Рабочее колесо центробежного компрессора, лопатки которого имеют непрямолинейную переднюю кромку, и соответствующий способ проектирования
Раскрыто рабочее колесо 9 центробежного компрессора. Рабочее колесо содержит вход для газа и выход для газа. Рабочее колесо также содержит диск 23 с отходящими от него лопатками 25. Лопатки имеют переднюю кромку 25L на входе рабочего колеса и заднюю кромку 25Т на выходе рабочего колеса, а также корневую часть, проходящую вдоль диска 23 между передней кромкой и задней кромкой, венец, проходящий между передней кромкой и задней кромкой напротив диска, сторону повышенного давления и сторону пониженного давления. Лопатки 25 имеют трехмерную кривизну на части своей поверхности, смежной с передней кромкой 25L. Передняя кромка лопаток имеет криволинейный непрямолинейный профиль в меридиональной плоскости. Часть лопатки вблизи передней кромки имеет двойную кривизну. Начиная с передней кромки 25L и по меньшей мере на части лопатки 25, лопатки имеют первое распределение угла лопатки у своей корневой части, второе распределение угла лопатки у своего венца и по меньшей мере третье распределение угла лопатки в промежуточном положении между корневой частью и венцом лопатки, так что сторона пониженного давления и сторона повышенного давления являются, соответственно, вогнутой и выпуклой, или наоборот, в зависимости от формы передней кромки. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 13 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к усовершенствованиям в компрессорах, а более конкретно, в центробежных компрессорах.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Центробежные компрессоры преобразуют механическую энергию, вырабатываемую приводным средством, таким как электрический двигатель, газовая турбина, паровая турбина и т.п., в энергию давления для повышения давления газа, пропускаемого через компрессор. Компрессор по существу содержит корпус, в котором установлен ротор с возможностью вращения и диафрагма. Ротор может содержать одно или несколько рабочих колес, приводимых во вращение источником движущей силы. Рабочие колеса имеют лопатки с широким аксиальным входом и широким радиальным выходом. Лопатки и задняя пластина или основной диск рабочего колеса ограничивают проточные каналы. В некоторых компрессорах рабочее колесо имеет покрывающий диск, расположенный напротив задней пластины, при этом лопатки проходят между задней пластиной или основным диском и покрывающим диском. Газ поступает в проточные каналы каждого рабочего колеса в осевом направлении, ускоряется лопатками рабочего колеса и выходит из рабочего колеса в радиальном или в радиально-осевом направлении в меридиональной плоскости. Ускоренный газ доставляется каждым рабочим колесом через расположенную в окружном направлении диафрагму, где кинетическая энергия газа по меньшей мере частично преобразуется в энергию давления, увеличивая давление газа.
Количество энергии, вырабатываемое источником движущей силы и потребляемое компрессором, не может быть полностью преобразовано в полезную энергию давления, т.е. в приращение давления текучей среды, из-за явлений диссипации различного типа, включающих компрессор в целом.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним из аспектов, настоящее изобретение относится к рабочему колесу центробежного компрессора, имеющему лопатки с трехмерной непрямолинейной поверхностью в области, начиная от передней кромки. Более конкретно, передняя кромка каждой лопатки является непрямолинейной в меридиональной плоскости, а поверхность лопатки как на стороне пониженного давления, так и на стороне повышенного давления имеет двойную кривизну, по меньшей мере в области, смежной с передней кромкой.
