Турбокомпрессор

 

Изобретение относится к компрессоростроению и, в частности к осевым, диагональным и осецентробежным компрессорам газотурбинных установок. Данное предложение решает задачу расширения диапазона газодинамической устойчивости компрессора и аэроупругой устойчивости его лопаток при сохранении уровня к. п. д. В корпусе 1 над торцами лопаток рабочих колес 2 выполнено надроторное устройство, состоящее из кольцевой полости 3 и кольцевой решетки, образованное криволинейными ребрами и щелями между ними, через решетку полость 3 сообщается с проточной частью компрессора. Ребра могут быть выполнены в виде аэродинамических профилей. Кольцевая полость 3 может быть выполнена переменной по высоте и снабжена дополнительными пластинами, установленными за решеткой. Стенки кольцевой полости могут выполняться криволинейными, а дополнительные пластины - криволинейными и профилированными, кроме того, турбокомпрессор может быть снабжен дополнительной камерой, подключенной к полости 3. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению и, в частности к осевым, диагональным и осецентробежным компрессорам газотурбинных установок.

Известен центробежный компрессор (а.с. N 273364, БИ N 20, 1970 г. - аналог), содержащий рабочее колесо и корпус с входным и выходными патрубками, причем на входном участке корпуса предусмотрена кольцевая полость, расположенная над торцовой кромкой лопаток и соединенная с проточной частью двумя смежными кольцевыми каналами, в каждом из которых расположены ребра, наклоненные в плоскости вращения в противоположных направлениях относительно радиуса.

Отличия в процессах сжатия газов и конструкций между центробежными и осевыми, диагональными или комбинированными компрессорами накладывают специфические требования к конструкции антисрывных надроторных устройств. По этой причине эффект от применения устройства, описанного в а.с. N 273364, не обеспечивает работоспособности многоступенчатого осевого компрессора с осевыми первыми ступенями в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Известно надроторное устройство, содержащее расположенную в корпусе перед и над лопатками рабочего колеса кольцевую полость, сообщающуюся с проточной частью турбомашины через щели между образующими решетку ребрами, в поперечном сечении наклоненными к радиусу корпуса (а.с. СССР N 757774, опубл. 1980 г.). Недостаток указанного решения состоит в том, что во избежании падения к.п.д. компрессора, возникает необходимость в дополнительном регулирующем устройстве в виде поворотного кольца, которое существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность.

Известен являющийся ближайшим к предложенному турбокомпрессор, содержащий корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками и кольцевую полость, расположенную на участке, перекрывающем переднюю часть торцов рабочих лопаток и периферию проточной части перед ними, и сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, расположенными под углом к радиусу корпуса (патент РФ N 2034175, опубл. 30.04.1995 г.). Недостаток известного трубокомпрессора состоит в том, что он недостаточно полно охватывает возможные диапазоны работы компрессора. Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона газодинамической устойчивости компрессора и аэроупругой устойчивости его лопаток при сохранении уровня к.п.д. при саморегулируемости, благодаря чему не требует дополнительных управляемых устройств.

Указанная задача решается за счет того, что в турбокомпрессоре содержащем корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками, и кольцевую полость, расположенную на участке, перекрывающем переднюю часть торцев рабочих лопаток, и периферию проточной части перед ними и сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, ребра в решетке выполнены криволинейными, угол между хордой ребра и радиусом корпуса равен ϕ_ч = 15-70^o, угол между касательной к боковой поверхности ребра и осью турбокомпрессора ϕ_а находится в диапазоне от -40^o до +40^o, отношение ширины щели δ_щ к толщине ребра δ_р в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса равно 0,7 - 2,3, отношение хорды ребра h' к ширине щелей δ_щ по нормали к их боковой поверхности равно 2,0 - 6,0, отношение высоты кольцевой полости H к радиальной проекции хорды ребра h в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса равно 0,2 - 2,0, отношение осевой протяженности решетки L к осевой проекции хорды рабочих лопаток к периферии bk' не менее 0,4, а отношение участка осевой проекции решетки на периферии рабочих лопаток l к общей протяженности решетки L вдоль турбокомпрессора находится в пределах 0,12 - 0,7. Турбокомпрессор может быть выполнен таким образом, что угол между поверхностью ребер и меридиональной плоскостью является переменным в радиальном направлении. Ребра могут быть выполнены в виде аэродинамических профилей с отношением минимальной ширины щели к максимальной толщине ребра, равным 0,7 - 2,3. Кроме того, кольцевая полость может быть снабжена дополнительными пластинами, установленными за решеткой, и эта кольцевая полость может быть выполнена переменной по высоте. При этом отношение высоты кольцевой полости к радиальной проекции ребра равное 0,2 - 2,0, относится к поперечному сечению, проведенному по передним кромкам рабочих лопаток на их периферии. Стенки кольцевой полости могут быть выполнены криволинейными, а дополнительные пластины - криволинейными и профилированными. Турбокомпрессор может быть снабжен дополнительной камерой, подключенной к кольцевой полости. Кроме того, число ребер решетки может выбираться, исходя из того, что величина произведения числа ребер решетки на номинальную частоту вращения рабочего колеса должна отличаться от собственных частот колебаний лопаток не менее чем на 5%, а собственные частоты колебаний ребер должны отличаться не менее чем на 5% от величины, кратной произведению числа лопаток рабочего колеса на номинальную частоту вращения турбокомпрессора.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-6, где на фиг. 1 изображен разрез ступени турбокомпрессора; на фиг. 2 - вид на решетку по стрелке Б; на фиг. 3, 4 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 5, 6 - продольный разрез ступени компрессора.

