Робоче колесо відцентрового компресора

Реферат: Робоче колесо відцентрового компресора містить основний диск з лопатками; закріплений на торцевих поверхнях лопаток покривний диск, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; і сформований внутрішніми поверхнями дисків міжлопатковий канал. Робоче колесо додатково містить рухомий безлопатковий дифузор. Внутрішня поверхня основного диска виконана конічною з прямолінійною твірною конуса. Внутрішні поверхні обох дисків мають однакові параметри кутів при вершинах конусів. Меридіанна площа міжлопаткового каналу симетрична відносно осі дії відцентрових сил та осі рухомого безлопаткового дифузора. UA 102196 C2 (12) UA 102196 C2 UA 102196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований винахід належить до компресорного машинобудування, зокрема до конструкції робочих коліс, і може бути використаний при виготовленні самих робочих коліс і/або відцентрових компресорів, які здійснюють термогазодинамічні процеси, засновані на стисненні і переміщенні газів. Принципова схема відомого відцентрового компресора (ВК) включає: проточну частину, ступінь, секцію, ротор та статор турбокомпресора. Проточна частина ВК призначена для зміни величини та напрямку швидкості газа і включає: всмоктувальний, проміжний та кінцевий ступінь. Всмоктувальний ступінь включає в себе всмоктувальну камеру (ВК), робоче колесо (РК), лопатковий або безлопатковий дифузор (ЛД або БЛД), поворотне коліно (ПК), обернено-направляючий апарат (ОНА). Проміжний ступінь включає: РК, ЛД або БЛД, ПК, ОНА. Кінцевий ступінь замість ПК та ОНА має вихідний пристрій (ВП). В разі одноступінчатого нагнітання всмоктувальний ступінь одночасно є кінцевим. Робочі колеса відцентрового компресора складаються з диска з лопатками і можуть бути покриті ще одним диском. Газовий потік, виходячи з ВК в осьовому напрямку і здійснюючи поворот від осьового до радіального напрямку у безлопатковій частині РК, попадає на лопатки РК, які й передають механічну енергію газу при обертанні ротора. На виході з РК газ має кінетичну енергію. Перетворення кінетичної енергії в потенційну здійснює дифузор, в якому проходить гальмування потоку за рахунок збільшення площі каналу і, як наслідок, збільшення тиску газу. Дифузор може бути лопатковим або безлопатковим. Але навіть в разі ЛД перед ним є коротка безлопаткова частина, яку іноді називають БЛД, для вирівнювання потоку перед входом на лопатки ЛД. Для того, що б підвести газовий потік до всмоктувального отвору РК наступного ступеня, необхідно розвернути потік на 180°, який рухається при виході із дифузора від центру до периферії, а потім надати йому осьовий напрямок. Для цього призначене поворотне коліно, яким, як правило, є безлопатковий канал (БК) і обернено-направляючий апарат (ОНА) лопатковий апарат. Вимогою до цих елементів є збереження по можливості постійної швидкості газу з найменшими втратами енергії. Кінцевий ступінь закінчується вихідним пристроєм (ВП), за який можуть бути використані завитки (зі змінним по куту розвороту поперечним перерізом) або збірні камери, в яких постійний переріз по куту розвороту. ВП збирає потік, що виходить з ЛД (БЛД) в радіальному напрямі, і спрямовує його в нагнітальний патрубок. Крім того, в ВП (як правило в завитках) потік газу може додатково гальмуватися. (Ваняшов А.