Некоторые варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в настоящем документе, описывают рабочее колесо компрессора, содержащее вход для газа, выход для газа и диск с отходящими от него лопатками. Каждая лопатка имеет переднюю кромку на входе в рабочее колесо и заднюю кромку на выходе из рабочего колеса, корневую часть, проходящую вдоль диска между передней кромкой и задней кромкой, венец, проходящий между передней кромкой и задней кромкой напротив диска, сторону повышенного давления и сторону пониженного давления. Передняя кромка каждой лопатки имеет криволинейный непрямолинейный профиль в меридиональной плоскости. Начиная от передней кромки и двигаясь по направлению к задней кромке, каждая лопатка имеет первое распределение угла лопатки у своей корневой части, второе распределение угла лопатки у венца лопатки и по меньшей мере третье распределение угла лопатки в промежуточном положении между корневой частью лопатки и венцом лопатки. Третье распределение угла лопатки выбрано в зависимости от непрямолинейного профиля указанной передней кромки. По меньшей мере часть лопатки, начиная от передней кромки, таким образом, имеет двойную кривизну.
Непрямолинейный профиль передней кромки может быть выпуклым, а третье распределение угла лопатки выбрано таким образом, что в промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с выпуклой поверхностью на стороне пониженного давления и с вогнутой поверхностью на стороне повышенного давления, по меньшей мере в области, примыкающей к передней кромке.
В соответствии с другими вариантами выполнения, каждая лопатка рабочего колеса может иметь переднюю кромку с непрямолинейным профилем, вогнутым в меридиональной плоскости, при этом третье распределение угла лопатки выбрано таким образом, что в указанном промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с выпуклой поверхностью на стороне повышенного давления и вогнутой поверхностью на стороне пониженного давления, по меньшей мере в области, примыкающей к передней кромке.
В соответствии с еще одним аспектом, изобретение относится к центробежному компрессору, содержащему по меньшей мере одно рабочее колесо, выполненное, как описано выше.
Настоящее изобретение также относится к способу проектирования рабочего колеса компрессора с лопатками, включающему следующие этапы:
расчет профиля корневой части лопатки вдоль диска рабочего колеса и профиля венца лопатки в меридиональной плоскости указанных лопаток;
расчет поверхности стороны повышенного давления и поверхности стороны пониженного давления лопаток, которые проходят между профилем корневой части лопатки и профилем венца лопатки, причем указанная поверхность стороны повышенного давления и указанная поверхность стороны пониженного давления проходят между задней кромкой и непрямолинейной передней кромкой, криволинейной в меридиональной плоскости;
придание каждой лопатке, начиная от передней кромки к задней кромке, первого распределения угла лопатки в корневой части лопатки, второго распределения угла лопатки на венце лопатки и по меньшей мере третьего распределения угла лопатки в промежуточном положении между корневой частью лопатки и венцом лопатки, причем указанное третье распределение угла лопатки выбирают в зависимости от непрямолинейного профиля указанной передней кромки, а часть лопатки, примыкающая к передней кромке, имеет двойную кривизну.
Особенности и варианты выполнения описаны далее и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью настоящего описания. Приведенная выше сущность изобретения излагает признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы подробное описание, которое следует далее, могло быть лучше понято, и для того, чтобы вклад настоящего изобретения в данную область техники мог быть лучше оценен. Имеются, несомненно, и другие признаки настоящего изобретения, которые описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения следует отметить, что различные варианты его выполнения не ограничены в своем применении деталями конструкции и расположением элементов, изложенных в последующем описании или которые показаны на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения и может быть осуществлено и осуществляется различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, приведены исключительно в целях описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.
