Промежуточная ступень центробежного компрессора Советский патент 1992 года по МПК F04D17/08 

Изобретение относится к центробежному компрессоростроению. а именно к промежуточным ступеням сжатия многоступенчатого центробежного компрессора.

Известна ступень центробежного компрессора, содержащая установленный за рабочим колесом лопаточный диффузор, в котором лопатки имеют изогнутую форму и обращены своей выпуклостью в направлении вращения колеса, а угол выхода лопаток диффузора существенно меньше 90°.

Недостаток такой ступени - сложный, пространственный характер движения потока, имеющего окружную, радиальную и осевую составляющие скорости движения, на выходе из диффузора и в диффузорно- конфузорном канале. Поток в такой ступени движется по спиралеобразному витку, что обуславливает увеличенный путь потока вдоль криволинейных лопаток диффузора, в диффузорно-конфузорном канале и вдоль лопаток обратного направляющего аппарата. В результате имеют место увеличенные вихревые потери и потери трения и, следовательно, снижается КПД ступени.

Известна промежуточная ступень центробежного компрессора, содержащая последовательно расположенные в корпусе по ходу потока рабочей среды рабочее колесо, диффузор, диффузорно-конфузорный канал и обратный направляющий аппарат, снабженные лопатками, установленными перпендикулярно стенкам корпуса, причем лопатки диффузора выполнены изогнутыми, лопатки диффузорно-конфузорного канала и обратного направляющего аппарата выполнены плоскими, а угол установки лопаток диффузорно-конфузорного канала равен углу выхода лопаток диффузора.

Недостатком такой ступени является увеличенная по длине траектория движения потока в ступени, обусловленная тем, что выпуклость лопатки диффузора образована радиусами круга и обращена против направления вращения рабочего колеса. Кроме того, в ступени не обеспечивается радиальный выход лопатки диффузора в диффузорно-конфузорный канал. В результате раскручивание потока из окружного в радиальное направление в диффузоре и в диффузорно-конфузорном канале не завершается. Поэтому поток выходит из диф- фузорного участка диффузорного канала с остаточной закруткой и движется в обратном направляющем аппарате, имея окружную составляющую скорости.

Увеличенный путь движения потока в ступени повышает потери трения, а окружная составляющая скорости на выходе из диффузора формирует в диффузорно-конфузорном канале и в обратном направляющем аппарате окружную и радиальную неравномерность углов выхода потока из ступени и входа потока в рабочее колесо

следующей ступени, увеличивая вихревые и ударные потери.

Все это существенно снижает КПД ступени.

Цель изобретения - повышение КПД

0 ступени.

Поставленная цель достигается тем, что профиль лопатки диффузора имеет форму полупетли лемнискаты, обращенной выпуклостью по направлению вращения рабочего

5 колеса, при этом узловая точка лемнискаты расположена на наружном диаметре диффузора, угол выхода профиля равен 90°, лопатки диффузорно-конфузорного канала выполнены за одно целое с лопатками диф0 фузора, а лопатки обратного направляющего аппарата установлены радиально.

Каждая лопатка обратного направляющего аппарата составляет одно целое с лопаткой диффузорно-конфузорного кана5 ла.

Диффузор, диффузорно-конфузорный канал и обратный направляющий аппарат снабжены дополнительными лопатками, установленными в корпусе между основны0 ми лопатками, причем входная кромка дополнительных лопаток расположена между входом и выходом из диффузора, а выходная кромка - между входом и выходом из обратного направляющего аппарата.

5 На фиг,1 показан фрагмент предлагаемой ступени, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - ступень с лопатками обратного направляющего аппарата, выполненными за одно целое с лопат0 ками диффузорно-конфузорного канала и с дополнительными лопатками, продольный разрез; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.З вариант с лопатками обратного направляющего аппарата, выполненными за одно целое с

5 лопатками диффузорно-конфузорного канала; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.З, вариант исполнения с дополнительными лопатками; на фиг.6 - графическое определение параметров лемнискаты, образующей лопатку

0 диффузора.

Ступень центробежного компрессора содержит последовательно расположенные в корпусе по ходу потока рабочей среды рабочее колесо 1, диффузор 2, диффузорно5 конфузорный канал 3 и обратный направляющий аппарат 4. В диффузоре 2, диффузорно-конфузорном канале 3 и обратном направляющем аппарате 4 установлены соответственно лопатки 5-7, расположенные перпендикулярно к ограничивающим стенкам диффузора, диффузор- но-конфузорного канала и обратного направляющего аппарата. Лопатки 5 диффузора 2 выполнены изогнутыми (фиг.2- 5), а лопатки 6 диффузорно-конфузорного канала 3 и лопатки 7 обратного направляющего аппарата 4 - плоскими (фиг.4 и 5). Угол установки лопаток 6 диффузорно-конфузорного канала 3 равен углу щ (фиг.2) выхода лопаток 5 диффузора 2. Профиль каждой из лопаток 5 диффузора 2 имеет форму части полупетли лемнискаты 8 (фиг.6), обращенной своей выпуклостью по направлению вращения ш рабочего колеса 1.