Д. Теория, расчѐт и конструирование компрессорных машин динамического действия. Конспект лекций. Федеральное агентство по образованию, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет", Омск, 2007. - с. 8-12, рис. 1.5). Як видно з наведеного в даному джерелі інформації рисунка 1.5 внутрішня поверхня основного диска виконана у вигляді радіальної площини, а внутрішня поверхня покривного диска виконана конічною з прямолінійною твірною конуса з кутом біля вершини. Зовнішній діаметр робочого колеса дорівнює зовнішньому діаметру лопаток. Меридіальна площа міжлопаткового каналу (ΜЛК), сформованого такими внутрішніми поверхнями дисків, асиметрична відносно осі дії відцентрових сил та осі безлопаткового і лопаткового дифузорів. Найбільш близьким технічним рішенням по призначенню та досягуваному результату до запропонованого винаходу є робоче колесо відцентрового компресора, конструкція якого включає: основний диск з лопатками; закріплений на торцевих поверхнях лопаток покривний диск, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; і, сформований внутрішніми поверхнями основного та покривного дисків, міжлопатковий канал. Причому, внутрішня поверхня основного диска виконана у вигляді радіальної площини, внутрішня поверхня конічного покривного диска з прямолінійною твірною конуса виконана з кутом при вершині, рівним 180  2 , меридіальна площа МЛК асиметрична відносно осі дії відцентрових сил та осі лопаткового дифузора, а зовнішній діаметр РК дорівнює зовнішньому діаметру лопаток D2 (Патент України на корисну модель UA 66369 U, від 26.12.2011). Відоме робоче колесо, як і попереднє, має недостатньо високі енергетичні характеристики: витрати, напір та ККД ступеня. Також при роботі з ним мають місце пульсація та завихрення на виході потока газа. Це обумовлено тим, що в процесі роботи подібних РК, потік газу, протікаючий у меридіальній площі канала робочого колеса, має асиметричний характер відносно осі дії відцентрових сил і осі лопаткового дифузора. Ця обставина приводить до того, що частина газу, що рухається вдовж покривного диска, попадає в дифузор під кутом, близьким до  , і створює 1 UA 102196 C2 5 10 вихор з відривом потоку через зниження дотичних напруг до нуля (див. Фіг. 1, на якій наведені: основний диск 1, покривний диск 2, МЛК 3, дифузор 4). Подібна структура потока на виході з РК спричинює суттєвий негативний вплив на характер потоку газу та енергетичні характеристики. На Фіг. 1 наведена несиметрична картина виникнення вихрової зони і відрив потоку, які перешкоджають дифузним процесам та знижують напірні і витратні характеристики ступеня. Крім того, безпосередня близькість лопаток РК до ЛД створює дискретність в процесі подання газа з РК і, як наслідок, пульсацію потока. В свою чергу пульсуючий потік створює високочастотні коливання ступеня, (рівні числу оборотів ротора помноженому на число лопаток РК), які при певних умовах виходять за рамки допустимих. Наведені нижче математичні дослідження заявників показали необхідність використання конічного покривного диска в подібних РК з кутом конуса при вершині, рівним 180  2 . Дослідження заявників базуються на тому, що необхідність використання конічного покривного диска обумовлюється лінійно-перемінною висотою лопаток від параметра b1 до 15 20 параметра b 2 . Прийняті скорочення та позначення: ВК - відцентровий компресор: РК - робоче колесо; БЛД - безлопатковий дифузор; ЛД - лопатковий дифузор; ПЧ - проточна частина ВК; ΜЛК - міжлопатковий канал; D0 - внутрішній діаметр лопаток; D2 - зовнішній діаметр лопаток; D3 - зовнішній діаметр РК; Dd 25 - діаметр всмоктувальної кромки покривного диска; D1 - діаметр дифузора; Dвт 30 - діаметр посадки РК на вал; Переріз 0-0 - площа перерізу каналу на вході в РК; Переріз 1-1 - площа перерізу каналу на вході в МЛК: Переріз 2-2 - площа перерізу каналу на виході з МЛК; b1 - висота лопатки з боку виходу газу; 2 35 - висота лопатки з боку входа газу; b2 - коефіцієнт витрат; ФР - умовний коефіцієнт витрат; 2 - кут потоку при абсолютному русі; 2 - кут потоку при відносному русі; т - коефіцієнт напору; с2 - абсолютна швидкість потоку на виході з РК; w2 - відносна швидкість потоку на виході з РК; w1 - відносна швидкість потоку на вході в РК; KF 40 - густина газу на виході з РК; 