СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2018 года по МПК F04D29/00 

Изобретение относится к ступени центробежного компрессора согласно ограничительной части пункта 1 или 16 формулы изобретения.

Из DE 19502808 С2, а также из DE 102012 203801 А1 известна принципиальная конструкция центробежного компрессора, по меньшей мере, с одной ступенью центробежного компрессора. В частности, из этого уровня техники известно, что эта ступень или каждая ступень центробежного компрессора имеет вращающееся относительно статора рабочее колесо, причем рабочее колесо содержит несколько со стороны ротора лопаток рабочего колеса. При этом каждая лопатка рабочего колеса располагает входящей кромкой потока и выходной кромкой потока, причем между входящей кромкой потока и выходной кромкой потока каждой лопатки рабочего колеса продолжается всасывающая сторона, напорная сторона, а также обращенная к статору внешняя поверхность, причем внешняя поверхность соответствующей лопатки рабочего колеса примыкает к статору и служит для уплотнения относительно статора. Такое рабочее колесо центробежного компрессора, у которого внешние поверхности лопаток рабочего колеса примыкают опосредовано к статору, не располагает лопаточным бандажом, и его называют также открытым рабочим колесом.

При неблагоприятных условиях эксплуатации внешние поверхности лопаток рабочего колеса рабочего колеса могут набегать на статор или задевать его, вследствие чего могут происходить повреждения на участке внешних поверхностей лопаток рабочего колеса, а также статора. Если для уменьшения опасности повреждений на обращенных к статору внешних поверхностях лопаток рабочего колеса рабочего колеса удаляют материал с целью сокращения его толщины, то на участке внешних поверхностей лопаток рабочего колеса ухудшается уплотняющий эффект относительно статора.

Поэтому требуется ступень центробежного компрессора, в которой снижена опасность повреждений на участке внешних поверхностей лопаток рабочего колеса, которая, тем не менее, обеспечивает хороший уплотняющий эффект внешних поверхностей относительно статора.

Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача создать ступень для центробежного компрессора, удовлетворяющую вышеупомянутые требования.

Эта задача решена в отношении первого аспекта изобретения посредством ступени центробежного компрессора, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения. При этом во внешней поверхности, по меньшей мере, одной лопатки рабочего колеса выполняют, по меньшей мере, один паз, ограниченный как на всасывающей стороне, так и на напорной стороне продольной перемычкой, причем каждая из продольных перемычек образует уплотнительный конический конец соответствующей лопатки рабочего колеса относительно статора.

Согласно изобретению, во внешней поверхности, по меньшей мере, одной лопатки рабочего колеса выполнен, по меньшей мере, один паз, ограниченный, как на всасывающей стороне соответствующей лопатки рабочего колеса, так и на напорной стороне соответствующей лопатки рабочего колеса, предпочтительно, непрерывно проходящей между входящей кромкой потока и выходной кромкой потока продольной перемычкой. Каждая из продольных перемычек образует уплотняющий конический конец соответствующей лопатки рабочего колеса к статору ступени центробежного компрессора. Это может обеспечивать, с одной стороны, улучшенный уплотняющий эффект на участке внешних поверхностей лопаток рабочего колеса центробежного компрессора относительно статора, а с другой стороны, существует меньшая опасность повреждения при задевании статора или при набегании на него внешних поверхностей лопаток рабочего колеса. Соответствующая продольная перемычка образует оптимальный аэродинамический контур как на участке напорной стороны, так и на участке всасывающей стороны каждой лопатки рабочего колеса, поэтому ступень центробежного компрессора имеет высокий КПД.

Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту, во внешней поверхности соответствующей лопатки рабочего колеса выполняют единственный паз, продолжающийся между входящей кромкой потока и выходной кромкой потока. Предпочтительно, если соответствующий паз закрыт рядом с входящей кромкой потока и открыт рядом с выходной кромкой потока. Согласно альтернативному предпочтительному усовершенствованному варианту, соответствующий паз соответственно открыт рядом с входящей кромкой потока и рядом с выходной кромкой потока.

В случае открытого выполнения соответствующего паза рядом с входящей кромкой потока посредством выреза в одной из перемычек, его проще изготавливать фрезерованием, чем в случае, когда пазы выполнены закрыто рядом с входящей кромкой потока соответствующей лопатки рабочего колеса.

