Устройство для изменения осевого расстояния между лопатками входного направляющего аппарата и рабочим колесом центробежного компрессора Российский патент 2025 года по МПК F04D27/00 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к компрессоростроению, насосостроению и турбостроению.

Известен «Stator Vane Assembly» (US 4029433 A, 029, 433 F01D 17/10, 15.12.1975 г. Robert Noel Penny, Peter Boden Candy), в котором множество разнесенных по окружности статорных лопаток, проходящих в основном в радиальном направлении между радиально разнесенными коаксиальными кольцевыми стенками, выполненными с возможностью установки соосно ротора компрессора или турбины, причем лопатки являются гибкими и закрепляются по меньшей мере в одном положении по его радиальной длине с помощью подвижного в осевом направлении кольцевого отклоняющего лопатки элемента. Аналог представляет собой устройство, в котором лопатки имеют возможность отклоняться по форме поперечного сечения в зависимости от осевого положения элемента за счет различных форм отверстий двух граничных кромок. На фиг. 1 и фиг. 2 изображены схемы входного направляющего аппарата аналога.

Недостатком аналога является то, что изменение осевого расстояния между входным направляющим аппаратом и рабочим колесом центробежного компрессора ведет к изгибу лопаток без возможности их независимого регулирования. Более того, ручное регулирование осевого расстояния ведет к значительным затратам времени и физических ресурсов обслуживающего персонала.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является «Входной направляющий аппарат турбомашины» (SU 1084470 A, F01D 9/02, 07.04.1984 г. Сафин А.Х., Шишкин В.М.), содержащий на корпусе обечайку, установленную концентрично ей с возможностью осевого перемещения гильзу и радиальные лопатки. Прототип представляет собой устройство, в котором за счет осевого перемещения гильзы, лопатки входного направляющего аппарата, следуя по фигурному пазу, поворачиваются на определенный угол, причем одновременно с увеличением угла установки лопаток гильза перемещает их к рабочему колесу. На фиг. 3 изображена схема прототипа.

Недостатком прототипа является то, что устройство оснащено возвратной пружиной, не обеспечивающей должной степени надежности оборудования ввиду усталостных деформаций, возникающих при регулярном использовании. Помимо этого, возникает необходимости преодолевать сопротивление пружинного механизма. Более того, отсутствует возможность прецизионного регулирования осевого расстояния по причине отсутствия фиксирующих элементов. Помимо вышесказанного, отсутствует возможность независимого осевого перемещения лопаток входного направляющего аппарата без изменения угла их установки.

Техническим результатом разработки является повышение степени надежности оборудования при регулировании осевого расстояния между лопатками входного направляющего аппарата и центробежного компрессора механизированным способом без дополнительного изгиба направляющих лопаток, рассматривая возможность осевого перемещения лопаток как независимую функцию регулирования работы центробежного компрессора.

Независимое регулирование осевого расстояния лопаток входного направляющего аппарата обусловлено наблюдениями, полученными при проведении экспериментов, описанных в следующих статьях (Ваняшов А.Д., Грехнев А.В. Исследование влияния закрутки потока входным направляющим аппаратом на газодинамические характеристики центробежной компрессорной ступени // Компрессорная техника и пневматика. - 2012. - № 3. - С. 23-29; Исследование центробежной компрессорной ступени с входным направляющим аппаратом на режимах регулирования / А.А. Нефедов, А.Д. Ваняшов, А.В. Недовенчаный, В.В. Карабанова // Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты - 2021 : Сборник статей Всероссийской научно- технической молодежной конференции, Москва, 01 июня 2021 года. - Москва: Издательский дом "Научная библиотека", 2021. - С. 151-156. - DOI 10.36871/vktp.2021.07.15.024. - EDN EBEKBV). Предположительно, при высоких скоростях вращения роторах, при числах Маха, приближенных или больше единицы, в случае относительного малого расстояния между лопатками входного направляющего аппарата и рабочим колесом, наблюдается снижение эффективности работы центробежного компрессора ввиду проявлений динамического эффекта взаимодействия потока с лопатками. При низких же скоростях, при числах Маха от 0,5 до 0,7 наблюдается явление «выпрямления» потока в случае относительно большого отдаления лопаток входного направляющего аппарата от рабочего колеса компрессора, что приводит к снижению возможности регулирования производительности путем поворота данных лопаток.

