Осевой компрессор

Осевой компрессор имеет двухступенчатый каскад (8) направляющих лопаток на конце (5) вала ротора (4) со стороны выхода. Направляющие лопатки (11) второй ступени каскада смещены относительно направляющих лопаток (10) в окружном направлении таким образом, что вихревые хвосты, производимые направляющими лопатками (10) первой ступени направляющих лопаток, не могут попадать на направляющие лопатки (11) второй ступени. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к осевому компрессору с расположенным в корпусе с возможностью вращения ротором, имеющим несколько ступеней рабочих лопаток, и со стационарно расположенным в корпусе со стороны выхода последней ступени рабочих лопаток ротора многоступенчатым каскадом направляющих лопаток, который имеет расположенные в осевом направлении ряды направляющих лопаток без осевого перекрытия, при этом все направляющие лопатки каскада направляющих лопаток находятся на одинаковом дуговом расстоянии от своих соседних в окружном направлении корпуса лопаток, и соответственно следующая в осевом направлении ступень направляющих лопаток смещена относительно предыдущей ступени направляющих лопаток в окружном направлении таким образом, что производимые направляющими лопатками предыдущей ступени вихревые хвосты проходят соответственно между соседними направляющими лопатками следующей ступени направляющих лопаток.

Такой осевой компрессор известен, например, из ЕР 0343888 А2.

Осевые компрессоры, в общем, известны. При этом речь идет о турбомашинах с ротором, который расположен внутри корпуса, через который проходит поток в осевом направлении, и который для работы компрессора обычно имеет несколько ступеней рабочих лопаток, то есть рядов лопаток со стороны ротора с соседними в окружном направлении рабочими лопатками. Между соседними по оси рядами рабочих лопаток соответственно предусмотрены стационарные ряды направляющих лопаток со стороны корпуса для того, чтобы отклонять сжимаемую жидкость на ее пути к следующей по оси ступени рабочих лопаток в оптимальном для этого направлении набегающего потока. Также за последней ступенью рабочих лопаток ротора предусмотрено стационарное расположение или каскад направляющих лопаток с тем, чтобы преобразовывать вызванный ротором вихревой поток жидкости в поток, по существу направленный по оси. Таким образом, достигаются высокие осевые скорости потока, так что достигнутая кинетическая энергия потока рабочей среды может быть преобразована в потенциальную энергию (давление).

Наряду с одноступенчатыми каскадами направляющих лопаток с так называемыми «супернаправляющими лопатками» известны многоступенчатые каскады направляющих лопаток, в случае которых по оси друг за другом (без осевого перекрытия) расположены несколько рядов направляющих лопаток, которые соответственно состоят из соседних в окружном направлении корпуса направляющих лопаток.

В такой компоновке направляющие лопатки могут иметь сравнительно простой в изготовлении профиль и легче оптимизируются с точки зрения аэродинамики. Однако даже оптимальный с точки зрения аэродинамики профиль многоступенчатого каскада направляющих лопаток за конечной ступенью рабочих лопаток ротора обычно приводит к субоптимальному результату, в частности обнаруживаются колебания давления в потоке рабочей среды.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание осевого компрессора с оптимальным многоступенчатым каскадом направляющих лопаток.

Данная задача согласно изобретению решается тем, что корпус состоит из примыкающих друг к другу в окружном направлении частей оболочки, причем между соседними в окружном направлении направляющими лопатками каскада расположено по одному сегменту внутренней стенки, задающему расстояние между направляющими лопатками в окружном направлении, причем на секущей плоскости между соседними частями оболочки корпуса предусмотрен разделенный на части сегмент внутренней стенки, секущая плоскость которого между сегментными частями совпадает с секущей плоскостью между частями оболочки корпуса, причем сегментные части расположенных друг за другом по оси ступеней направляющих лопаток имеют такие размеры, что обе ступени направляющих лопаток имеют заданный сдвиг в окружном направлении.