2 - відношення площ каналу в перерізах 0 і 1; KD 45 - відношення діаметрів D1 / D0 ; n - число оборотів ротора; z - число лопаток РК. Початкова висота лопаток у РК і складає величину b1 визначається з умови аеродинамічно оптимального входу газу 2 UA 102196 C2 2 D1 2  DВТ 2 KD b1  4D1KF . Вибір висоти лопаток на виході з РК b 2 , при заданому значенні коефіцієнта теоретичного напору приводить до наступної трансформації трикутника швидкостей (Див. схему на Фіг. 2). На Фіг. 2 наведена схема, на якій показані вихідні трикутники швидкостей варіанта РК з 5 меншим (суцільні лінії) і з більшим значенням параметра b 2 (штрихові лінії). Звідси виходить: - коефіцієнт витрат тим більше, чим менше b 2 2  ФР 4 2b2 , - кути виходу потоку при абсолютному і відносному русі тим більше, чим менше b 2 10  2  arctg 2 Т 2  arctg 2 1  Т , - швидкість потоку та відповідна їм кінетична енергія на виході з РК тим більше, чим менше b2 c2  2  2 2 Т 15 w2  2  1 Т 2 2 , - сповільнення потоку при відносному русі тим слабше, чим менше b 2 w 2  1   Т 2 2 w2  w1 w1 . Наведені обставини в різному степені визначають вибір b 2 , але всі вони повинні прийматися до уваги. 20 З вищенаведених співвідношень виходить наступна формула для визначення залежності від заданого сповільнення: b2   ФР b2 в  42 w1w 2  1 Т 2 . У всякому випадку висота лопаток РК на виході не повинна перевищувати висоту лопаток на вході: b1  b2 . Така нерівність створює кут зниження висоти лопаток від входу газу до виходу:   arctg 25 b1  b2 L , де L - довжина лопатки. В зв'язку з вищенаведеним відомий покривний диск РК виготовляється з кутом конуса   180  2 . 30 35 40 В основу винаходу поставлена задача удосконалення конструкції робочого колеса відцентрового компресора, в якому, шляхом зміни геометричної форми та параметрів кутів внутрішньої поверхні основного та покривного дисків, що, в свою чергу, спричинює симетрію меридіальної площі каналу робочого колеса відносно площі дії відцентрових сил і осі лопаткового дифузора, збільшення зовнішнього діаметра робочого колеса від D2 до D3 і створення на робочому колесі безлопаткового рухомого дифузора, та забезпечує можливість збільшення енергетичних характеристик робочого колеса: витрат, напору, ККД і зменшення пульсації та завихрення газового потоку на виході з робочого колеса. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій конструкції робочого колеса відцентрового компресора, яка включає основний диск з лопатками; закріплений на торцевих поверхнях лопаток покривний диск, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; і, сформований внутрішніми поверхнями основного та покривного дисків, міжлопатковий канал, згідно з запропонованим винаходом, робоче колесо додатково містить рухомий безлопатковий дифузор з кутом розкриття 1°-1,5°; внутрішня поверхня основного диска виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; внутрішні поверхні обох дисків мають однакові параметри кутів при вершинах конусів, меридіанна площа 3 UA 102196 C2 5 міжлопаткового каналу симетрична відносно осі дії відцентрових сил та осі рухомого безлопаткового дифузора. Запропоноване робоче колесо ВК являє собою конструкцію, яка складається з: - основного диска з лопатками, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною з кутом при вершині 180   ; - закріпленого на торцевих поверхнях лопаток покривного диска, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною з кутом при вершині 180   ; - міжлопаткового каналу, сформованого внутрішніми конічними поверхнями дисків; - і, створеного на робочому колесі, рухомого безлопаткового дифузора. 