Согласно альтернативному предпочтительному усовершенствованному варианту, во внешней поверхности соответствующей лопатки рабочего колеса выполнено несколько пазов, позиционированных между входящей кромкой потока и выходной кромкой потока и отделенных друг от друга, по меньшей мере, одной поперечной перемычкой. Предпочтительно, если передний паз закрыт рядом с входящей кромкой потока впереди и закрыт сзади, причем задний паз закрыт сзади рядом с выходной кромкой потока и закрыт впереди.

Предпочтительно, если выполненный во внешней поверхности соответствующей лопатки рабочего колеса паз имеет V-образное поперечное сечение и U-образное или закругленное дно паза. С одной стороны, это очертание предпочтительно для обеспечения хорошего уплотняющего эффекта, а с другой стороны, для обеспечения также хорошей устойчивости при задевании, а также механической целостности лопаток рабочего колеса.

Согласно следующему предпочтительному усовершенствованному варианту, пазы всех лопаток рабочего колеса соответствующего рабочего колеса имеют идентичные глубины паза. Согласно альтернативному предпочтительному усовершенствованному варианту паз, по меньшей мере, одной лопатки рабочего колеса соответствующего рабочего колеса имеет, по сравнению с пазами других лопаток рабочего колеса соответствующего рабочего колеса, различную глубину. Посредством выполнения разных глубин пазов рабочего колеса центробежного компрессора можно регулировать собственные частоты лопаток рабочего колеса для обеспечения оптимальных рабочих характеристик центробежного компрессора. Кроме того, разные глубины паза соседних лопаток рабочего колеса можно использовать для балансировки рабочего колеса центробежного компрессора.

В соответствии со вторым аспектом изобретения эта задача решена посредством ступени центробежного компрессора, охарактеризованной признаками пункта 16 формулы изобретения. Соответственно ему, во внешней поверхности, по меньшей мере, одной лопатки рабочего колеса выполнено несколько вырезов, ограниченных, как на всасывающей стороне, так и на напорной стороне окаймлениями, причем окаймления вырезов образуют уплотняющие контуры соответствующей лопатки рабочего колеса к статору. Благодаря этому, с одной стороны, можно также обеспечивать улучшенный уплотняющий эффект на участке внешних поверхностей лопаток рабочего колеса относительно статора, а, с другой стороны, - снизить опасность повреждений при задевании внешних поверхностей статора.

Предпочтительно, если вырезы во внешней поверхности соответствующей лопатки рабочего колеса выполнены в виде сверлений, имеющих разные габаритные размеры. Это выполнение особенно простое. Посредством сверлений с разными габаритными размерами можно регулировать собственные частоты лопаток рабочего колеса, кроме того, такие сверления могут использоваться для балансировки рабочего колеса центробежного компрессора.

Предпочтительные усовершенствованные варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения и в последующем описании.

Далее приводится более подробное описание примеров выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, однако, не ограничиваясь этими примерами.

На чертежах представлено следующее:

фиг. 1 - деталь соответствующей изобретению ступени центробежного компрессора согласно первому аспекту изобретения в меридиональном разрезе;

фиг. 2 - разрез по линии А-А по фиг. 1;

фиг. 3 - вид В по фиг. 1;

фиг. 4 - другой вид в направлении В по фиг. 1;

фиг. 5 - альтернативный разрез по линии А-А по фиг. 1;

фиг. 6 - другой альтернативный разрез по линии А-А по фиг. 1;

фиг. 7 - следующий альтернативный разрез по линии А-А по фиг. 1;

фиг. 8 - деталь фиг. 1;

фиг. 9 - вид в перспективе лопатки рабочего колеса согласно альтернативному варианту выполнения изобретения;

фиг. 10 - вид в перспективе лопатки рабочего колеса для ступени центробежного компрессора согласно второму аспекту изобретения.

Данное изобретение относится к центробежному компрессору, по меньшей мере, с одной ступенью центробежного компрессора. На фиг. 1 показана деталь соответствующей изобретению ступени центробежного компрессора в меридиональном разрезе согласно первому аспекту изобретения.

Ступень или каждая ступень центробежного компрессора центробежного компрессора имеет рабочее колесо 10 с несколькими расположенными в проточном канале 11 соответствующей ступени компрессора со стороны ротора лопатками 12 рабочего колеса. Рабочее колесо 10 вращается относительно статора 13. Под статором 13 понимают корпус или кольцо статора, или подобный элемент. Проточный канал 11 соответствующей ступени компрессора ограничен со стороны ротора контуром 14 ступицы и контуром 15 статора. Каждая лопатка 12 рабочего колеса имеет входящую кромку 16 потока и выходную кромку 17 потока.

