного компрессора», патент RU №2138692 от 05.06.96 г.

В указанном патенте описан центробежный компрессор, применяемый в холодильных установках, содержащий рабочее колесо и радиальный трубчатый диффузор. За трубчатым диффузором расположена сборная камера, а в покрывающей крышке, окружающей рабочее колесо, выполнена камера повышенного давления. Между сборной камерой и камерой повышенного давления на наружной поверхности радиального трубчатого диффузора установлен ряд специально спрофилированных лопаток, расположенных по окружности вокруг рабочего колеса. Эти лопатки образуют первую группу каналов, выпрямляющих поток, поступающий из сборной камеры в камеру повышенного давления. В периферийной части покрывной крышки рабочего колеса по окружности выполнен второй ряд лопаток, образующих каналы для ввода потока в проточную часть на выходе из рабочего колеса. Оба лопаточных венца в сочетании друг с другом служат для приведения скорости и направления потока приблизительно к скорости и направлению потока на выходе из колеса.

В связи с торможением потока в радиальном лопаточном диффузоре, статическое давление потока в диффузоре увеличивается от входа в лопаточный диффузор до выхода в сборную камеру. Под действием перепада статического давления часть потока рабочей среды из сборной камеры через первый лопаточный венец поступает в камеру повышенного давления. Из камеры повышенного давления через второй ряд выпрямляющих лопаточных каналов поток вводится в периферийный участок на выходе из работающего колеса перед входом в радиальный лопаточный диффузор. При этом обеспечивается циркуляция части рабочей среды из сборной камеры обратно на выход из рабочего колеса.

Компрессор содержит специальное управляющее устройство для регулирования интенсивности перетекания рабочей среды из сборной камеры в камеру повышенного давления. Устройство выполнено в виде цилиндрического кольца, соосного с осью компрессора и установленного перед выпрямляющими лопатками первого ряда.

Управляющее устройство содержит средства его привода, служащие для его применения от положения полностью открытого до положения полностью закрытого, когда перетекание потока из сборной камеры в камеру повышенного давления и далее в периферийную часть рабочего колеса полностью прекращается.

Регулируемое перетекание потока из сборной камеры в проточную часть компрессора позволяет поддерживать постоянный расход через радиальный диффузор по мере понижения расхода рабочей среды на выходе из компрессора, обеспечивая стабильную работу с исключением вероятности возникновения неустойчивой работы. Такой центробежный компрессор и способ его регулирования имеют недостатки, заключающиеся в существенном увеличении числа деталей компрессора, увеличении числа технологически сложных деталей, усложнении конструкции центробежного компрессора, низкой эффективности управляющего устройства и, наконец, существовании шаговой неравномерности по окружности потока, вдуваемого в выходной участок колеса.

Число деталей увеличено за счет применения двух дополнительных лопаточных венцов, установленных между сборной камерой повышенного давления и выходом из рабочего колеса. Лопаточные венцы являются технологически очень сложными узлами, имеющими тонкие профилированные изогнутые выпрямляющие лопатки.

На наружной поверхности покрывного диска рабочего колеса находится камера повышенного давления конструктивно, связанная с корпусом первого дополнительного лопаточного венца.

Управляющее устройство выполнено в виде кольца над верхней поверхностью первого выпрямляющего лопаточного венца и перемещаемого вдоль оси компрессора. Приводом кольца является реечная передача с электродвигателем. Такое устройство очень ненадежно в работе. Односторонний реечный привод может привести к перекосу регулирующего кольца и его заклиниванию в уплотнительных кольцах направляющих поверхностей. Особенно это свойственно высоконапорным центробежным компрессорам с высокой температурой рабочей среды и неравномерным нагревом конструктивных деталей. Второй дополнительный лопаточный венец, установленный в покрывной крышке на выходе из рабочего колеса, создает окружную неравномерность вдуваемого потока с шагом, равным числу лопаток дополнительного лопаточного венца z. Эта шаговая неравномерность оказывает силовое воздействие на периферийный участок выходной кромки лопатки рабочего колеса с частотой возбуждения z·n/60 герц, где n - частота вращения рабочего колеса, об/мин. При определенных условиях это возбуждение может привести к поломке выходной кромки рабочей лопатки. Потери полного давления в двух внешних выпрямляющих лопаточных венцах существенно снижают эффективность перетекания потока из сборной камеры компрессора в выходное сечение рабочего колеса.

Данный центробежный компрессор имеет очень большое число дополнительных деталей. Причем деталей повышенной сложности, таких как профилированные выпрямляющие лопаточные венцы, расположенные по внешней поверхности корпуса компрессора вокруг радиального диффузора и рабочего колеса. Фактически в рассмотренном компрессоре число лопаточных венцов удвоено.

В результате повышается трудоемкость изготовления центробежного компрессора и увеличивается масса компрессора. Усложнение конструкции компрессора снижает надежность эксплуатации и снижает ее эффективность. Возникает вероятность отрыва концов рабочих лопаток.

