СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2011 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может найти применение в центробежных компрессорах, предназначенных для обеспечения широкого диапазона производительностей сжимаемого газа.

Из известных ступеней центробежного компрессора (без какого-либо специального регулирования) наиболее широкий диапазон производительностей обеспечивает ступень с безлопаточным диффузором (БЛД) (см., например, Ден Г.Н. Проектирование проточной части центробежных компрессоров: Термогазодинамические расчеты. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1980. - 232 с.). Однако ступень с БЛД имеет пониженный КПД (примерно на 3%) по сравнению со ступенью с лопаточным диффузором (ЛД) на номинальном режиме. Как отмечено на стр.21 Обзорной информации "Новые технические решения в центробежных компрессорах" (см. НИИЭинформэнергомаш, 1985, вып.1, с.1-40), "совершенствование БЛД заключается в основном в преобразовании его в комбинированный (с укороченными лопатками) лопаточный диффузор".

В японском патенте JP 60-184998, А 20.09.1985, предложен комбинированный диффузор центробежной гидравлической машины, у которого параллельно расположенные лопаточный и безлопаточный диффузоры отделены друг от друга конической перегородкой. Такой диффузор обеспечивал улучшенные характеристики ступени за счет предотвращения отрывов потока в диффузоре. Однако, не имея утонения на входе и располагаясь близко к колесу, перегородка и лопаточная часть диффузора по патенту JP 60-184998 А не способствуют расширению диапазона производительностей ступени в зону меньших расходов по сравнению со ступенью, содержащей только БЛД.

Целью настоящего изобретения является значительное расширение зоны устойчивой работы ступени центробежного компрессора по сравнению с известными ступенями без специального регулирования. Указанная цель достигается тем, что в известной ступени центробежного компрессора, содержащей рабочее колесо и комбинированный диффузор, состоящий из параллельно расположенных лопаточного (ЛД) и безлопаточного (БЛД) диффузоров, отделенных друг от друга тонкой радиальной перегородкой, эта перегородка на входе выполнена с асимметричным утонением за счет стороны, обращенной к безлопаточному диффузору. Так выполненная перегородка одновременно с расширением зоны устойчивой работы ступени решает задачу повышения КПД ступени.

С целью большего расширения зоны устойчивой работы ступени в область пониженных производительностей входную кромку перегородки следует расположить на диаметре D_{вх. пер}, равном (1,06…1,10) выходного диаметра колеса D₂ (фиг.1, 3). Указанный диапазон обусловлен следующими причинами. Для того чтобы в общем случае неравномерный поток, выходящий из рабочего колеса, имел возможность перераспределяться между ЛД и БЛД, что важно для достижения цели изобретения по настоящей заявке, необходимо удаление входной кромки перегородки комбинированного диффузора на определенное расстояние от рабочего колеса. Как указано в книге В.Ф. Риса (Центробежные компрессорные машины, 1981 г., на стр.118), в зоне за колесом, простирающейся до диаметра D=1,06 D₂, заканчивается интенсивный процесс выравнивания потока по углу и величине скорости. Этот диаметр и был выбран в качестве минимального значения для D_{вx. пер}, а именно D_{вx. пер} = 1,06 D₂. Поскольку в комбинированном диффузоре перегородка должна разделять области течений в ЛД и БЛД, то максимальное значение D_вх. _пер не должно превышать минимально рекомендуемого значения входного диаметра D₃ (фиг.2) ЛД. В цитированной книге Г.Н.Дена на стр.76, 77 минимальные значения D₃ рекомендовано назначать из диапазона D₃=(1,10…1,15) D₂, а значит, максимальное значение D_{вx. пер} = 1,10 D₂.

Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно, обеспечивая саморегулирование течения в ступени, позволяет ей устойчиво и с достаточно высоким КПД работать в широкой зоне производительностей, сопоставимой с зоной работы ступени с поворотными лопатками диффузора.

Следует отметить, что ступени с поворотными лопатками диффузоров из-за сложности их конструкции, требующей устройства специального механизма поворота лопаток диффузора, привода к нему и системы автоматического управления этим механизмом, практически не применяются в отечественных и зарубежных центробежных компрессорах, хотя потребность в таких ступенях велика.

