ОСЕРАДИАЛЬНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО КОМПРЕССОРА Российский патент 2008 года по МПК F04D29/28 

Изобретение относится к компрессоростроению и касается конструкции рабочего колеса компрессора.

Изобретение может быть использовано в компрессорных ступенях турбокомпрессоров для наддува форсированных дизельных и иных двигателей, особенно при большой частоте вращения ротора, когда рабочее колесо компрессора на радиусе выхода потока имеет окружную скорость более 300 м/с.

Описание уровня техники

Ротор турбокомпрессора для наддува форсированных дизельных и иных двигателей имеет значительную частоту вращения и, соответственно, высокую окружную скорость рабочего колеса, которая на радиусе выхода потока превосходит 300 м/с. Лопатки осерадиального рабочего колеса должны иметь необходимую прочность и обеспечивать высокие газодинамические показатели компрессора.

Из обзора технических решений известно осерадиальное рабочее колесо компрессора с прямолинейными образующими лопаток [1]. В осевой части лопаток образующие линии расположены в плоскостях, перпендикулярных оси колеса, а в выходной части образующие линии расположены в плоскостях, параллельных оси колеса, образуя изгиб лопатки в плоскостях вращения. Данная конструкция не позволяет создать высокие аэродинамические характеристики колеса в силу того, что:

1) не обеспечивается минимальный уровень кривизны поверхности лопаток, поскольку изгиб лопатки в выходной части в плоскостях вращения выполняется лишь в зоне, лежащей выше осевой части и не захватывает всю радиальную протяженность лопатки;

2) стык осевой и выходной части лопаток имеет общую касательную сопрягаемых поверхностей и обеспечивается тем, что в осевой части на длине сопряжения с радиальной (выходной) частью, имеется линейный участок. Из-за линейного участка изгиб лопатки в цилиндрических сечениях выполняется лишь на части осевой длины, что обусловливает повышенный уровень кривизны поверхности лопаток и в осевом направлении.

Известны также осерадиальные рабочие колеса компрессора [2]. Здесь периферийная (выходная) часть основных и промежуточных лопаток изогнута по радиусам окружности в сторону, противоположную вращению. Лопатки различных типов (линейные радиальные, линейные нерадиальные, изогнутые против вращения) имеют местный изгиб на периферии в сторону, противоположную вращению колеса. Периферийный изгиб лопаток и уменьшение их толщины способствуют повышению КПД компрессора в определенных условиях, но достижение наибольшего эффекта здесь невозможно из-за местной повышенной кривизны. Кроме того, геометрия лопаток имеет неопределенности:

1) нет значений радиусов изгиба лопаток, описание ограничено лишь качественными характеристиками - больше, меньше;

2) нет углов утолщения сечений тела лопаток от наружного обвода к оси колеса;

3) нет взаимосвязи между радиусами изгиба лопаток и углами их направления на радиусе выхода потока;

4) нет углов направления лопаток на радиусе выхода потока.

Между тем известно [3, стр.160], что углы направления лопаток на радиусе выхода потока значительно влияют на характеристику компрессора. Так, при неизменной частоте вращения ротора уменьшение угла направления лопаток на радиусе выхода потока приводит к снижению расхода воздуха и понижению напора компрессора. В результате может оказаться, что компрессор не обеспечивает планируемые показатели.

Подчеркнем также, что в патенте [2] лопатки не содержат углы утолщения сечений от наружного меридионального обвода в сторону оси колеса. Утолщение сечений изогнутых лопаток - необходимая мера для повышения их прочности при окружной скорости вращения колеса более 300 м/с. В противном случае неизбежны разрушения лопаток.

Рассматриваемое изобретение устраняет отмеченные недостатки аналогов и направлено на создание осерадиального рабочего колеса компрессора с прочными лопатками, обеспечивающими высокие аэродинамические показатели - высокий КПД и напор компрессора.

Задача решается за счет того, что образующие линии лицевой и тыльной поверхностей лопаток рабочего колеса компрессора в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, выполнены в виде дуг окружностей, радиусы которых на каждом шаге вдоль оси колеса непрерывно и плавно изменяются по величине и связаны с радиусами скелетных окружностей, проходящих через ось колеса, толщинами лопатки на наружном обводе, углами утолщения сечений, радиусами удаления точек наружного обвода от оси колеса следующими соотношениями:

для лицевой стороны

,

для тыльной стороны

,

где r - радиус скелетной окружности;

γ_k, γ_c=(0, ...4,0°) - заданные углы утолщения сечения лицевой и тыльной сторон лопатки в плоскостях, перпендикулярных оси вращения;

S_k, S_c=(0, ...0,6 мм) - заданные толщины лицевой и тыльной сторон лопатки по наружному меридиональному обводу в плоскостях, перпендикулярных оси вращения;

S_ok, S_oc - расчетные толщины лицевой и тыльной сторон лопатки, продолженной к оси колеса, значения которых вычисляются исходя из спрямленной длины скелетной линии и углов утолщения сечения.

При этом радиус r скелетной окружности в начале лопатки (при Х=0) назначается из условия

,

где R₂ - радиус колеса на выходе потока;

β₂=60...75° - заданный угол направления скелетной линии лопатки на радиусе выхода потока.