Задачей заявляемого технического решения является усовершенствование центробежных компрессоров авиационных газотурбинных двигателей, в первую очередь, авиационных вспомогательных газотурбинных установок, обеспечивающее получение нового качества, заключающегося в существенном расширении диапазона устойчивой работы за счет изменения расхода воздуха при постоянной частоте вращения рабочего колеса компрессора, при значительном сокращении числа деталей, упрощении конструкции и повышении надежности и безаварийной эксплуатации.

Технический результат достигается в заявляемом центробежном компрессоре, содержащем наружный корпус с размещенным в нем рабочим колесом с лопатками, радиальным безлопаточным диффузором, радиальным лопаточным диффузором и осевым спрямляющим аппаратом, причем согласно изобретению он содержит торообразную камеру перепуска воздуха, установленную на выходе из осевого спрямляющего аппарата, и торообразную камеру наддува воздуха, установленную на радиальном безлопаточном диффузоре перед радиальным лопаточным диффузором, при этом торообразная камера перепуска воздуха и торообразная камера наддува воздуха соединены воздушным трубопроводом.

Торообразная камера перепуска воздуха установлена на выходе из осевого спрямляющего аппарата на внешней поверхности наружного корпуса компрессора и сообщена с проточной частью компрессора через кольцевые щели, выполненные в наружном корпусе компрессора, причем кольцевые щели выполнены или сплошными круговыми, или в виде перфораций.

Торообразная камера наддува воздуха установлена на внешней поверхности наружного корпуса в безлопаточном диффузоре и сообщена с проточной частью компрессора через кольцевые щели, выполненные в наружном корпусе компрессора, причем кольцевые щели выполнены или сплошными круговыми, или в виде перфораций.

Торообразная камера перепуска воздуха и торообразная камера наддува воздуха связаны между собой по меньшей мере одним воздушным трубопроводом, имеющим заслонку(и), обеспечивающую регулирование воздушного потока в воздушном трубопроводе.

Таким образом, обеспечивается организация регулируемого перепуска воздуха из-за осевого спрямляющего аппарата в проточную часть радиального безлопаточного диффузора на входе в лопатки радиального лопаточного диффузора.

На фиг.1 представлена схема центробежного компрессора.

Центробежный компрессор на фиг.1 содержит центробежное рабочее колесо 1 с лопатками, радиальный безлопаточный диффузор 2, радиальный лопаточный диффузор 3, осевой спрямляющий аппарат 4, торообразную камеру 5 перепуска воздуха, торообразную камеру 6 наддува воздуха, воздушный трубопровод 7, связывающий торообразную камеру 5 перепуска воздуха и торообразную камеру 6 наддува воздуха и содержащий регулируемую заслонку 8 с электрическим или механическим приводом 12.

Торообразная камера 5 перепуска воздуха кольцевыми щелями 9 в наружном корпусе 10 компрессора сообщается с его проточной частью за осевым спрямляющим аппаратом 4.

Торообразная камера 6 наддува воздуха кольцевыми щелями 11 в наружном корпусе 10 компрессора сообщается с его проточной частью в радиальном безлопаточном диффузоре 2.

Кольцевые щели 9 и 11 могут быть выполнены или сплошными круговыми, или в виде перфорации.

На фиг.2, 3 и 4 представлен вид по стрелке А кольцевой щели 11 наддува в радиальном безлопаточном диффузоре 2 между центробежным колесом 1 и радиальным лопаточным диффузором 3.

На фиг.2 представлена кольцевая щель 11 - сплошная круговая.

На фиг.3 представлена кольцевая щель 11 в виде отдельных участков, например, с перемычками 12.

На фиг.4 представлена кольцевая щель 11 в виде перфорации 13.

На фиг.5, 6 и 7 представлен вид по стрелке Б кольцевой щели 9 перепуска за осевым спрямляющим аппаратом 4.

На фиг.5 представлена кольцевая щель 9 - сплошная круговая.

На фиг.6 представлена кольцевая щель 9 в виде отдельных участков, например, с перемычками 14.

На фиг.7 представлена кольцевая щель 9 в виде перфорации 15.

На фиг.8 представлена экспериментальная характеристика высоконапорного центробежного компрессора с предлагаемым устройством увеличения диапазона устойчивой работы при постоянной частоте вращения рабочего колеса для различного перепуска воздуха, а именно полностью закрытого перепуска, полностью открытого перепуска, 25% и 50% перепуска.

Видно, что перепуск воздуха из-за осевого спрямляющего аппарата в безлопаточный диффузор приводит к существенному изменению минимального расхода воздуха, определяющего границу аэродинамической устойчивости компрессора. Минимальный расход воздуха от полностью закрытого перепуска до полностью открытого уменьшился с 1.25 кг/с до 0.85 кг/с, т.е. на ˜47%.

Степень повышения полного давления компрессора при этом практически сохранилась.

Одновременно отмечается увеличение максимального расхода воздуха в компрессоре при открытом дросселе.

При полностью открытом перепуске максимальный расход воздуха увеличился на 14% относительно максимального расхода при отсутствии перепуска.

Относительный диапазон устойчивой работы центробежного компрессора (G_max-G_min)/G_min при полностью открытом перепуске в 8.3 раза превышает диапазон устойчивой работы при закрытом перепуске.

