ПЕРИФЕРИЙНОЕ ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ КОЛЕНО ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СТУПЕНИ Российский патент 2017 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях и насосах.

Известно периферийное осесимметричное колено центробежной ступени, в котором меридиональные обводы представляют собой полуэллипсы (USA 4344737, 17.08.1982). Недостатком такого колена является сложность технологии изготовления меридиональных обводов.

Отмеченный недостаток устранен в периферийных осесимметричных коленах, меридиональные обводы которых имеют простую форму. Известное периферийное осесимметричное колено (Евдокимов В.Е., Репринцев А.И. О совершенствовании обратного направляющего аппарата ЦКМ // Энергомашиностроение, 1984, №10, с.2-5) содержит меридиональные обводы, выполненные по радиусам. Благодаря этому технология изготовления обводов не сложна.

Недостаток известного периферийного осесимметричного колена заключается в повышенных потерях напора рабочей среды. Причина повышенных потерь напора состоит в том, что рекомендуемые выходная ширина колена и радиус его выпуклого обвода задаются зависящими только от входной ширины колена, в то время как в действительности оптимальные величины их зависят также и от входного угла потока рабочей среды в радиальной плоскости.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение потерь напора в периферийном осесимметричном колене центробежной ступени путем задания выходной ширины и радиуса выпуклого обвода зависящими как от входной ширины колена, так и от входного угла потока рабочей среды.

Указанная задача достигается тем, что в известном периферийном осесимметричном колене, содержащем выполненные по радиусам выпуклый и вогнутый меридиональные обводы, выходная ширина b_вых колена и радиус r_вып его выпуклого обвода определяются соотношениями

в которых

b_вх - входная ширина колена;

α_вх - входной угол потока рабочей среды в радиальной плоскости, выраженный в радианах.

Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно, в отличие от известных технических решений, устанавливает зависимость оптимальных величин выходной ширины и радиуса выпуклого обвода колена как от входной ширины, так и от входного угла потока рабочей среды в радиальной плоскости.

На фиг.1 изображено периферийное осесимметричное колено центробежной ступени, меридиональный разрез; на фиг.2 - радиальный разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - радиальный разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - зависимости оптимальных значений отношений b_вых/b_вх и r_вып/b_вх от угла α_вх; на фиг.5 - зависимости коэффициента потерь напора в колене ζ от отношения b_вых/b_вх при различных r_вып/b_вх для типичного в центробежных ступенях угла α_вх=30 град=0.5236 рад; на фиг.6 - зависимости ζ от отношения b_вых/b_вх при различных r_вып/b_вх для малого α_вх=10 град=0.1745 рад; на фиг.7 - зависимости ζ от отношения b_вых/b_вх при различных r_вып/b_вх для предельно большого α_вх=90 град=1.5708 рад; на фиг.8 - зависимости ζ от отношения r_вып/b_вх при различных b_вых/b_вх для α_вх=30 град=0.5236 рад; на фиг.9 - зависимости ζ от отношения r_вып/b_вх при различных b_вых/b_вх для α_вх=10 град=0.1745 рад; на фиг.10 - зависимости ζ от отношения r_вып/b_вх при различных b_вых/b_вх для α_вх=90 град=1.5708 рад.

Периферийное осесимметричное колено содержит выпуклый меридиональный обвод 1 и вогнутый меридиональный обвод 2. Выпуклый меридиональный обвод 1 выполнен по радиусу r_вып. Вогнутый меридиональный обвод 2 выполнен по радиусу r_вогн. Выходная ширина b_вых колена и радиус r_вып соответствуют изобретению. Радиус r_вогн однозначно определяется входной шириной b_вх, радиусом r_вып и выходной шириной b_вых:r_вогн=(b_вх+2r_вып+b_вых)/2.

Периферийное осесимметричное колено работает следующим образом.

