Ступень центробежной турбомашины

Изобретение относится к центробежным насосам и компрессорам. Ступень центробежной турбомашины состоит из отвода и рабочего колеса с ведомым и ведущим дисками и лопастями между ними. Рабочее колесо в периферийной части выполнено с внезапным расширением меридианного сечения в одну или обе стороны. Между внутренней поверхностью дисков после расширения и внешней торцевой поверхностью этих же дисков до расширения образован торцевой зазор в направлении выхода потока из рабочего колеса. Величина торцевого зазора не превышает (0,2-0,3) ширины колеса на выходе. Такая конструкция ступени позволяет полнее использовать энергию дискового трения вне зависимости от вида сочленения рабочего колеса и отвода и благодаря этому повысить КПД и напор ступени. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к турбостроению, в частности к центробежным насосам и компрессорам.

Известны ступени многоступенчатых насосов, содержащие рабочее колесо и направляющий аппарат (например, Лопастные насосы: Справочник. / Под редакцией В.А.Зимницкого и В.А.Умова. Л.: Машиностроение, 1986. С.215, рис.7.8).

Недостаток таких ступеней состоит в том, что они выполнены с закрытым сочленением рабочего колеса и направляющего аппарата, т.е. вход в диффузорные каналы направляющего аппарата по ширине меньше, чем ширина рабочего колеса вместе с дисками. Пазухи, образованные соответствующими дисками колеса, стенкой направляющего аппарата и диафрагмой, разделяющей ступени, при этом оказываются закрытыми. Поток из пазух, инициированный дисковым трением колеса и направленный по плоскости дисков от центра к периферии, наталкивается на уступ в месте сочленения рабочего колеса и направляющего аппарата и теряет значительную часть своей энергии, которая, таким образом, не используется полезно.

Известны ступени насосов со спиральным отводом и рабочим колесом, сочленение которых выполнено открытым, например отечественные насосы типа Д (Лопастные насосы: Справочник. / Под редакцией В.А.Зимницкого и В.А. Умова. Л.: Машиностроение, 1986. С.186, рис.6.4). Такие ступени позволяют полезно использовать часть энергии дискового трения. Поток из пазух, идущий по поверхности дисков, сливается с основным потоком из колеса и сообщает жидкости дополнительную энергию.

Недостаток ступеней с открытым сочленением рабочего колеса и отвода состоит в ограниченности применения такой схемы, она не может быть использована в многоступенчатых машинах с радиальным лопаточным отводом в виде направляющего аппарата. Кроме того, энергия, инициированная дисковым трением, используется недостаточно. Часть ее затрачивается на вихреобразование в спирали, когда в последнюю поступает поток из пазух.

Предлагаемая конструкция ступени позволяет полнее использовать энергию дискового трения вне зависимости от вида сочленения рабочего колеса и отвода и благодаря этому повысить КПД и напор ступени.

Указанная цель достигается тем, что ступень центробежной турбомашины, состоящая из отвода и рабочего колеса с ведомым и ведущим дисками и лопастями между ними, согласно изобретению выполнена с внезапным расширением меридианного сечения рабочего колеса в его периферийной части в одну или обе стороны, причем между внутренней поверхностью дисков после расширения и внешней торцевой поверхностью этих же дисков до расширения образован торцевой зазор в направлении выхода потока из рабочего колеса и величина торцевого зазора не превышает (0,2-0,3) ширины колеса на выходе.

На фиг.1 представлена ступень центробежной турбомашины, меридианное сечение; на фиг.2 - ведомый диск, вид сверху; на фиг.3 и 4 - варианты исполнения ступени.

Ступень содержит отвод 1, рабочее колесо 2 с ведущим диском 3, ведомым диском 4, лопастями 5 и пазухами 6 и 7 между соответствующими дисками и стенками корпуса 8 (фиг.1). Периферийная часть рабочего колеса 2 выполнена с расширением 9 таким образом, что между внутренней поверхностью диска 4 после расширения и внешней поверхностью того же диска до расширения образован торцевой зазор 5 в направлении выхода потока из колеса. Аналогичное расширение может быть выполнено и на ведущем диске 3.

На фиг.1 пунктиром (поз.10) показан вариант исполнения, при котором расширенная часть ведомого диска 4 на периферии рабочего колеса продлена в сторону оси вращения и на расстоянии торцевого зазора перекрывает основную часть диска 4 на участке до внезапного расширения меридианного сечения.

В варианте исполнения, представленном на фиг.3, торцевой зазор δ образован конусными поверхностями периферийной и основной частей ведомого диска 4. Наклон конусных поверхностей ориентирован в сторону ведущего колеса 3.

Перед входом потока в зазор δ на основной части диска 3 возможна установка дополнительных лопаток 11 (фиг.4). Лопатки могут быть прямыми вихревыми либо профилированными по типу центробежных.

Ступень работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 2 на внешней поверхности диска 4 до расширения 9 в относительном движении возникает поток, инициированный дисковым трением. Направление этого потока (стрелка А на фиг.2) соответствует направлению потока в межлопастном канале. Через торцевой зазор δ поток от дискового трения поступает в периферийную расширенную часть 9 рабочего колеса 2 и сливается с потоком внутри его, передавая дополнительную энергию, в результате чего повышается напор и КПД ступени. Поскольку направления потока от дискового трения и потока в межлопастном канале близки, их слияние происходит с минимальным вихреобразованием и потерями.

При выполнении расширения меридианного сечения рабочего колеса 2 на ведущем диске 3 картина течения аналогична описанной.

Известно, что чем меньше коэффициент быстроходности n_s ступени, тем больше доля дискового трения в общей мощности, потребляемой ступенью. Так, при n_s=50 эта доля составляет около 25%, а при n_s=20 - около 60%. Соответственно n_s возрастает и доля полезно используемой энергии при применении конструкции ступени согласно изобретению.

Радиус расположения расширения меридианного сечения выбирается из следующих соображений. Мощность дискового трения торцевой поверхности пропорциональна радиусу в пятой степени, поэтому чем на большем радиусе выполнено расширение меридианного сечения, тем выгоднее. С другой стороны, часть диска за расширением должна быть с необходимой прочностью соединена с торцами лопастей и, следовательно, должна иметь определенный размер.

Выбор размера торцевого зазора δ обусловлен тем расходом жидкости, который обеспечивается дисковым трением ведомого или ведущего дисков. Этот размер не должен превышать величины (0,2-0,3)b₂, где b₂ - ширина рабочего колеса на выходе (см. фиг.1).

Работоспособность заявленной конструкции подтверждена экспериментально.

1. Ступень центробежной турбомашины, состоящая из отвода и рабочего колеса с ведомым и ведущим дисками и лопастей между ними, отличающаяся тем, что периферийная часть рабочего колеса выполнена с внезапным расширением меридианного сечения в одну или обе стороны, причем между внутренней поверхностью дисков после расширения и внешней торцевой поверхностью этих же дисков до расширения образован торцевой зазор в направлении выхода потока из рабочего колеса.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ширина торцевого зазора не превышает (0,2-0,3) ширины рабочего колеса на выходе.