10 Зберігаючи параметри висоти лопаток з боку входу та виходу газа від параметра b1 до 15 20 25 30 35 40 параметра b 2 і відношення площ каналу K F в перерізах 0 і 1 (на вході в РК і на вході МЛК), заявники досягають симетрії в меридіанній площі каналу РК відносно дії відцентрових сил та осі БЛД і ЛД. Зовнішній діаметр лопаток залишається D2, а зовнішній діаметр РК збільшується на величину (0,1-0,15)D2. Таким чином, зовнішній діаметр РК D3 =(1,1-1,15) D2. Між D2 і D3 створюється безлопатковий рухомий дифузор з кутом розкриття в межах 1-1,5°, в якому крім сповільнення потоку проходить згладжування пульсацій газу, що в свою чергу знижує паразитні коливання компресора в цілому. Запропонована конструкція РК дозволяє досягнути наступних корисних результатів: - газ симетрично надходить в лопатковий дифузор без утворення вихрових зон; - кут розкриття безлопаткового рухомого дифузора в межах 1-1,5° створює додаткову дотичну напругу на стінках лопаткового дифузора, що виключає відрив потоку газу та інтенсифікує його гальмування, що в свою чергу сприяє більш активному перетворенню кінетичної енергії газу в потенційну; - збільшуються витрати, напір газу, ККД ступеня; - знижуються пульсація газу та завихрення газового потоку на виході з робочого колеса без зміни інших параметрів ступеня. Технічний результат запропонованої конструкції робочого колеса полягає в збільшенні енергетичних характеристик робочого колеса: витрат, напору, ККД, зменшенні пульсації та завихрення газового потоку на виході з робочого колеса з одночасним збереженням параметрів висоти лопаток і відношення площ міжлопаткового каналу в перерізах 0 і 1. Запропонована конструкція РК пояснюється кресленням Фіг. 3. На кресленні Фіг. 3 показані: основний диск 1 з вифрезерованими за одне ціле з ним лопатками; покривний диск 2, закріплений на торцевих поверхнях лопаток; міжлопатковий канал 3, безлопатковий рухомий дифузор 4 і лопатковий дифузор 5. Внутрішня поверхня основного диска виконана конічною з прямолінійною твірною і кутом при вершині 180   . Внутрішня поверхня покривного диска також виконана конічною з прямолінійною твірною і кутом при вершині 180   . Меридіальна площа міжлопаткового каналу 3 симетрична відносно площі дії відцентрових сил і осі безлопаткого 4 і лопаткового 5 дифузорів. На кресленні Фіг. 2 також показані: D0 - внутрішній діаметр лопаток; D2 - зовнішній діаметр лопаток; D3 - зовнішній діаметр РК; Dd 45 - діаметр всмоктувальної кромки покривного диска; D1 - діаметр дифузора; Dвт 50 - діаметр посадки РК на вал. Переріз 0-0 - площа перерізу каналу на вході в РК; Переріз 1-1 - площа перерізу каналу на вході в МЛК; Переріз 2-2 - площа перерізу каналу на виході з МЛК; b1 - висота лопатки з боку входу газу; b2 55 - висота лопатки з боку виходу газу. Робоче колесо відцентрового компресора працює наступним чином. При обертанні робочого колеса лопатки діють на газ, що перекачується, в результаті чого здійснюється приріст 4 UA 102196 C2 кінетичної енергії з наступним переходом у безлопатковий рухомий дифузор 4 і лопатковий нерухомий дифузор 5, в яких кінетична енергія перетворюється у потенційну, тобто здійснюється приростання тиску. 5 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Робоче колесо відцентрового компресора, що містить основний диск з лопатками; закріплений на торцевих поверхнях лопаток покривний диск, внутрішня поверхня якого виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; і сформований внутрішніми поверхнями дисків міжлопатковий канал; яке відрізняється тим, що робоче колесо додатково містить рухомий безлопатковий дифузор з кутом розкриття 1°-1,5°; внутрішня поверхня основного диска виконана конічною з прямолінійною твірною конуса; внутрішні поверхні обох дисків мають однакові параметри кутів при вершинах конусів, меридіанна площа міжлопаткового каналу симетрична відносно осі дії відцентрових сил та осі рухомого безлопаткового дифузора. 5 UA 102196 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6