Изобретение базируется на общей идее обеспечить при расположенных друг за другом в осевом направлении ступенях направляющих лопаток по возможности свободный от завихрений невозмущенный поток у расположенных ниже по потоку направляющих лопатках.

Чтобы желаемый невозмущенный поток достиг следующей в направлении потока направляющей лопатки, с помощью изобретения остается известное до настоящего времени конструктивное выполнение многоступенчатого каскада направляющих лопаток. До настоящего времени в случае расположенных друг за другом в осевом направлении ступенях направляющих лопаток были предусмотрены различные расстояния между соседними в окружном направлении направляющими лопатками, т.е. между направляющими лопатками следующей в направлении потока ступени направляющих лопаток имеются в окружном направлении дуговые расстояния, большие, чем между направляющими лопатками соответственно предыдущей в направлении потока ступени направляющих лопаток. Таким образом, было принципиально невозможным, удержать вихревые хвосты направляющих лопаток предыдущей ступени направляющих лопаток воспроизводимым образом с помощью передней кромки направляющей лопатки следующей ступени направляющих лопаток.

Согласно изобретению это легко возможно, так как между направляющими лопатками предыдущей ступени направляющих лопаток и направляющими лопатками следующей ступени направляющих лопаток имеются одинаковые дуговые расстояния в окружном направлении, так что следующая ступень направляющих лопаток должна быть смещена относительно предыдущей ступени направляющих лопаток лишь на небольшое дуговое расстояние для того, чтобы создавать относительно свободный от завихрений невозмущенный поток по направляющим лопаткам следующей ступени направляющих лопаток. При этом согласно изобретению предусмотрено, что корпус осевого компрессора принципиально известным способом состоит из примыкающих друг к другу в окружном направлении частей оболочки, а между соседними в окружном направлении направляющими лопатками каскада направляющих лопаток соответственно предусмотрены сегменты внутренней стенки, задающие окружное расстояние между соседними направляющими лопатками. В этой связи предусмотрено, что на секущей плоскости между соседними частями оболочки корпуса находится разделенный сегмент внутренней стенки, а именно таким образом, что секущая плоскость между сегментными частями совпадает с секущей плоскостью между частями оболочки корпуса. Если сегментные части расположенных друг за другом ступеней направляющих лопаток каскада имеют размеры в соответствии с предусмотренным между этими ступенями сдвигом направляющих лопаток в окружном направлении, направляющие лопатки каскада направляющих лопаток расположены в соответствии с изобретением без дополнительных мер, если секущие плоскости частей оболочки и сегментных частей совпадают.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения может быть предусмотрено, что вихревые хвосты отстоят от выполненной выпукло стороны соседней направляющей лопатки следующей ступени направляющих лопаток на меньшее расстояние, чем от выполненной вогнутой стороны другой соседней направляющей лопатки.

Тем самым, вихревые хвосты достигают сравнительно быстрого обтекания выполненных выпукло сторон направляющих лопаток, так что завихрения сравнительно эффективно «выравниваются».

Предпочтительно, если значения обоих расстояний соотносятся примерно как 1:2 до 1:1.

В остальном, в отношении предпочтительных признаков дается ссылка на пункты формулы изобретения и дальнейшие комментарии к чертежам, с помощью которых подробнее объясняется особенно предпочтительный вариант осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано:

Фиг. 1 - схематичный осевой разрез обычного осевого компрессора с выходным каскадом направляющих лопаток, который состоит из так называемых «супернаправляющих лопаток»,

Фиг. 2 - схематичный осевой разрез осевого компрессора с расположенным на валу со стороны выхода двухступенчатым каскадом направляющих лопаток,

Фиг. 3 - частичный разрез обычного двухступенчатого каскада направляющих лопаток, причем все профили лопаток представлены относительно развернутой внутренней стенки корпуса компрессора,

Фиг. 4 - изображение каскада направляющих лопаток согласно изобретению, соответствующее фиг. 3,

Фиг. 5 - вид на развернутый участок внутренней стенки корпуса компрессора в зоне выходного каскада направляющих лопаток.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг. 1 представлен обычный осевой компрессор. В общеизвестном варианте он имеет корпус 1 с, по существу, вращательно-симметричной относительно оси 2 ротора внутренней стенкой 3. Корпус 1 окружает ротор 4, который расположен по оси между входом 5 сжимаемой рабочей среды и выходом 5′, который, как правило, ведет к камере сгорания.