Входящая кромка 16 потока согласно примеру выполнения по фиг. 1 и фиг. 2 определена закругленным плоскостным контуром. И наоборот, выходная кромка 17 потока согласно фиг. 1 и фиг. 2 определена ровным, не закругленным плоскостным контуром. Между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока каждой лопатки 12 рабочего колеса продолжается напорная сторона 18, всасывающая сторона 19, а также радиально снаружи на лопатке 12 рабочего колеса обращенная к статору 13 внешняя поверхность 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса. Согласно фиг. 1, если смотреть в направлении потока вниз по потоку рабочего колеса 10, в проточном канале 11, со стороны статора находится диффузор с фиксированными ведущими лопатками 21. Диффузор не является составной частью ступени центробежного компрессора. Можно даже отказаться от такого диффузора.

В обращенной к статору 13 внешней поверхности 20, по меньшей мере, одной лопатки рабочего колеса 12, предпочтительно, каждой лопатки 12 рабочего колеса рабочего колеса 10 центробежного компрессора выполнен, по меньшей мере, один паз 22. В примерах выполнения по фигурам 1-8, во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса выполнен единственный паз, продолжающийся между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока, и ограниченный как на напорной стороне 18, так и на всасывающей стороне 19 продолжающейся между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока продольной перемычкой 23 или 24. Каждая из продольных перемычек 23, 24 образует уплотняющий конический конец соответствующего рабочего колеса 10 к статору 13 ступени центробежного компрессора.

В варианте выполнения по фиг. 3 соответствующий паз 22, выполненный во внешней поверхности 20 лопатки 12 рабочего колеса, закрыт рядом с входящей кромкой 16 потока. В качестве альтернативы по фиг. 4, наоборот, соответствующий паз 22 выполнен рядом с входящей кромкой 16 потока соответствующей лопатки 12 рабочего колеса открыто, причем он впадает через вырез 25 в продольной перемычке 23 с всасывающей стороны или с напорной стороны в участок 19 всасывающей стороны соответствующей лопатки 12 рабочего колеса.

Вариант по фиг. 4, в качестве варианта по фиг. 3, можно проще выполнить посредством фрезерования. Тем не менее, по аэродинамическим соображениям вариант по фиг.3 является предпочтительным. В обоих вариантах по фиг. 3 и по фиг. 4 соответствующий паз 22 выполнен рядом с не показанной выходной кромкой 17 потока открыто.

Как показано на фиг. 2, выполненный во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса паз 22 имеет V-образное поперечное сечение и закругленное или U-образное дно 26 паза, причем боковые стороны 27 продольных перемычек 23, 24, ограничивающие V-образный в поперечном сечении паз 22, расходятся наружу или по направлению к внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса. Предпочтительно, если каждая выполненная на внешней поверхности 20 каждой лопатки 12 рабочего колеса продольная перемычка 23, 24 имеет на своем внешнем участке на протяжении между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока постоянную толщину.

Показанное на фиг. 2 очертание выполненного во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса паза 22 хотя и предпочтительно, но его не обязательно выполнять таким. В частности, на фиг. 5 и фиг. 7 показаны варианты, в которых только одна из продольных перемычек 23, 24 расходится в направлении внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса, а именно на фиг. 5 перемычка 24 на напорной стороне 18 и на фиг. 7 перемычка 23 на всасывающей стороне 19, тогда как соответственно другая продольная перемычка, в направлении наружу к внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса имеет постоянную толщину.

На фиг. 6 показан вариант, в котором перемычка 23 на всасывающей стороне 19 выполнена наружу по направлению к внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса выполнена укороченной, по сравнению с перемычкой 24 на напорной стороне 18.

Согласно первому варианту выполнения изобретения пазы 22 всех лопаток 12 рабочего колеса центробежного компрессора 10 имеют идентичные глубины паза. В отличие от этого, тем не менее, также возможно выполнение паза 22, по меньшей мере, одной лопатки 12 рабочего колеса центробежного компрессора 10 с другой глубиной паза по сравнению с пазами 22 других лопаток 12 рабочего колеса 10 центробежного компрессора, вследствие чего можно таким способом влиять на собственные частоты лопаток 12 рабочего колеса для обеспечения оптимальных рабочих характеристик рабочего колеса 10 центробежного компрессора, а вместе с ним - ступени центробежного компрессора.