Для создания в потоке условий, близких к однородным, скелетный радиус лопатки на ширине выхода потока из колеса (на ширине de на фиг.2) плавно увеличивается лишь на 3...5 процентов.

На входе потока в колесо (при Х=Х_д) радиус скелетной окружности возрастает до величины

r=(5,0...7,0)R₂.

Промежуточные значения радиусов скелетных окружностей назначаются по закону степенной параболы общего вида, четыре коэффициента который вычисляются по заданным значениям радиусов в двух крайних точках (в точках Х=0 и Х=Х_д) и углам касательных в них же.

Величина углов касательных и определяет характер изменения радиуса между крайними точками.

Расчетные толщины лицевой и тыльной сторон лопатки S_ok, S_oc вычисляются на каждом шаге оси X исходя из спрямленной длины скелетной линии L и углов утолщения сечения γ_k, γ_c по выражениям:

,

δ=π-2β,

L=r·δ,

S_ok=(S_k+L·tgγ_k)cosγ_k,

S_oc=(S_c+L·tgγ_c)cosγ_c,

где R - радиус от оси колеса до точек наружного меридионального обвода;

β - угол направления скелетной окружности в текущей точке наружного меридионального обвода;

δ - угол охвата скелетной окружностью участка от оси колеса до точек наружного меридионального обвода;

L - длина спрямленной скелетной линии.

Изгиб лопаток выполнен против направления вращения колеса.

Изгиб лопатки в каждом сечении, перпендикулярном оси вращения, охватывает всю ее радиальную протяженность.

Лопатки имеют углы утолщения сечения от наружного меридионального обвода к оси, благодаря чему обеспечивается необходимая прочность колеса.

Повышению аэродинамических показателей колеса способствует плавное и непрерывное изменение всей поверхности лопатки с минимально возможным уровнем кривизны. Все радиусы изгиба лицевой или тыльной поверхности лопатки рассчитываются, исходя из одной закономерности, показанной в формуле изобретения.

Раздельное задание толщин и углов утолщения сечений для лицевой и тыльной сторон лопатки позволяет выполнить целесообразное округление ее концов, что также способствует повышению КПД компрессора.

Конструкция предлагаемого осерадиального рабочего колеса компрессора поясняется графически.

На фиг.1 показан вид колеса согласно изобретению с привязкой координат Декарта. Буквой ω показано направление вращения колеса.

На фиг.2 показан меридиональный разрез колеса на фиг.1.

Фиг.2 показывает наружный меридиональный обвод bde, радиус R удаления точек наружного обвода от оси колеса, направление потока М на входе в колесо по сечению ab; направление радиального потока N на выходе из колеса по сечению de; радиус R₁ входа потока в колесо; радиус R₂ выхода потока из колеса.

На фиг.3 изображена развертка сечения Р-Р на фиг.2.

Фиг.3 показывает длинные лопатки 3, короткие лопатки 4 и их соответствующую осевую протяженность Х_д, Х_к. Рассматриваемые предложения применимы и к длинным и коротким лопаткам. Так, в частности, характеристики скелетной поверхности на длине Х=Х_к одинаковы для длинной и короткой лопаток.

На фиг.4 показано положение скелетной линии и ее фиксация относительно профилирующей кривой на соосном цилиндре радиуса R_п.

На фиг.4 обозначены:

О-П-7 - скелетная окружность лопатки с центром ОО;

r - радиус скелетной окружности лопатки;

R_п - радиус цилиндра с профилирующей кривой на нем для привязки скелетных окружностей лопатки;

П - точка касания скелетной окружности к профилирующей кривой;

β₂ - угол направления скелетной окружности лопатки на радиусе выхода потока;

θ_п - угол положения точек касания скелетной окружности к профилирующей кривой;

Скелетные окружности лопатки О-П-7 проходят через ось колеса ОХ и на любом шаге вдоль нее касаются точек П, принадлежащих профилирующей кривой.

На фиг.5 показано сечение колеса F-F на фиг.2.

На фиг.5 обозначены:

S_k - заданная толщина лицевой стороны лопатки на наружном меридиональном обводе bde на фиг.2;

S_c - заданная толщина тыльной стороны лопатки на наружном меридиональном обводе bde на фиг.2;

S_ok - расчетная толщина лицевой стороны лопатки на оси колеса;

S_oc - расчетная толщина тыльной стороны лопатки на оси колеса;

r - радиус скелетной окружности лопатки;

r_k - радиус лицевой стороны лопатки;

r_c - радиус тыльной стороны лопатки;

δ - угол охвата скелетной окружностью участка от оси колеса до точки наружного меридионального обвода;

L - длина скелетной окружности лопатки в секторе угла охвата δ;

OO - центр скелетной окружности.

На фиг.6 показано спрямленное сечение лопатки по длине скелетной линии L на фиг.5.

На фиг.6 показаны также - углы γ_k, γ_c утолщения сечений лопатки для лицевой и тыльной сторон.