На фиг.1 изображена промежуточная ступень (изобретение годится и для концевой ступени) центробежного компрессора с комбинированным диффузором, в котором тонкая радиальная перегородка выполнена на входе с асимметричным утонением за счет стороны, обращенной к БЛД, меридиональный разрез; на фиг.2 - радиальный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - то же, что на фиг.1, но с конической перегородкой и расположением входной кромки перегородки на диаметре, равном (1,06…1,10) выходного диаметра колеса.

Ступень содержит колесо 1 (фиг.1, 3), комбинированный диффузор 2 (фиг.1, 3), состоящий из лопаточного 3 (фиг.1, 3) и безлопаточного 4 (фиг.1, 3) диффузоров, которые отделены друг от друга тонкой радиальной (фиг.1), или конической (фиг.3), перегородкой 5 (фиг.1…3), крепящейся, например, к лопаткам диффузора 3 (фиг.1, 3). Перегородка 5 выполнена на входе с асимметричным утонением за счет стороны, обращенной к БЛД (фиг.1).

Для дополнительного расширения зоны устойчивой работы ступени перегородку 5 целесообразно выполнить конической (фиг.3).

С целью большего расширения зоны устойчивой работы ступени и для радиальной, и для конической перегородки ее входную кромку целесообразно расположить на диаметре D_{вx. пер}, равном (1,06…1,10) выходного диаметра колеса D₂ (фиг.1, 3).

Ступень работает следующим образом.

При производительности, равной примерно 70% от номинальной, в ЛД комбинированного диффузора образуются интенсивные срывы потока, при которых лопаточная решетка уже не способна повышать давление. В БЛД поток продолжает сжиматься. При дальнейшем уменьшении производительности в лопаточном диффузоре возникает обратный ток. При этом ЛД автоматически отключается от активной работы ступени. Не будь БЛД, наступил бы помпаж ступени. Начиная с производительности, равной примерно 70% от номинальной, весь поток, выходящий из колеса, устремляется в БЛД. При этом возрастает расходная составляющая скорости в БЛД, что увеличивает угол потока на входе в БЛД, а с ним увеличивается КПД БЛД и всей ступени на этих частичных режимах. Поэтому при отключенном ЛД не только расширяется зона устойчивой работы ступени в сторону меньших производительностей, но одновременно увеличивается КПД ступени при ее работе на таких частичных режимах. Техническое решение по настоящему изобретению, а именно: асимметричное выполнение входа перегородки за счет стороны, обращенной к безлопаточному диффузору - способствует выходящему из колеса потоку с меньшими потерями войти в БЛД. Это расширяет зону рабочих режимов ступени в область меньших производительностей и повышает КПД ступени.

Выполнение перегородки 5 конической по фиг.3 способствует повышению угла потока в БЛД, что благоприятно сказывается на расширении зоны устойчивой работы ступени.

Чтобы перегородка меньше возмущала поток, она должна быть тонкой (толщина перегородки δ (фиг.1) определяется условиями прочности) и иметь обтекаемую форму на входе.

Расположение входной кромки перегородки на диаметре D_{вx. пер}, равном (1,06…1,10) выходного диаметра колеса D₂ (фиг.1, 3) позволяет потоку, выходящему из колеса, с минимальными потерями перераспределяться между БЛД и ЛД, что также расширяет зону устойчивой работы ступени.

Изобретение может найти применение в центробежных компрессорах, предназначенных для обеспечения широкого диапазона производительностей. Ступень центробежного компрессора содержит рабочее колесо 1 и комбинированный диффузор 2, состоящий из параллельно расположенных лопаточного и безлопаточного диффузоров 3, 4. Диффузоры 3, 4 отделены друг от друга тонкой радиальной перегородкой 5. Перегородка 5 на входе выполнена с асимметричным утонением за счет стороны, обращенной к безлопаточному диффузору 4. Перегородка 5 может быть выполнена конической. Изобретение направлено на расширение зоны устойчивой работы ступени компрессора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ступень центробежного компрессора, содержащая рабочее колесо и комбинированный диффузор, состоящий из параллельно расположенных лопаточного и безлопаточного диффузоров, отделенных друг от друга тонкой радиальной перегородкой, отличающаяся тем, что перегородка на входе выполнена с асимметричным утонением за счет стороны, обращенной к безлопаточному диффузору.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что перегородка выполнена конической.

3. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что входная кромка перегородки расположена на диаметре D_{вx. пер}, равном 1,06…1,10 выходного диаметра колеса D₂.