Глубина паза продолжающегося между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока соответствующего паза 22 может быть постоянной вдоль его продолжения между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока или, как показано на фиг. 8, изменяться. В частности, на фиг. 8 глубина паза соответствующего паза 22 рядом с входящей кромкой 16 потока и рядом с выходной кромкой 17 потока соответственно глубже, чем в его среднем участке. При этом глубина паза изменяется, если смотреть в этом направлении продолжения, предпочтительно непрерывно, в частности, без ступеней или им подобным.

На фиг. 9 показан вариант первого аспекта изобретения, в котором во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса выполнено несколько пазов 22, позиционированных между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока друг за другом, а поперечные перемычки 28 отделены друг от друга. Поперечные перемычки 28 продолжаются между всасывающей стороной 19 и напорной стороной 18 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса, в частности, поперек к продолжающимся между входящей кромкой 16 потока и выходной кромкой 17 потока продольным перемычкам 23 и 24.

На фиг. 9 передний паз 22 закрыт впереди рядом с входящей кромкой 16 потока и закрыт сзади. Задний паз 22 закрыт сзади рядом с выходной кромкой 17 потока и закрыт впереди. Между передним пазом 22 и задним пазом 22 на фиг. 9 позиционированы два других паза 22, закрытые также впереди и сзади. В частности, каждый из пазов закрыт и ограничен, по меньшей мере, продольными перемычками 23 и 24, а также поперечными перемычками 28. Количество продольных перемычек может согласовываться в интересах оптимизации аэродинамических потерь и механической целостности с соответствующими требованиями к рабочему колесу.

В данном изобретении предложена ступень центробежного компрессора с рабочим колесом 10, выполненным на участке внешних поверхностей 20 лопаток 12 рабочего колеса так, что, с одной стороны, обеспечивается оптимальный уплотняющий эффект, а, с другой стороны, - оптимальная защита от задевания при оптимальных аэродинамических контурах на участке всасывающей стороны 19, а также напорной стороны 18. Для этого в примерах выполнения по фигурам 1-9 во внешних поверхностях 20 лопаток 12 рабочего колеса рабочего колеса 10 центробежного компрессора выполнен соответственно, по меньшей мере, один паз 22 в виде центрального желоба, причем как на участке напорной стороны 18, так и на участке всасывающей стороны 19 пазы 22 ограничены продольными перемычками 23, 24, вследствие чего напорная сторона 18 и всасывающая сторона 19 имеют на участке внешних поверхностей 20 оптимальные аэродинамические свойства.

Глубину и ширину пазов 22 регулируют так, чтобы, с одной стороны, обеспечивать хороший уплотняющий эффект, а, с другой стороны, - хорошую защиту от задевания. Как изложено выше, пазы 22 лопаток 12 рабочего колеса 10 центробежного компрессора могут иметь разные глубины для оптимального регулирования собственных частот лопаток рабочего колеса или для балансирования рабочего колеса 10 центробежного компрессора.

На фиг. 10 показана деталь лопатки 12 рабочего колеса соответствующей изобретению ступени центробежного компрессора согласно второму аспекту изобретения, при помощи которого можно достигать также обсужденных выше преимуществ. На фиг.10 в обращенных к статору 13 внешних поверхностях 20 лопаток 12 рабочего колеса подобные желобам пазы не выполнены, и более того, соответственно несколько вырезов 29, как на всасывающей стороне 19, так и на напорной стороне 18 ограничены окаймлениями 30, причем окаймления 30 вырезов 29 образуют уплотняющие контуры соответствующей лопатки 12 рабочего колеса относительно статора 13. При этом выполненные во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса вырезы 29 выполнены предпочтительно как сверления, имеющие круглое поперечное сечение и окружены по своей периферии со всех сторон окаймлениями 30. При этом выполненные во внешней поверхности 20 соответствующей лопатки 12 рабочего колеса сверления имеют предпочтительно разные габаритные размеры, в частности, разные диаметры сверления и/или разные глубины сверления.