В общеизвестном варианте на роторе 4 жестко установлены лопатки, а именно в проходящих в окружном направлении ротора рядах рабочих лопаток, другими словами, ступенях рабочих лопаток. Между соседними в осевом направлении ступенями рабочих лопаток расположены жестко закрепленные на корпусе направляющие лопатки 7, а именно соответственно в проходящих в окружном направлении внутренней стенки 3 корпуса рядах или ступенях направляющих лопаток.

В осевом направлении за последней ступенью рабочих лопаток ротора 4 предусмотрено одноступенчатое расположение или каскад 8 направляющих лопаток, который состоит из так называемых «супернаправляющих лопаток» 9. Эти супернаправляющие лопатки имеют ярко выраженный вогнутый профиль и расположены таким образом, что устраняют сильное завихрение рабочей среды на выходе ротора 1 и формируют по большей части осевое течение рабочей среды.

Представленный на фиг. 2 осевой компрессор отличается от осевого компрессора, изображенного на фиг. 1, по существу только тем, что каскад 8 направляющих лопаток выполнен двухступенчатым с «нормальными» направляющими лопатками 10 и 11, которые имеют сравнительно несильно вогнутый профиль.

Представленная на фиг. 2 конструкция осевого компрессора принципиально известна и предусматривается также согласно изобретению.

На фиг. 3 и 4 показаны отличия изобретения от существующих до настоящего времени конструкций. На фиг. 3 представлены относительные позиции направляющих лопаток 10 и 11 обычного двухступенчатого каскада направляющих лопаток 10. В частности, видно, что передние кромки передних по направлению потока направляющих лопаток 10 передней ступени направляющих лопаток имеют в окружном направлении расстояние U₁, тогда как направляющие лопатки 11 следующей за ней ступени направляющих лопаток в этом направлении имеют отличающееся от него расстояние U₂. Это неизбежно ведет к тому, что образованные передними направляющими лопатками 10 вихревые хвосты 13, по меньшей мере, частично попадают непосредственно на передние кромки направляющих лопаток 11 следующей ступени направляющих лопаток. Благодаря этому, коэффициент полезного действия каскада направляющих лопаток, а следовательно, и коэффициент полезного действия осевого компрессора снижается.

Согласно изобретению согласно фиг. 4 расстояния U₁ и U₂, напротив, имеют одинаковое значение, так что посредством соответствующего смещения направляющих лопаток 11 следующей ступени направляющих лопаток, в окружном направлении, может быть обеспечено то, что вихревые хвосты 13 соответственно заходят между соседними в окружном направлении направляющими лопатками 11. Предпочтительно расположение направляющих лопаток 10 и 11 образовано так, что вихревые хвосты 13 направляются на сравнительно большем расстоянии на выполненную выпукло сторону на фигуре соответственно нижней направляющей лопатки 11. При этом соотношение расстояний U′₂ и U″₂ представлено как U′₂:U″₂=1:2.

Тем самым, в результате достигается, что вихревые хвосты 13 в сравнительно быстром протекании достигают выпуклой стороны направляющей лопатки.

Чтобы при монтаже осевого компрессора достичь желаемого смещения в окружном направлении между ступенью направляющих лопаток, образованной направляющими лопатками 10, и ступенью направляющих лопаток, образованной направляющими лопатками 11, предпочтительна конструкция согласно фиг. 5.