Узловая точка d лемнискаты 8 расположена на диаметре D4 выхода лопаток 5 (фиг.2) диффузора 2. Угол выхода ОД профиля лопаток 5 диффузора 2 равен 90°. Лопатки б (фиг. 1-5) диффузорно-конфузорного канала 3 выполнены за одно целое с лопатками 5 диффузора 2, а лопатки 7 обратного направляющего аппарата 4 выполнены радиальными.

Каждая лопатка 7 обратного направляющего аппарата может составлять одно це- лое (фиг.4) с лопаткой 6 диффузорно-конфузорного канала 3.

Диффузор 2, диффузорно-конфузорный канал 3 и обратный направляющий аппарат 4 могут быть снабжены дополнительными лопатками 9 (фиг.З, 5), установленными в корпусе между основными лопатками 5-7, причем входная кромка дополнительных лопаток 9 расположена на диаметре 0П1 между входом Оз и выходом DA из диффузора 2, а выходная кромка - на диаметре 0П2 между входом ОБ 04 и выходом De из обратного направляющего аппарата 4.

Рабочее колесо 10 (фиг.1, 5) следующей ступени 11 установлено после обратного направляющего аппарата 4.

Во время работы центробежного компрессора газ после рабочего колеса 1 движется по траектории k-k (фиг.4) вдоль поверхностей лопаток 5 диффузора 2 и выходит из последнего в диффузорно-конфузорный канал 3 под углом, равным углу QA выхода лопаток 5 диффузора 2. Поскольку угол ОА 90°, поток входит в диффузорно- конфузорный канал 3 радиально и движется в последнем вдоль плоских лопаток 6, выполненных за одно целое с лопатками 5 диффузора 2. Затем поток, имея радиальное направление, входит в обратный направляющий аппарат 4 и движется вдоль поверхностей радиально установленных лопаток 7. а после выхода из обратного направляющего аппарата 4 поступает на вход рабочего колеса 10 следующей ступени 11.

Формирование профиля лопатки 5 диффузора 2 полупетлей лемнискаты 8, обращённой своей выпуклостью по направлению вращения рабочего колеса 1,

в 1,5-2 раза сокращает путь потока рабочей среды в диффузоре 2 и в диффузорно-конфу- зорном канале 3 и придает благодаря свойствам лемнискатной кривой непрерывность изменению кривизны лопаток 5 диффузора

2 от диаметра Оз входа до диаметра DA выхода. В результате уменьшаются потери трения и обеспечивается плавное без отрывов и вихреобразования движение потока в диффузоре 2. Сокращение пути потока и

уменьшение вихревых потерь существенно повышает КПД ступени.

Благодаря тому, что лопатки 5 диффузора 2 имеют угол выхода, равный OQ 90°, а лопатки 6 диффузорно-конфузорного канала 3 выполнены за одно целое с лопатками 5 диффузора 2, существенно стабилизируется движение потока вдоль поверхностей лопаток 6 диффузорно-конфузорного канала 3 за счет дальнейшего

по ходу потока уменьшения интенсивности отрывов и вихреобразования в диффу- зорно-конфузорном канале 3. Это еще более повышает КПД ступени.

Кроме того, исключается образование

косого среза между лопатками 6 на выходе из дкффузорно-конфузорного канала 3, что увеличивает эффективную длину диффузора 2 и еще более повышает КПД ступени. Благодаря тому, что лопатки 7 обратного направляющего аппарата 4 установлены радиально, улучшаются аэродинамические условия подвода потока на вход рабочего колеса 10 следующей ступени 11. Это уменьшает вихревые и ударные потери на входе в

колесо 10 и повышает КПД следующей ступени. Кроме того, уменьшаются потери на трение, поскольку длина лопаток 7 обратного направляющего аппарата 4 из-за их ради- ального положения уменьшается в

1,15-1,25 раза. Это также повышает КПД ступени. Установка дополнительных лопа- ток 9 между основными лопатками 5-7 ступени позволяет оптимизировать , диффузорности каналов между упомянутыми лопатками ступени и тем самым еще более повысить КПД предлагаемой ступени за счет улучшения гидравлических характеристик диффузора 2, диффузорно-конфузорного канала 3 и обратного направляющего

аппарата 4.

Проектирование предлагаемой ступени производят следующим образом.

Из расчета ступени получают диаметр входа Оз и диаметр выхода 04 диффузора 2.

