ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СТУПЕНЬ Российский патент 2019 года по МПК F04D17/08 F04D1/00 

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

Известны центробежные ступени, в которых проходное отверстие на входе в рабочее колесо - выходе из подводящего канала представляет собой круг, не загроможденный втулочным телом (А. с. СССР №848759, МПК F04D 17/08, опубл. 23.07.1981 в БИ №27). Недостатком таких ступеней является то, что они не применимы в одновальных многоступенчатых турбомашинах.

Отмеченный недостаток устранен в ступенях, в которых входное отверстие колеса и выходное отверстие подводящего канала - кольцевые. Известная центробежная ступень (А. с. СССР №1134796, МПК F04D 17/08, опубл. в БИ №2 за 1985 г.) содержит рабочее колесо, подводящий канал, переднее уплотнение и заднее уплотнение. Входное отверстие колеса и выходное отверстие подводящего канала - кольцевые. При этом внутренний диаметр выходного отверстия канала равен внутреннему диаметру входного отверстия колеса.

Недостаток известной центробежной ступени заключается в недостаточно высоком КПД. Это обусловлено тем, что при равенстве внутренних диаметров выходного отверстия канала и входного отверстия колеса неизбежно искажение профиля скорости компримируемой среды во входном отверстии колеса вследствие притечки или утечки компримируемой среды через переднее уплотнение ступени.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД ступени.

Указанная цель достигается тем, что в известной центробежной ступени, содержащей рабочее колесо с кольцевым входным сечением, подводящий канал, выходное отверстие которого - также кольцевое, переднее уплотнение и заднее уплотнение, внутренний диаметр выходного отверстия канала не равен внутреннему диаметру входного отверстия колеса, причем он больше внутреннего диаметра входного отверстия колеса, если через переднее уплотнение имеет место притечка компримируемой среды, и меньше него, если через данное уплотнение имеет место утечка.

Дополнительно к этому, внутренний диаметр выходного отверстия канала определяется по формуле

в которой

d - внутренний диаметр выходного отверстия канала;

d_кол - внутренний диаметр входного отверстия колеса;

D - наружный диаметр выходного отверстия канала;

β - отношение расхода компримируемой среды через переднее уплотнение к расходу компримируемой среды через канал, принимаемое положительным в случае притечки и отрицательным в случае утечки.

Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно обеспечивает повышение КПД ступени несмотря на формальное нарушение канонического правила недопустимости скачков диаметров в проточных частях турбомашин.

На фиг. 1 изображена центробежная ступень, меридиональный разрез, вариант притечки компримируемой среды через переднее уплотнение; на фиг. 2 - то же, вариант утечки компримируемой среды через переднее уплотнение; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Ступень содержит рабочее колесо 1, подводящий канал 2, переднее уплотнение 3 и заднее уплотнение 4. Выходное отверстие 5 канала 2 и входное отверстие 6 колеса 1 - кольцевые. Внутренний диаметр d выходного отверстия 5 канала 2 не равен внутреннему диаметру d_кол входного отверстия 6 колеса 1. При этом диаметр d больше диаметра d_кол, если через переднее уплотнение 3 имеет место притечка 7 компримируемой среды, как это изображено на фиг. 1. Если же через переднее уплотнение 3 имеет место утечка 8, то диаметр d меньше диаметра d_кол, как это изображено на фиг. 2.

Дополнительно к указанному качественному соотношению диаметров d и d_кол диаметр d определяется по формуле (1).

Ступень работает следующим образом.

При вращении колеса 1 компримируемая среда последовательно проходит подводящий канал 2, колесо 1 и выходные статорные элементы ступени. Колесо 1, воздействуя на компримируемую среду, увеличивает ее давление и кинетическую энергию. Через переднее уплотнение 3 ступени, а также через заднее уплотнение 4 ступени имеют место протечки компримируемой среды в виде притечек или утечек в зависимости от того, какова разность давлений перед и за уплотнениями 3 и 4.

