Центробежный компрессор

 

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к конструкции высокоскоростных центробежных машин. Центробежный компрессор содержит корпус и размещенные в нем статор и ротор. Рабочее колесо ротора выполнено из составных частей. По меньшей мере периферийная часть колеса выполнена составной из аксиальных колец, соединенных между собой по цилиндрическим поверхностям, например, с натягом. При этом в каждом кольце выполнены радиальные отверстия, примыкающие друг к другу. Противоположные стенки отверстий попарно являются лопатками или боковыми стенками дисков с образованием общего профиля межлопаточных каналов, покрывного и основного дисков колеса. Составные кольца периферийной части колеса выполнены из материалов с разными коэффициентами линейного расширения. Изобретение направлено на повышение экономичности компрессора за счет снижения напряжений в рабочем колесе. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к конструкции высокоскоростных центробежных машин.

Известен ротор турбомашины (США, патент 4053261, F 01 D 5/04), содержащий установленное на валу полуоткрытое рабочее колесо и установленный перед ним по ходу потока обтекатель.

Недостатком такого ротора является относительно большая осевая деформация колеса, в частности кромок лопаток, которые сопряжены с неподвижными элементами компрессора. При этом зазоры между лопатками колеса и неподвижными элементами должны быть достаточно большими, что снижает КПД турбомашины.

Известен также центробежный компрессор (Шнепп В.В. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.: Машиностроение, 1995, с. 39, рис. 1.23), содержащий корпус, размещенные в нем неподвижные элементы статора, ротор с рабочим колесом полуоткрытого типа и установленными перед последним по ходу потока вращающимся направляющим аппаратом и (или) обтекателем.

Однако КПД такого компрессора недостаточно высок из-за деформаций рабочего колеса и обусловленных этим относительно больших зазоров между лопатками колеса и неподвижными элементами корпуса.

Известен также центробежный компрессор (а.с. 1671982, кл. F 04 D 17/08), содержащий корпус, установленное в нем рабочее колесо с основным и покрывным дисками и радиальными лопатками и диффузор, ось которого смещена в меридианальной плоскости относительно oси симметрии лопаток, причем ось диффузора смещена в сторону основного диска на расстояние 0,05...0,2 ширины лопаток на выходе рабочего колеса.

Однако КПД такого компрессора также недостаточно высок из-за разной деформации рабочего колеса при изменении оборотов в широком диапазоне и рассогласования при этом сориентированного взаиморасположения поверхностей рабочего колеса и диффузора, выставленного для оптимального режима работы компрессора. Неизменными остаются высокие напряжения в покрывном диске и ступице колеса, что снижает надежность работы компрессора из-за усталостных напряжений.

Негативным явлением является и тот факт, что максимальные динамические напряжения, накладывающиеся на высокие статические напряжения, возникают преимущественно в периферийных сечениях покрывного диска вблизи лопаток, то есть там, где имеются концентраторы напряжений: заклепки, паяные или сварные швы.

Кроме того, при высоких окружных скоростях вращения напряжения в рабочем колесе локально достигают значений, соответствующих упругопластическим деформациям материала колеса. Поскольку задача расчета прочности колеса сложна и достаточно приближенна, снижение напряжений в рабочем колесе повысит надежность работы компрессора.

Технической задачей является повышение экономичности и надежности работы компрессора путем уменьшения деформаций рабочего колеса (снижение в нем напряжений, обусловленных вращением колеса).

Технический результат достигается тем, что в центробежном компрессоре, содержащем корпус, размещенные в нем статор и ротор, у которого рабочее колесо выполнено из составных частей, по меньшей мере периферийная часть колеса выполнена составной из аксиальных колец, соединенных между собой по цилиндрическим поверхностям одним из известных способов, например с использованием натяга или склейки по сопрягаемой поверхности, в каждом кольце выполнены радиальные отверстия, примыкающие друг к другу, противоположные стенки которых попарно являются лопатками или боковыми стенками дисков с образованием общего профиля межлопаточного канала колеса.

На фиг. 1 представлен центробежный компрессор; продольный разрез; на фиг. 2 - рабочее колесо центробежного компрессора, продольный разрез; на фиг. 3 - отдельные элементы периферийной части рабочего колеса до выполнения сборки.

Центробежный компрессор содержит корпус 1, размещенные в нем неподвижные статорные элементы с диффузором 2, ротор 3 с рабочим составным колесом 4 закрытого типа, имеющем входную часть в виде входного кольца покрывного диска 5 и ступицы 6, соединенных между собой входными участками лопаток 7, и установленную по ходу потока периферийную часть колеса, выполненную из колец 8, 9, 10, соединенных с входной частью и между собой по цилиндрическим поверхностям 11, 12, 13, например, с использованием натяга или склейки. В каждом кольце 8, 9, 10 периферийной части выполнены радиальные отверстия 14, примыкающие друг к другу, противоположные стенки которых попарно являются лопатками 15, 18, 17 или боковыми стенками дисков 18, 19 с образованием общего профиля межлопаточного канала колеса.

При работе рабочее тело поступает по внутренним каналам компрессора к колесу в осевом направлении. В рабочем колесе 4 при обтекании лопаток 7, 15, 16, 17 к рабочему телу подводится энергия, в процессе чего давление рабочего тела повышается. При выходе из рабочего колеса, как показывают экспериментальные данные, максимум в эпюре скоростей смещен в сторону основного диска. Для предотвращения отрыва потока, выходящего из рабочего колеса, от входной поверхности диффузора 2 используется рабочее колесо, составные части которого не приводят к осевым деформациям колеса.

Поскольку при такой конструкции рабочего колеса деформации в осевом направлении практически отсутствуют, то нет смещения поверхностей при работе компрессора и, как следствие, газодинамических потерь от воздействия газового потока из рабочего колеса на неподвижную сопряженную деталь статора - поверхность диффузора, что способствует повышению КПД компрессора.

Так как при выполнении периферийной части составной по цилиндрическим поверхностям массовые силы инерции охватывающих колец при вращении не передаются охватываемым кольцам, то масса центральной части колеса может быть значительно снижена.

Такое исполнение компрессора позволяет повысить его экономичность за счет исключения возмущений потока в зоне входа в диффузор, полученного, в свою очередь, за счет исключения (сведения к минимуму) осевых деформаций колеса, обусловленных действием изгибающего момента при вращении ротора, а также повысить надежность его работы за счет снижения напряжений в рабочем колесе.

Формула изобретения

1. Центробежный компрессор, содержащий корпус, размещенные в нем статор и ротор, у которого рабочее колесо выполнено из составных частей, отличающийся тем, что, по меньшей мере, периферийная часть колеса выполнена составной из аксиальных колец, соединенных между собой по цилиндрическим поверхностям, например, с натягом, при этом в каждом кольце выполнены радиальные отверстия, примыкающие друг к другу, противоположные стенки которых попарно являются лопатками или боковыми стенками дисков с образованием общего профиля межлопаточных каналов, покрывного и основного дисков колеса.

2. Центробежный компрессор по п. 1, отличающийся тем, что составные кольца периферийной части колеса выполнены из материалов с разными коэффициентами линейного расширения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3