В корпусе 1 над торцами лопаток рабочих колес 2 выполнено надроторное устройство, состоящее из кольцевой полости 3 и кольцевой решетки, образованной ребрами 4 и щелями 5 между ними. Ребра выполнены криволинейными. Через решетку полость 3 сообщается с проточной частью компрессора. Угол ϕ_ч между хордой ребер 4 и радиусом корпуса 1 равен 15-70^o. Угол ϕ_а между касательной к боковой поверхности ребра 4 и осью турбокомпрессора находится в диапазоне от -40^o до +40^o. Угол между поверхностью ребер 4 и меридианальной плоскостью является переменным в радиальном направлении. Ребра 4 могут быть выполнены в виде аэродинамических профилей, а отношение ширины δ_щ щели 5 к толщине δ_р ребра 4, равное 0,7 - 2,3, относится к минимальной ширине щели и максимальной толщине ребра 4. Углы ϕ_ч и ϕ_а могут меняться по длине устройства и зависят от направления потока перед колесом 2, формы проточной части и других параметров. Кольцевая полость 3 может быть снабжена дополнительными пластинами 6, установленными за решеткой. Кольцевая полость 3 может быть выполнена переменной по высоте, при этом отношение высоты кольцевой полости H к радиальной проекции хорды ребра h, равное 0,2 - 2,0, относится к поперечному сечению, проведенному по передним кромкам рабочих лопаток на их периферии. Стенки кольцевой полости 3 могут быть выполнены криволинейными, а дополнительные пластины 6 могут быть выполнены криволинейными и профилированными. Турбокомпрессор может быть снабжен дополнительной камерой 7, подключенной к кольцевой полости. Все геометрические параметры элементов надроторного устройства выбираются таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность устройства на предсрывных и срывных режимах и не допускать снижения к. п. д. на оптимальных режимах течения. Для уменьшения потерь при истечении воздуха из рабочего колеса в кольцевую полость 3, угол ϕ_ч рассчитывается по параметрам потока на периферии рабочего колеса таким образом, чтобы он был близок к направлению потока в поперечном сечении, т.е. и, как показали дополнительные исследования и эксперименты, при реальных параметрах ступеней не выходит за указанные пределы 15^o-70^o. Угол ϕ_а в меньшей степени влияет на эффективность работы устройства, однако исходя из экспериментальных данных, его значения должны располагаться в диапазоне от -40^o до +40^o. Выход за нижнюю границу диапазона приводит к падению к. п. д. ступени, а за верхнюю границу к снижению эффективности по основной функции устройства. Осевая протяженность решетки L должна быть не менее 0,4 от осевой проекции хорды bk' рабочих лопаток у периферии. Уменьшение этой величины приводит к ухудшению эффективности устройства, поскольку при этом ослабляется циркуляционное течение в нем. Отношение ширины щели 5 δ_щ к толщине δ_р ребра 4 в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса равно = 0,7 - 2,3. Увеличение этого отношения за пределы указанного диапазона приводит к необходимости уменьшать толщину ребер и следовательно их прочность, кроме того в этом случае возрастает эффективный радиальный зазор по периферии рабочего колеса, вследствие чего снижается к.п.д. ступени. Уменьшение этого отношения снижает проницаемость решетки, следовательно, затрудняет перетекание через нее, т.е. ослабляет механизм действия устройства. Отношение хорды ребер h' к ширине щелей δ_щ по нормали к их боковой поверхности, равное 2,0 - 6,0, относится к поперечному сечению, проведенному по передним кромкам рабочих лопаток на их периферии, выбирается, исходя из необходимости, обеспечить максимальную направляющую способность решетки на ее входе и выходе. Отношение высоты кольцевой полости H к радиальной проекции хорды ребра h в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса выбирается в пределах 0,2-2,0 на основе рассчетного определения фактора демпфирования устройства в зависимости от параметров ступени компрессора. Уменьшение этой величины приводит к уменьшению эффективности устройства, а увеличение неоправданно увеличивает радиальные габариты. Отношение участка осевой проекции решетки на периферии рабочих лопаток l к общей протяженности решетки L вдоль турбокомпрессора находится в пределах 0,12 - 0,7. Выход за нижнюю границу резко уменьшает эффективность устройства, а выход за верхнюю границу приводит к падению к.п.д. ступени. Выбор параметров устройства в указанных пределах производится по результатам аэродинамических расчетов и с учетом конструктивных и технологических особенностей компрессоров.