Работа заявляемого центробежного компрессора осуществляется следующим образом.

При работе центробежного компрессора на расчетном режиме скорость потока в радиальном безлопаточном диффузоре 2 в значительной мере превышает скорость потока на выходе из осевого спрямляющего аппарата 4. В центробежном компрессоре современного газотурбинного двигателя скорость потока в безлопаточном диффузоре на входе в лопатки лопаточного диффузора не менее чем в 10 раз выше скорости потока за осевым спрямляющим аппаратом. А давление в потоке за спрямляющим аппаратом в ˜2 раза больше давления в безлопаточном диффузоре. Под действием этого перепада давления часть расхода воздуха компрессора через кольцевые щели 9, торообразную камеру 5 перепуска воздуха, воздушный трубопровод 7 с заслонкой 8 перетекает в торообразную камеру 6 наддува воздуха и через кольцевые щели 11 вдувается в радиальный безлопаточный диффузор 2 перед лопатками радиального лопаточного диффузора 3.

Вдуваемый воздух автоматически поджимает поток перед радиальным лопаточным диффузором и уменьшает проходную площадь критического сечения межлопаточного канала радиального лопаточного диффузора - площадь «горла».

Возникающая циркуляция потока в воздушном трубопроводе вокруг диффузора и спрямляющего аппарата уменьшает расход воздуха на выходе из компрессора, сохраняя его практически неизменным на входе в рабочее колесо компрессора.

Заслонкой 8 в воздушном трубопроводе 7 циркуляция потока регулируется от полного ее отсутствия - заслонка 8 закрыта до ее максимума - заслонка 8 открыта.

Несомненным достоинством предлагаемого устройства является возможность регулирования диапазона работы компрессора без вмешательства в проточную часть, без применения поворотных лопаток входного направляющего аппарата, радиального лопаточного диффузора или иных механических устройств.

Устройство обеспечивает равное расширение диапазона устойчивой работы по расходу воздуха по сравнению с регулированием входным направляющим аппаратом, но при сохранении напора компрессора.

Заявляемый центробежный компрессор предназначен преимущественно для применения на вспомогательных газотурбинных установках.

Вспомогательная газотурбинная установка, имеющая заявляемый центробежный компрессор, обеспечивающий расширение диапазона устойчивой работы в широком диапазоне изменения расхода воздуха при постоянной частоте вращения рабочего колеса и при сохранении степени повышения давления, обладает повышенной экономичностью в связи с отсутствием необходимости перепуска части неиспользованного воздуха повышенного давления в выхлопную систему двигателя.

Изобретение относится к центробежным компрессорам авиационных, транспортных и энергетических газотурбинных установок, в особенности к компрессорам авиационных вспомогательных газотурбинных двигателей, с регулированием расхода воздуха, обеспечивающем эффективную и устойчивую работу в широком диапазоне режимов. Центробежный компрессор содержит наружный корпус с размещенным в нем рабочим колесом (1) с лопатками, радиальный безлопаточный диффузор (2), радиальный лопаточный диффузор (3) и осевой спрямляющий аппарат (4), торообразную камеру (5) перепуска воздуха, установленную на выходе из осевого спрямляющего аппарата, и торообразную камеру (6) наддува воздуха, установленную на радиальном безлопаточном диффузоре перед радиальным лопаточным диффузором, при этом торообразная камера перепуска воздуха и торообразная камера наддува воздуха соединены по меньшей мере одним воздушным трубопроводом (7). 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Центробежный компрессор, содержащий наружный корпус с размещенным в нем рабочим колесом с лопатками, радиальным безлопаточным диффузором, радиальным лопаточным диффузором и осевым спрямляющим аппаратом, отличающийся тем, что он содержит торообразную камеру перепуска воздуха, установленную на выходе из осевого спрямляющего аппарата, и торообразную камеру наддува воздуха, установленную на радиальном безлопаточном диффузоре перед радиальным лопаточным диффузором, при этом тороборазная камера перепуска воздуха и торообразная камера наддува воздуха соединены воздушным трубопроводом.2. Центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что торообразная камера перепуска воздуха установлена на выходе из осевого спрямляющего аппарата на внешней поверхности наружного корпуса компрессора и сообщена с проточной частью компрессора через кольцевые щели, выполненные в наружном корпусе компрессора, причем кольцевые щели выполнены или сплошными круговыми, или в виде перфораций.3. Центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что торообразная камера наддува воздуха установлена на радиальном безлопаточном диффузоре перед радиальным лопаточным диффузором и сообщена с проточной частью компрессора через кольцевые щели, выполненные в наружном корпусе компрессора, причем кольцевые щели выполнены или сплошными круговыми, или в виде перфораций.4. Центробежный компрессор по п.1, отличающийся тем, что торообразная камера перепуска воздуха и торообразная камера наддува воздуха связаны между собой по меньшей мере одним воздушным трубопроводом, имеющим заслонку(и), обеспечивающую регулирование воздушного потока в воздушном трубопроводе.