Ступень центробежного компрессора содержит вращающееся относительно статора (13) рабочее колесо (10) с несколькими со стороны ротора лопатками (12) рабочего колеса, причем каждая лопатка (12) рабочего колеса имеет входящую кромку (16) потока, выходную кромку (17) потока и продолжающуюся между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока всасывающую сторону (19), напорную сторону (18) и обращенную к статору (13) внешнюю поверхность (20). Во внешней поверхности (20) по меньшей мере одной лопатки (12) рабочего колеса выполнен по меньшей мере один паз (22), ограниченный как на всасывающей стороне (19), так и на напорной стороне (18) продольной перемычкой (23, 24), причем каждая из продольных перемычек (23, 24) образует уплотнительный конический конец соответствующей лопатки (12) рабочего колеса относительно статора (13). Изобретение направлено на повышение надежности ступени компрессора. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Ступень центробежного компрессора, содержащая вращающееся относительно статора (13) рабочее колесо (10) с множеством со стороны ротора лопаток (12) рабочего колеса, причем каждая лопатка (12) рабочего колеса имеет входящую кромку (16) потока, выходную кромку (17) потока и продолжающуюся между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока всасывающую сторону (19), напорную сторону (18) и обращенную к статору (13) внешнюю поверхность (20), отличающаяся тем, что во внешней поверхности (20) по меньшей мере одной лопатки (12) рабочего колеса выполнен по меньшей мере один паз (22), ограниченный как на всасывающей стороне (19), так и на напорной стороне (18) продольной перемычкой (23, 24), причем каждая из продольных перемычек (23, 24) образует уплотнительный конический конец соответствующей лопатки (12) рабочего колеса относительно статора (13).

2. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что во внешней поверхности (20) соответствующей лопатки (12) рабочего колеса выполнен единственный паз, продолжающийся между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока.

3. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) закрыт рядом с входящей кромкой (16) потока.

4. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) рядом с входящей кромкой (16) потока выполнен открытым.

5. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) рядом с входящей кромкой (16) потока впадает через вырез (25) в продольной перемычке (23) с всасывающей стороны в участок (19) всасывающей стороны соответствующей лопатки (12) рабочего колеса.

6. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) рядом с выходной кромкой (17) потока выполнен открытым.

7. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что во внешней поверхности (20) соответствующей лопатки (12) рабочего колеса выполнено множество пазов (22), позиционированных друг за другом между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока и отделенных друг от друга по меньшей мере одной поперечной перемычкой (28).

8. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что поперечная перемычка (28) или каждая поперечная перемычка продолжается между всасывающей стороной (19) и напорной стороной (18) соответствующей лопатки (12) рабочего колеса.

9. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что передний паз (22) закрыт рядом с входящей кромкой (16) потока впереди и закрыт сзади, при этом задний паз (22) закрыт сзади рядом с выходной кромкой (17) потока и закрыт впереди.

10. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) имеет V-образное поперечное сечение и U-образное или закругленное дно (26) паза.

11. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что каждая из выполненных на внешней поверхности (20) лопатки (12) рабочего колеса продольная перемычка (23, 24) имеет на своем внешнем участке постоянную толщину.

12. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что каждая из выполненных на внешней поверхности (20) лопатки (12) рабочего колеса продольная перемычка (23, 24) продолжается между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока лопатки (12) рабочего колеса.

13. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что пазы (22) всех лопаток (12) рабочего колеса соответствующего рабочего колеса (10) имеют идентичные глубины паза.

14. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что паз (22) по меньшей мере одной лопатки рабочего колеса соответствующего рабочего колеса (10) имеет, по сравнению с пазами (22) других лопаток рабочего колеса соответствующего рабочего колеса (10), разную глубину паза.

15. Ступень центробежного компрессора по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что глубины паза между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока соответствующей лопатки (12) рабочего колеса изменяются.

16. Ступень центробежного компрессора, содержащая вращающееся относительно статора (13) рабочее колесо (10) с множеством со стороны ротора лопаток (12) рабочего колеса, причем каждая лопатка (12) рабочего колеса имеет входящую кромку (16) потока, выходную кромку (17) потока и продолжающуюся между входящей кромкой (16) потока и выходной кромкой (17) потока всасывающую сторону (19), напорную сторону (18) и обращенную к статору (13) внешнюю поверхность (20), отличающаяся тем, что во внешней поверхности (20) по меньшей мере одной лопатки (12) рабочего колеса выполнено множество вырезов (29), ограниченных как на всасывающей стороне (19), так и на напорной стороне (18) окаймлениями, причем окаймления (30) вырезов (29) образуют уплотняющие контуры соответствующей лопатки (12) рабочего колеса к статору (13).

17. Ступень центробежного компрессора по п. 16, отличающаяся тем, что сформированные во внешней поверхности (20) лопатки (12) рабочего колеса вырезы (29) выполнены как сверления.

18. Ступень центробежного компрессора по п. 17, отличающаяся тем, что сверления имеют круглое поперечное сечение и окружены по своей периферии со всех сторон окаймлениями (30).

19. Ступень центробежного компрессора по п. 17 или 18, отличающаяся тем, что выполненные во внешних поверхностях (20) лопатки (12) рабочего колеса сверления имеют разные габаритные размеры.