Задают узловую точку СИ (фиг.6) лемнискаты 8 на диаметре D4 и восстанавливают ось X из точки Oi под углом 45° к оси Y колеса 1 в радиальной плоскости, проходящей через узловую точку Oi. На оси X по известному методу строят лемнискату 8 с фокусным расстоянием С OiF, равным

С

D4 -Оз

Расчеты показывают, что при принятой в области центробежного компрессоростро- ения радиальной протяженности диффузора 2,равной

«о,202,

где D2 - диаметр рабочего колеса 1, касательная а-а к полупетле ОчОаОз (фиг.6) лемнискаты 8, имеющей безразмерное

С

фокусное расстояние , образует с касательной b-b к диаметру Оз входа диффузор 2 в точке Оа пересечения с лемнискатой 8 угол ссз 30-32°. Эта величина угла «з no-существу выше предельных значений угла «з установки лопатки 5 диффузо- ра 2 на входе. Следовательно, принятие С 1 обосновано, поскольку оптимальная величина угла од установки лопатки 2 на входе в диффузор 2 находится в диапазоне О С 1 .

После построения лемнискаты 8 измеряют величину радиуса-вектора/эот узловой точки От до точки 02 пересечения лемнискаты 8 с диаметром Оз входа диффузора 2 и величину угла р между осью X и радиусом- вектором р.

Далее, опираясь на свойства лемнискаты, строят касательную а-а к лемнискате 8 в точке 02 и графически находят угол az между касательной b-b в диаметру Оз в точке 02 и касательной а-а. Если угол ссз окажется больше расчетного угла установки «зр ло- гтатки 5 диффузора 2, фокусное расстояние С следует уменьшить и повторить построение. Если угол «si окажется меньше расчетного угла «зр. фокусное расстояние.С следует увеличить и снова повторить построение. После нескольких построений получают графическую зависимость оз f(C), no которой для заданного расчетом ступени угла озр находят требуемую величину фокусного расстояния С лемнискаты 10. Требуемое фокусное расстояние С можно также определить и известными расчетными методами.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Промежуточная ступень центробежного компрессора, содержащая последовательно расположенные в корпусе по ходу потока рабочей среды рабочее колесо, диффузор, диффузорно-конфузорный канал и обратный направляющий аппарат, снабженные лопатками, установленными перпендикулярно стенкам корпуса, причем лопатки диффузора выполнены изогнутыми,

а лопатки диффузорно-конфузорного канала и обратного направляющего аппарата выполнены плоскими, угол установки лопаток диффузорно-конфузорного канала равен углу выхода лопаток диффузора, о т л ичающаяся тем, что, с целью повышения КПД ступени, профиль лопатки диффузора имеет форму полупетли лемнискаты, обращенной выпуклостью по направлению вращения рабочего колеса, при этом узловая точка лемнискаты расположена на наружном диаметре диффузора, угол выхода профиля равен 90°, лопатки диффузорно-конфузорного канала выполнены за одно целое с лопатками диффузора, а лопатки

обратного направляющего аппарата выполнены радиальными.

2.Ступень по п,1,отличающаяся тем, что каждая лопатка обратного направляющего аппарата составляет одно целое с

лопаткой диффузорно-конфузорного канала.

3.Ступень по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что диффузор, диффузорно-конфузорный канал и обратный направляющий

аппарат снабжены дополнительными лопатками, установленными в корпусе между лопатками, причем входная кромка дополнительных лопаток расположена между входом и выходом из диффузора, а выходная

кромка - между входом и выходом из обратного направляющего аппарата.

ФигЛ

Изобретение позволяет повысить КПД компрессора. Промежуточная ступень центробежного компрессора содержит последовательно расположенные в корпусе по ходу потока рабочей среды рабочее колесо 1, диффузор (Д) 2, диффузорно-конфузорный канал (ДКК) 3 и обратный направляющий аппарат (ОНА) 4. ВД 2, ДКК 3 и ОНА 4 перпендикулярно стенкам корпуса установлены соответственно лопатки 5-7. Лопатки Д 2 выполнены изогнутыми, а в ДКК 3 и Л 7 ОНА 4 выполнены плоскими. Угол установки лопатки Л 6 ДКК равен углу выхода лопатки Л 5 Д 2. Профиль лопатки Л 5 Д 2 имеет форму полупетли лемнискаты, обращенной выпуклостью по направлению вращения рабочего колеса 1. Узловая точка лемнискаты расположена на наружном диаметре Д 2. Угол выхода профиля равен 90°. Лопатки Л 76 ДКК 3 выполнены за одно целое с лопаткой Л 5 Д 2, а лопатки Л 7 ОНА 4 выполнены радиальными. Каждая лопатка Л 7 ОНА может составлять одно целое с лопаткой 6 ДКК 3.Д 2, ДКК 3 и ОНА 4 могут быть снабжены дополнительными лопатками, установленными в корпусе между основными лопатками 5-7, причем входная кромка дополнительных лопаток расположена между входом и выходом из Д 2, а выходная кромка - между входом и выходом из ОНА 4.2 з.п. ф-лы, 6 ил. СП с