Указанный технический результат достигается тем, что корпус входного направляющего аппарата смонтирован с корпусом центробежного компрессора через винтовые штанги в количестве не менее трех штук, расположенных равномерно вокруг оси компрессора, с установленным на них механизмом регулирования размера осевого расстояния, включающим в себя винтовые штанги, гайки-шестерни и зубчатое колесо внутреннего зацепления, гидропривод или электропривод (не показаны). В ходе регулирования гидропривод или электропривод передают усилие на механизм регулирования, вращая зубчатое колесо и гайки-шестерни. Вращаясь, гайки-шестерни перемещают корпус входного направляющего аппарата в осевом направлении по винтовым штангам на величину одного шага резьба за один оборот гайки-шестерни. Данное решение позволит более плавно и равномерно регулировать осевое расстояние между лопатками входного направляющего аппарата и рабочим колесом центробежного компрессора, делая этот способ независимым от изменения угла поворота лопаток входного направляющего аппарата, а также автоматизировать регулирование путем установки автоматизированного гидравлического или электрического привода.

На фиг. 4 изображена модель механизма 8 регулирования размера осевого расстояния. К корпусу центробежного компрессора 3 рабочего колеса 1 за счет использования винтовых штанг 5 крепится корпус входного направляющего аппарата 4 с возможностью перемещения его в осевом направлении для регулирования осевого расстояния между лопатками 2 входного направляющего аппарата, закрепленными в корпусе ВНА (входного направляющего аппарата) 4 и рабочим колесом 1 центробежного компрессора. Усилие от гидропривода или электропривода (не показаны) передается на зубчатое колесо внутреннего зацепления 7, вращая его. Зубчатое колесо 7 вращает гайки-шестерни 6, которые, взаимодействуя с винтовыми штангами 5 через гайки-шестерни 6, производят осевое смещение корпуса ВНА 4 с лопатками 2 входного направляющего аппарата 4 на величину шага резьбы за один оборот гайки-шестерни. Стоит отметить, что для выравнивания осевых и радиальных усилий и более плавного и равномерного регулирования осевого расстояния, следует использовать три винтовых штанги 5, разнесенные на одинаковом расстояния по окружности с использованием поддерживающих зубчатое колесо 7 роликов (в виде шестерен на гладкой (без резьбы) штанге 5).

На фиг. 5 изображен второй вариант устройства с конструктивным отличием корпуса центробежного компрессора 3 и корпуса ВНА 4. В механизме регулирования 8 вместо винтовых штанг используются три винта-шестерни 9 с левой и правой резьбой. При регулировании размера осевого расстояния А усилие прилагается от гидропривода или электропривода (не показаны) на зубчатое колесо внутреннего зацепления 7, которое, взаимодействуя с винтом-шестерней 9, производит осевое смещение лопатки 2 корпуса входного направляющего аппарата 4 по отношению к рабочему колесу 1 центробежного компрессора.

На фиг. 6 изображен третий вариант устройства с конструктивным и отличием корпуса центробежного компрессора 3 и корпуса ВНА 4. В механизме регулирования 8 вместо гайки-шестерни используется гайка-звездочка 10, а вместо зубчатого колеса внутреннего зацепления используется роликовая цепь 11. При регулировании размера осевого расстояния между рабочим колесом компрессора 1 и корпусом входного направляющего аппарата 4, усилие прилагается от гидропривода или электропривода (не показаны) на роликовую цепь 11, которая, вращая гайку-звездочку 10, взаимодействует с винтовыми штангами 5 и производят осевое смещение корпуса входного направляющего аппарата 4 с лопатками 2.