Притечка 7 (см. фиг. 1) через переднее уплотнение 3 обусловливает увеличение расхода компримируемой среды через входное отверстие 6 колеса 1 по сравнению с расходом через выходное отверстие 5 канала 2. Поэтому, во избежание искажения(разбухания) профиля 9 скорости с во внутренней части кольцевого входного отверстия 6 колеса 1, внутренний диаметр d выходного отверстия 5 канала 2 целесообразно назначить больше внутреннего диаметра d_кол входного отверстия 6 колеса 1, что и предлагается заявленным техническим решением.

Утечка 8 (см. фиг. 2) через переднее уплотнение 3 обусловливает уменьшение расхода компримируемой среды во входном отверстии 6 колеса 1 по сравнению с расходом в выходном отверстии 5 канала 2. Поэтому, во избежание искажения (провала) профиля 9 скорости с компримируемой среды во внутренней части кольцевого входного отверстия 6 колеса 1, внутренний диаметр d выходного отверстия 5 канала 2 целесообразно назначить меньше внутреннего диаметра d_кол входного отверстия 6 колеса 1, что и предлагается заявленным техническим решением.

Формула (1), устанавливающая количественное соотношение между внутренним диаметром d выходного отверстия 5 канала 2 и внутренним диаметром d_кол входного отверстия 6 колеса 1, обосновывается следующим образом.

Средняя скорость с компримируемой среды в выходном отверстии 5 канала 2

где Q - объемный расход компримируемой среды через канал 2.

Средняя скорость с_прит в кольцевой струе притечки 7 (см. фиг. 1) на выходе из канала 2 - входе в колесо 1

где Q - объемный расход притечки компримируемой среды через переднее уплотнение 3.

Необходимым условием отсутствия искажения профиля скорости во входном отверстии 6 колеса 1 является равенство величины скорости с_прит величине скорости с. Поэтому, с учетом (3) и (2)

Умножая обе части этого равенства на и деля на Q, получаем

где

Решение алгебраического уравнения (4) относительно d дает как раз формулу (1), фигурирующую в заявленном техническом решении.

В случае, когда через переднее уплотнение имеет место не притечка, а наоборот утечка компримируемой среды, и это значение β следует подставлять в формулу (1), естественно, со знаком "минус".

Цель изобретения, заключающаяся в повышении КПД ступени, достигается благодаря тому, что заявленное техническое решение уменьшает искажение профиля скорости компримируемой среды во входном отверстии колеса из-за притечки или утечки через переднее уплотнение ступени.

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях и насосах. Оно применимо к таким центробежным ступеням, в которых входное отверстие рабочего колеса и выходное отверстие подводящего канала - кольцевые. Изобретение позволяет повысить КПД таких ступеней за счет уменьшения искажения профиля скорости на входе в колесо притечкой или утечкой компримируемой среды через переднее уплотнение ступени. Уменьшение искажения профиля скорости достигается благодаря тому, что внутренний диаметр выходного отверстия канала больше внутреннего диаметра входного отверстия колеса, если через переднее уплотнение ступени имеет место притечка компримируемой среды, и меньше него, если через данное уплотнение имеет место утечка. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Центробежная ступень, содержащая рабочее колесо с кольцевым входным отверстием, подводящий канал, выходное отверстие которого также кольцевое, переднее уплотнение и заднее уплотнение, отличающаяся тем, что внутренний диаметр выходного отверстия канала не равен внутреннему диаметру входного отверстия колеса, причем он больше внутреннего диаметра входного отверстия колеса, если через переднее уплотнение имеет место притечка компримируемой среды, и меньше него, если через данное уплотнение имеет место утечка.

2. Ступень по п. 1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр выходного отверстия канала определяется по формуле

в которой d - внутренний диаметр выходного отверстия канала;

d_кол - внутренний диаметр входного отверстия колеса;

D - наружный диаметр выходного отверстия канала;

β - отношение расхода компримируемой среды через переднее уплотнение к расходу компримируемой среды через канал, принимаемое положительным в случае притечки и отрицательным в случае утечки.