Рабочее колесо 1 компрессора с осью вращения ОХ и радиальными размерами R₁ и R₂ на входе и выходе газового потока имеет ступицу 2 и равномерно расположенные на ней длинные 3 и короткие (промежуточные) 4 лопатки, имеющие лицевую 5 и тыльную 6 поверхности.

Вычисленные радиусы лицевой и тыльной сторон лопатки r_k, r_c, и координаты их привязки напрямую используются для обработки технологической оснастки (прессформ) с последующим изготовлением, в частности, цельнолитых рабочих колес. Формообразующие поверхности лопаток в оснастке обрабатываются на станке с ЧПУ резами в плоскостях, перпендикулярных оси колеса с шагом перемещения фрезы вдоль оси на 0,1...0,2 мм. При этом обеспечиваются необходимые точность и качество поверхностей (после полирования).

Колесо компрессора работает следующим образом.

При вращении колеса 1 в неподвижном корпусе поток воздуха подводится к входу в колесо по сечению ab (в направлении по стрелке М на фиг.2) и далее направляется по межлопаточным каналам, образованным лицевой и тыльной поверхностями 5 и 6 лопаток 3 и 4. Механическая энергия вращающегося колеса передается потоку, что сопровождается ростом его кинетичесой и потенциальной энергии в виде роста давления. На выходе из колеса радиальная составляющая часть абсолютного потока учитывается в сечении de (течение по стрелке N).

Благодаря плавному и непрерывному изменению поверхностей межлопаточных каналов колеса, согласно заявленной закономерности построения лопаток обеспечивается прочность лопаток и высокий уровень КПД и напора компрессора.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1137251, кл. F04D 29/26, 31.12.82.

2. Патент ЕР 0072177, кл. F04D 29/28 1983-02-16;

3. Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1981, 351 с.

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к конструкции рабочего колеса компрессора, может быть использовано в компрессорных ступенях турбокомпрессоров для наддува форсированных дизельных и иных двигателей и обеспечивает высокий КПД и напор компрессора. Осерадиальное рабочее колесо компрессора имеет лопатки переменной толщины, изогнутые против направления вращения, лицевая и тыльная поверхности которых выполнены в виде дуг окружностей. Радиусы изгиба лопаток на каждом шаге вдоль оси колеса непрерывно и плавно изменяются по величине. Прочность лопаток при окружных скоростях колеса более 300 м/с обеспечивается заданными углами утолщения сечений, которые имеют формульную связь с радиусами изгиба лопаток, толщинами лопаток в точках наружного меридионального обвода и радиусами удаления упомянутых точек обвода от оси колеса. Высокие газодинамические показатели компрессора (КПД, напор) с заявленным колесом обеспечиваются благодаря минимально возможному уровню кривизны поверхностей лопаток. Построение изгиба лопаток в плоскостях вращения производится на участке от оси колеса до точек наружного меридионального обвода с использованием в расчете скелетных линий. Скелетные линии проходят через ось колеса. 6 ил.

Осерадиальное рабочее колесо компрессора, содержащее ступицу с расположенными на ней лопатками переменной толщины, изогнутыми против направления вращения колеса в плоскостях, перпендикулярных его оси, лицевая и тыльная поверхности которых расположены под переменным углом к меридиональной плоскости, отличающееся тем, что образующие линии лицевой и тыльной поверхностей лопаток в плоскостях, перпендикулярных оси вращения, выполнены в виде дуг окружностей, радиусы которых на каждом шаге вдоль оси непрерывно и плавно изменяются по величине и связаны с радиусами скелетных окружностей, проходящих через ось колеса, толщинами лопатки на наружном обводе, углами утолщения сечений и радиусами удаления точек наружного обвода от оси колеса следующими соотношениями:

для лицевой стороны

для тыльной стороны

где r - радиус скелетной окружности, который в начале лопатки принимается из условия

и на ширине выхода потока из колеса увеличвается на 3 - 5% с последующим плавным увеличением по закону степенной параболы общего вида и на входе потока в колесо достигает значения

r=(5,0...7,0)R₂,

где R₂ - радиус выхода потока из колеса;

β₂ - заданный угол направления скелетной линии лопатки на радиусе выхода потока;

γ_k, γ_c - заданные углы утолщения сечения лицевой и тыльной сторон лопатки в плоскостях, перпендикулярных оси вращения;

S_k, S_c - заданные толщины лицевой и тыльной сторон лопатки по наружному меридиональному обводу в плоскостях, перпендикулярных оси вращения;

S_ok, S_oc - расчетные толщины лицевой и тыльной сторон лопатки, продолженной к оси колеса, значения которых вычисляются исходя из спрямленной длины скелетной линии и углов утолщения сечения по выражениям:

δ=π-2β,

L=r·δ,

S_ok=(S_k+L·tgγ_k)cosγ_k,

S_oc=(S_c+L·tgγ_c)cosγ_c,

где R - радиус от оси колеса до точек наружного меридионального обвода;

β - угол направления скелетной окружности в точке наружного

меридионального обвода любого радиуса R;

δ - угол охвата скелетной окружностью участка от оси колеса до точек наружного меридионального обвода;

L - длина спрямленной скелетной линии.