ЛОПАТОЧНЫЙ ДИФФУЗОР ЦЕНТРОБЕЖНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2010 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в лопаточных диффузорах центробежных компрессоров, нагнетателей, вентиляторов и насосов.

Известны лопаточные диффузоры, в которых выходной угол лопаток задается в зависимости от входного угла лопаток, а именно принимается больше последнего на 5…20° (с.160 в книге Селезнева К.П. и Галеркина Ю.Б. Центробежные компрессоры. Ленинград, Машиностроение, 1982). Недостатком таких диффузоров является большая неопределенность выходного угла лопаток: абсолютный диапазон этого угла составляет 15°, а относительный диапазон 68% (при среднестатистическом входном угле лопаток 17°).

Отмеченный недостаток частично устранен в лопаточных диффузорах, имеющих меньший рекомендуемый диапазон выходного угла лопаток. Известный лопаточный диффузор центробежной турбомашины (SU 1134795 A1, 15.01.1985) содержит торцевые стенки и расположенные между ними лопатки. Выходной угол лопаток составляет 90…100°, то есть абсолютный диапазон этого угла равен 10°, а относительный 9%.

Недостаток известного лопаточного диффузора заключается в повышенных потерях напора рабочей среды в диффузоре. Причина повышенных потерь - неоптимальность выходного угла лопаток, не обеспечивающего отсутствие поперечной неравномерности скорости рабочей среды в межлопаточных каналах.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение потерь напора в лопаточном диффузоре путем задания такого выходного угла лопаток, который обеспечивает отсутствие поперечной неравномерности скорости рабочей среды в межлопаточных каналах.

Технический результат достигается тем, что в известном лопаточном диффузоре центробежной турбомашины, содержащем торцевые стенки и расположенные между ними лопатки, согласно изобретению выходной угол α_вых лопаток определяется из уравнения ,

в котором

R_вых - выходной радиус диффузора;

R_вx - входной радиус диффузора;

b_вх - входная ширина диффузора;

b_вых - выходная ширина диффузора;

α_вх - входной угол лопаток.

Данное изобретение в отличие от известных технических решений определяет выходной угол лопаток однозначно и учитывает зависимость этого угла от трех параметров диффузоров (R_вых/R_вx, b_вх/b_вых и α_вх).

На фиг.1 изображен лопаточный диффузор центробежной турбомашины, меридиональный разрез; на фиг.2 - радиальный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 при лопатках, не оказывающих воздействия на поток рабочей среды; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.1 при нулевом угле изогнутости лопаток.

Лопаточный диффузор содержит торцевые стенки 1, 2 и расположенные между ними лопатки 3. Лопатки 3 изображены непрофилированными, но могут быть и профилированными, причем по любому закону. Лопатки 3 и торцевые стенки 1, 2 образуют диффузорные межлопаточные каналы 4. Выходной угол α_вых лопаток 3 соответствует изобретению.

Лопаточный диффузор работает следующим образом.

Рабочая среда движется по межлопаточным каналам 4 в направлении от входной окружности 5 к выходной окружности 6. При этом, поскольку межлопаточные каналы 4 диффузорные, кинетическая энергия рабочей среды уменьшается, а давление рабочей среды в соответствии с законом Бернулли увеличивается. Движение среды по межлопаточным каналам 4 сопровождается потерями напора вследствие трения рабочей среды о лопатки 3 и внутренние поверхности 7 и 8 торцевых стенок 1 и 2.

Потери напора тем меньше, чем меньше поперечная неравномерность скорости рабочей среды в межлопаточных каналах 4. Благодаря тому что выходной угол α_вых лопаток 3 соответствует изобретению, поперечной неравномерности скорости рабочей среды в межлопаточных каналах 4 нет. Этим обеспечивается минимум потерь напора. То, что изобретение обеспечивает отсутствие поперечной неравномерности скорости, объясняется следующим.

Характер изменения скорости рабочей среды поперек межлопаточного канала лопаточного диффузора зависит от двух факторов: а) от угла изогнутости межлопаточного канала, или, что то же самое, от угла и изогнутости лопаток; б) от разности (α_вых -), где - поточный угол на выходе из диффузора, соответствующий таким лопаткам, которые не оказывают воздействия на поток рабочей среды, то есть соответствует отсутствию лопаток. При этом согласно общеизвестным данным гидравлики и промышленной аэродинамики угол и обусловливает увеличение скорости рабочей среды поперек канала в направлении к центру кривизны канала (фиг.3). Согласно данным исследований лопаточных диффузоров разность (α_вых -) обусловливает увеличение скорости в противоположном направлении (фиг.4). Отсюда следует условие отсутствия поперечной неравномерности скорости рабочей среды в межлопаточных каналах лопаточного диффузора:

На основании формулы 3.42 в книге Рис В.Ф. Центробежные компрессорные машины. Ленинград, Машиностроение, 1982

и, следовательно, (1) приобретает вид

Фигурирующий здесь угол υ, не являясь свободным параметром диффузора зависит от других его параметров. Связь с независимыми параметрами диффузора можно установить по фиг.2.

Из треугольника ОВС по теореме синусов

Из фиг.2:

OC=R_вых

OB=R_вх

β=δ+α_вх=90^о-0.5υ+α_вх

γ=δ-α_вых=90^о-0.5υ-α_вых

Подставляя эти равенства в (3), имеем

Из (2)

Подстановка

этого выражения в (4) и элементарные алгебраические преобразования дают уравнение

,

которое и фигурирует в изобретении.

Изобретение может использоваться в центробежных ступенях машин, имеющих диффузор лопаточного типа. Изобретение уменьшает потери напора рабочей среды в диффузоре за счет оптимизации выходного угла лопаток. Рекомендуемое значение этого угла зависит от входного угла лопаток, отношения выходного радиуса диффузора к входному радиусу, а также от отношения входной ширины диффузора к выходной ширине. Потери напора уменьшаются благодаря тому, что рекомендованное значение выходного угла лопаток обеспечивает отсутствие поперечной неравномерности скорости рабочей среды в межлопаточных каналах диффузора. 4 ил.

Лопаточный диффузор центробежной турбомашины, содержащий торцевые стенки и расположенные между ними лопатки, отличающийся тем, что выходной угол α_вых лопаток определяется из уравнения

в котором R_вых - выходной радиус диффузора;
R_вx - входной радиус диффузора;
b_вх - входная ширина диффузора;
b_вых - выходная ширина диффузора;
α_вх - входной угол лопаток.