Корпус компрессора принципиально известным способом состоит из частей оболочки, которые, например, по секущей плоскости 14 собраны друг с другом. На внутреннюю стенку этой части оболочки известным образом монтируются направляющие лопатки 10 и 11 тем, что, например, основания 15 и 16 направляющих лопаток 10 и 11 с внутрь направленными анкерами вставляются в окружном направлении в образованный канал на внутренней стороне каждой части оболочки. Между соседними в окружном направлении основаниями 15 и, соответственно, 16 расположен сегмент 17 и, соответственно, 18 внутренней стенки, который имеет такие размеры, что имеются видимые на фиг. 4 дуговые расстояния U₁ и U₂ между передними кромками направляющих лопаток 10 и 11. В зоне секущей плоскости 14 предусмотрены сегментированные стеновые сегменты с сегментными частями 17′ и 17″ и, соответственно, 18′ и 18″, причем все сегментные части 17′ и 17″ и, соответственно, 18′ и 18″ позиционированы так, что их секущая плоскость совпадает с секущей плоскостью 14 части оболочки корпуса. При соответствующем определении размеров сегментных частей 17′ и 18′, равно как и 17″ и 18″, будет таким образом обеспечено смещение в окружном направлении между направляющими лопатками 10 и 11.

В фиг. 1-5 также схематично в профиль представлены соответственно одна или несколько рабочих лопаток 6 последней ступени рабочих лопаток, причем R обозначает направление вращения ротора 4.

Ссылочные позиции

1 корпус

2 ось ротора

3 внутренняя стенка

4 ротор

5 вход

5′ выход

6 рабочие лопатки

7 направляющие лопатки

8 каскад направляющих лопаток

9 супернаправляющие лопатки

10 направляющие лопатки

11 направляющие лопатки

13 вихревые хвосты

14 секущая плоскость

15 основание

16 основание

17 сегмент стенки

17′ сегментная часть

17″ сегментная часть

18 сегмент стенки

18′ сегментная часть

18″ сегментная часть

R направление вращения

U₁, U₂, U′₁, U″₂ расстояния.

1. Осевой компрессор с расположенным в корпусе (1) с возможностью вращения ротором (4), имеющим несколько ступеней рабочих лопаток, и со стационарно расположенным в корпусе (1) со стороны выхода последней ступени рабочих лопаток ротора (4) многоступенчатым каскадом (8) направляющих лопаток, который имеет расположенные в осевом направлении ряды направляющих лопаток без осевого перекрытия, при этом все направляющие лопатки (10, 11) каскада (8) направляющих лопаток находятся на одинаковом дуговом расстоянии от своих соседних в окружном направлении корпуса лопаток, и соответственно следующая в осевом направлении ступень направляющих лопаток смещена относительно предыдущей ступени направляющих лопаток в окружном направлении таким образом, что производимые направляющими лопатками (10) предыдущей ступени вихревые хвосты (13) проходят соответственно между соседними направляющими лопатками (11) следующей ступени направляющих лопаток, отличающийся тем, что корпус (1) состоит из примыкающих друг к другу в окружном направлении частей оболочки, причем между соседними в окружном направлении направляющими лопатками (10, 11) каскада расположено по одному сегменту (17, 18) внутренней стенки, задающему расстояние между направляющими лопатками (10, 11) в окружном направлении, причем на секущей плоскости (14) между соседними частями оболочки корпуса предусмотрен разделенный на части сегмент (17′, 17″; 18′, 18″) внутренней стенки, секущая плоскость которого между сегментными частями совпадает с секущей плоскостью (14) между частями оболочки корпуса (1), причем сегментные части (17′, 17″, 18′, 18″) расположенных друг за другом по оси ступеней (10, 11) направляющих лопаток имеют такие размеры, что обе ступени (10, 11) направляющих лопаток имеют заданный сдвиг в окружном направлении.

2. Осевой компрессор по п. 1,
отличающийся тем,
что вихревые хвосты (13) находятся на меньшем расстоянии от выполненной выпукло стороны соседней направляющей лопатки (11), чем от выполненной вогнуто стороны другой соседней направляющей лопатки (11).

3. Осевой компрессор по п. 2,
отличающийся тем,
что отношение величин обоих расстояний (U′₂, U″₂) составляет примерно 1:1>U′₂:U″₂>1:2.