Поток рабочей среды поступает во входное сечение 3 колена со скоростью c_вх и входным углом α_вх. При этом меридиональная составляющая c_m.вх скорости c_вх направлена от оси ступени. По мере перемещения рабочей среды по колену меридиональная составляющая c_m скорости c, благодаря изогнутости колена в меридиональной плоскости на 180 град, постепенно изменяет направление на противоположное и в выходном сечении 4 колена направлена к оси ступени. Окружная составляющая c_u скорости c изменяется в колене главным образом в соответствии с законом постоянства момента количества движения. Вследствие этих закономерностей изменения c_m и c_u линии тока рабочей среды в колене - криволинейные и пространственные. Течение рабочей среды по колену сопровождается потерями напора вследствие трения рабочей среды о выпуклый 1 и вогнутый 2 меридиональные обводы, а также вследствие поперечных и продольных градиентов скорости c.

Величина коэффициента потерь напора ζ определяется в основном отношениями b_вых/b_вх и r_вып/b_вх. Оптимальные значения этих отношений (b_вых/b_вх)_опт и (r_вып/b_вх)_опт, соответствующие минимуму ζ, зависят от угла α_вх (фиг.4). Графики (b_вых/b_вх)_опт=f(α_вх) и (r_вып/b_вх)_опт=f(α_вх), изображенные на фиг.4, построены на базе зависимостей ζ=f(b_вых/b_вх; r_вып/b_вх); рассчитанных для ряда значений α_вх в диапазоне 5…90 град. Примеры зависимостей ζ=f(b_вых/b_вх; r_вып/b_вх) представлены на фиг.5…10. Величины ζ рассчитывались по уточненному варианту методики, изложенной на с.371…377 тома II Трудов XV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике, г. Казань, 2011 г.

Изображенные на фиг.4 графики (b_вых/b_вх)_опт=f(α_вх) и (r_вып/b_вх)_опт=f(α_вх) с незначительной погрешностью аппроксимируются следующими аналитическими выражениями:

в которых размерность α_вх - радианы.

Фиксированный коэффициент 1.2 в выражении (3) может быть заменен диапазоном 1.13…1.43, так как согласно фиг.5…7 изменение отношения b_вых/b_вх в пределах 0.94…1.19 от значения (b_вых/b_вх)_опт увеличивает ζ не более чем на 1%.

Фиксированный коэффициент 6 в выражении (4) может быть заменен диапазоном 3.6…6.6, так как согласно фиг.8…10 изменение отношения r_вып/b_вх в пределах 0.6…1.1 от значения (r_вып/b_вх)_опт увеличивает ζ не более чем на 1%. Замена коэффициента 1.2 в выражении (3) и коэффициента 6 в выражении (4) указанными диапазонами дает

Из выражений (5) и (6) следуют соотношения (1) и (2) для рекомендуемых изобретением величин b_вх и r_вып.

Задание b_вх колена в соответствии с соотношением (1) и r_вып в соответствии с соотношением (2) обеспечивает минимальный коэффициент потерь напора в колене ζ. Одновременно с ζ минимизируются и потери напора, поскольку они равны произведению ζ на (Галеркин Ю.Б. Турбокомпрессоры, 2010, с.417). Согласно соотношениям (1) и (2) рекомендуемые изобретением выходная ширина b_вх и радиус r_вып выпуклого обвода зависят как от входной ширины b_вх колена, так и от входного угла α_вх потока рабочей среды. Таким образом, задача настоящего изобретения решена.

Изобретение относится к центробежным турбомашинам и может использоваться в центробежных ступенях, имеющих периферийное осесимметричное колено, выпуклый и вогнутый обводы которого выполнены по радиусам. Изобретение позволяет уменьшить потери напора рабочей среды в колене за счет оптимизации выходной ширины и радиуса выпуклого обвода. Рекомендуемые значения этих параметров зависят как от входной ширины колена, так и от входного угла потока рабочей среды в радиальной плоскости. Потери напора уменьшаются благодаря совокупной минимизации кривизны и длины пространственных линий тока рабочей среды в колене. 10 ил.

Периферийное осесимметричное колено центробежной ступени, содержащее выполненные по радиусу выпуклый и вогнутый меридиональные обводы, отличающееся тем, что выходная ширина b_вых колена и радиус r_вып его выпуклого обвода определяются соотношениями

в которых b_вх - входная ширина колена;

α_вх - входной угол потока рабочей среды в радиальной плоскости, выраженный в радианах.