Данное изобретение может быть применимо как в научно-исследовательской деятельности для изучения вопроса регулирования центробежных компрессорных машин с помощью входного направляющего аппарата и изучения влияния осевого расстояния между входным направляющим аппаратом и центробежным компрессором, так и в промышленности, где необходимо использование центробежных компрессоров, помимо этого при проектировании и конструировании центробежных компрессорных машин.

В статье Effects of distance between impeller and guide vane on losses in a low head pump by entropy production analysis (Pei, Ji & Meng, Fan & Li, Yanjun & Yuan, Shouqi & Chen, Jia. (2016) Advances in Mechanical Engineering. 8. 10.1177/1687814016679568) авторы приходят к выводу, что на потери при рассеивании турбулентного потока влияет расстояние между рабочим колесом и входным направляющим аппаратом.

В статье IGV position optimization for centrifugal blower (Gherman, George Bogdan & Gall, Mihnea & Popa, Vlad & Sterie, Victor. (2018) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 400. 042025. 10.1088/1757-899X/400/4/042025) авторы указывают на изменение политропного коэффициента полезного действия при изменении расстояния между входным направляющим аппаратом и рабочим колесом.

В статье Influence of Prewhirl Angle and Axial Distance on Energy Performance and Pressure Fluctuation for a Centrifugal Pump with Inlet Guide Vanes (Liu, Yabin & Tan, Lei & Liu, Ming & Hao, Yue & Xu, Yun. (2017) Energies. 10. 10.3390/en10050695) авторы заявляют, что осевое расстояние между входным направляющим аппаратом и рабочим колесом влияет на характер потока на входе в рабочее колесо и дополнительно влияет н энергетические характеристики и колебания давления.

Изобретение используется для регулирования работы центробежного компрессора путем изменения осевого расстояния между лопатками входного направляющего аппарата и рабочим колесом центробежного компрессора за счет передачи усилия от гидропривода или электропривода на механизм регулирования осевого расстояния, проворачивая зубчатое колесо внутреннего зацепления, которое, взаимодействуя с винтовыми штангами, закрепленными неподвижно на одном из корпусов компрессора, через гайки-шестерни, соединенные подвижно с другим корпусом, производит осевое смещение входного направляющего аппарата с лопатками. Ввиду этого сочетания обеспечивается автоматизированное, плавное и равномерное регулирование осевого расстояния между лопатками входного аппарата и рабочим колесом, делая этот способ независимым от изменения и угла поворота лопаток входного направляющего аппарата. Помимо этого повышается степень надежности устройства за счет использования стандартных элементов конструкции. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для изменения осевого расстояния между лопатками входного направляющего аппарата и рабочим колесом центробежного компрессора, отличающееся тем, что изменение осевого расстояния происходит независимо от изменения угла поворота лопаток входного направляющего аппарата за счёт осевого перемещения корпуса входного направляющего аппарата с установленными в нем лопатками посредством передачи усилия от гидропривода или электропривода на механизм регулирования осевого расстояния.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм регулирования осевого расстояния включает в себя концентричное корпусу входного направляющего аппарата зубчатое колесо внутреннего зацепления, которое, вращая гайки-шестерни, установленные в корпусе входного направляющего аппарата, обеспечивает перемещение их совместно с корпусом входного направляющего аппарата по винтовым штангам, закрепленным неподвижно в корпусе компрессора и распределенным равномерно по окружности в количестве трех или более.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм регулирования осевого расстояния включает в себя концентричное корпусу входного направляющего аппарата зубчатое колесо внутреннего зацепления, которое, вращая винты-шестерни с левой и правой резьбой, установленные соответственно в резьбовые отверстия в корпусе компрессора и входного направляющего аппарата, обеспечивает перемещение последнего в осевом направлении.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм регулирования осевого расстояния включает в себя концентричную корпусу входного направляющего аппарата роликовую цепь, которая, вращая шайки-звездочки, установленные в корпусе входного направляющего аппарата, обеспечивает перемещение их совместно с корпусом входного направляющего аппарата по винтовым штангам, закрепленным неподвижно в корпусе компрессора и распределенным равномерно по окружности в количестве трех или более.