На оптимальных режимах течения в рабочем колесе и при повышенных расходах давление в передней части межлопаточного канала не превышает давления на периферии проточной части перед рабочим колесом и истечение воздуха из рабочего колеса 2 в надроторное устройство не происходит. Напротив, при расходе воздуха, превышающем оптимальный, может происходить подсасывание воздуха через решетку и кольцевую полость 3 в проточную часть рабочего колеса. При уменьшении расхода воздуха через компрессор, повышение давления за ним или при локальном уменьшении скорости потока на периферии перед рабочим колесом 2 возрастают углы атаки на лопатках, давление в передней части межлопаточного канала возрастает и становится выше давления на периферии проточной части компрессора перед колесом. Под действием возникшего перепада давлений начинается истечение воздуха через щели 5 надроторного устройства над рабочим колесом 2 в кольцевую полость 3, а из нее в проточную часть перед колесом.

В результате этого процесса на периферии проточной части формируется циркуляционное течение, причем расход циркулирующего воздуха увеличивается по мере увеличения противодавления за рабочим колесом 2, в результате чего углы атаки на лопатках мало меняются. Интенсификации циркуляционного течения способствует использование решетки с наклоном щелей 5 в поперечном сечении в направлении вращения и над рабочим колесом и перед ним. Это происходит благодаря тому, что при истечении воздуха из кольцевой полости через щели 5 в проточную часть перед колесом 2 он приобретает закрутку в направлении, противоположном направлению вращения колеса, что увеличивает подсасывающую способность периферийного участка рабочего колеса 2 и повышает его напор. Таким образом, кольцевая полость 3 служит обводным каналом, по которому транспортируется обратный поток воздуха из рабочего колеса при повышении давления за ним, выше некоторого максимального значения.

Формула изобретения

1. Турбокомпрессор, содержащий корпус с размещенными в нем рабочими и направляющими лопатками и кольцевую полость, расположенную на участке, перекрывающем переднюю часть торцов рабочих лопаток и периферию проточной части перед ними и сообщающуюся с проточной частью турбокомпрессора через щели между образующими решетку ребрами, отличающийся тем, что ребра в решетке выполнены криволинейными, угол между хордой ребра и радиусом корпуса равен 15 - 70^o, а угол между касательной к боковой поверхности ребра и осью турбокомпрессора находится в диапазоне от -40^o до +40^o, отношение ширины щели к толщине ребра в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса равно 0,7 - 2,3, отношение хорды ребер к ширине щелей по нормали к их боковой поверхности равно 2,0 - 6,0, отношение высоты кольцевой полости к радиальной проекции хорды ребра в плоскости передних кромок периферии лопаток рабочего колеса равно 0,2 - 2,0, отношение осевой протяженности решетки к осевой проекции хорды рабочих лопаток у периферии не менее 0,4, а отношение участка осевой проекции решетки на периферии рабочих лопаток к общей протяженности решетки вдоль турбокомпрессора находится в пределах 0,12 - 0,7.

2. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что угол между поверхностью ребер и меридианальной плоскостью является переменным в радиальном направлении.

3. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде аэродинамических профилей, а отношение ширины щели к толщине ребра, равное 0,7 - 2,3, относится к минимальной ширине щели и максимальной толщине ребра.

4. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что кольцевая полость снабжена дополнительными пластинами, установленными за решеткой.

5. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что стенки кольцевой полости выполнены криволинейными и полость выполнена переменной по высоте, при этом отношение высоты кольцевой полости к радиальной проекции ребра, равное 0,2 - 2,0, относится к поперечному сечению, проведенному по передним кромкам рабочих лопаток на их периферии.

6. Турбокомпрессор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной камерой, подключенной к кольцевой полости.

7. Турбокомпрессор по п.4, отличающийся тем, что дополнительные пластины выполнены криволинейными и профилированными.

8. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что количество ребер выбирается таким образом, чтобы величина (Z_р · n) отличалась от собственных частот колебаний лопаток не менее чем на 5%, а собственные частоты колебаний ребер должны отличаться от величин, кратных (Z_л · n), не менее чем на 5%, где Z_л - число лопаток рабочего колеса, Z_р - число ребер решетки, n - номинальная частота вращения рабочего колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6