Таким образом, специалистам должно быть понятно, что концепция, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для расчета других конструкций, способов и/или системы для реализации нескольких целей настоящего изобретения. Важно, поэтому, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую в себя такие эквивалентные конструкции, если только они не отступают от сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения настоящего изобретения и многие из его сопутствующих преимуществ будут легко достигнуты со ссылкой на последующее подробное описание, при рассмотрении в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует продольный разрез многоступенчатого центробежного компрессора, в котором могут быть использованы рабочие колеса, выполненные в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 1А иллюстрирует увеличенный вид лопатки рабочего колеса компрессора, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 2 иллюстрирует вид в аксонометрии рабочего колеса центробежного компрессора, показанного на Фиг. 1;
Фиг. 3 иллюстрирует схему проекции лопатки в меридиональной плоскости;
Фиг. 4 иллюстрирует проекцию кривизны профиля лопатки (в заданном месте вдоль профиля лопатки) в плоскости, перпендикулярной осевому направлению;
Фиг. 5 и 6 иллюстрируют графики, представляющие собой распределение угла лопатки и толщину лопатки (со ссылкой на лопатку, показанную на Фиг. 3) вдоль меридионального направления;
Фиг. 7 иллюстрирует вид в аксонометрии трехмерной лопатки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 8 схематично иллюстрирует разрезы лопатки в трех разных местах между венцом и корневой частью лопатки;
Фиг. 9 иллюстрирует график распределения угла лопатки в середине профиля лопатки вдоль меридианной координаты лопатки, при расчете, соответственно, согласно предшествующему уровню техники и настоящему изобретению, для лопатки, показанной на Фиг. 7;
Фиг. 10 иллюстрирует график зависимости политропного коэффициента полезного действия от аэродинамического коэффициента известного рабочего колеса и предложенного рабочего колеса;
Фиг. 11 иллюстрирует вид в аксонометрии трехмерной лопатки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, в еще одном варианте выполнения;
Фиг. 12 иллюстрирует график распределения угла лопатки в середине профиля лопатки вдоль меридианной координаты лопатки, при расчете, соответственно, согласно предшествующему уровню техники и настоящему изобретению, для лопатки, показанной на Фиг. 11.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения выполнено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, эти чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой.
Ссылка в описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один раскрытый вариант выполнения изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте выполнения изобретения» или «в одном варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
Фиг. 1 и Фиг. 1А изображают иллюстративный вариант выполнения многоступенчатого центробежного компрессора, в целом обозначенного номером 100 позиции, в котором может быть воплощено изобретение, раскрытое в настоящем документе. Фиг. 1 иллюстрирует вид в разрезе по плоскости, содержащей ось А-А вращения компрессора, а Фиг. 1А иллюстрирует увеличенный вид одной ступени компрессора.
Компрессор 100 имеет наружный корпус 1 с впускным коллектором 2 и выпускным коллектором 3. Внутри корпуса 1 расположены компоненты, которые образуют несколько ступеней компрессора.
Более конкретно, в корпусе 1 установлен ротор компрессора. Ротор компрессора содержит вал 5. Вал 5 ротора может опираться на два торцевых подшипника 6, 7. Ротор компрессора дополнительно содержит по меньшей мере одно рабочее колесо. В некоторых вариантах выполнения, как показано на Фиг. 1, ротор компрессора содержит несколько рабочих колес 9, по одному рабочему колесу для каждой ступени компрессора. Рабочие колеса 9 расположены между двумя подшипниками 6, 7.
Вход 9А первого рабочего колеса 9 проточно сообщается с приемной камерой 11, в которую подлежащий для сжатия газ поступает через впускной коллектор 2. В некоторых вариантах выполнения изобретения поток газа поступает в приемную камеру 11 в радиальном направлении, а затем доставляется через подвижные лопатки 13 входного направляющего аппарата и поступает в первое рабочее колесо 9 по существу в осевом направлении.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанном на Фиг. 1, выход 9 В последнего рабочего колеса 9 проточно сообщается со спиральной камерой 15, которая собирает сжатый газ и подает его в выпускной коллектор 3.
Между каждой парой последовательно расположенных рабочих колес 9 расположены неподвижные диафрагмы 17. Диафрагмы 17 могут быть выполнены в виде отдельных, расположенных в осевом направлении элементов. В других вариантах выполнения настоящего изобретения диафрагмы 17 могут быть образованы в виде двух по существу симметричных половин. Каждая диафрагма 17 образует диффузор 18 и обратный направляющий канал 19, которые проходят от радиального выхода соответствующего верхнего по потоку рабочего колеса 9 ко входу соответствующего нижнего по потоку рабочего колеса 9. В диффузоре 18 поток газа замедляется, и кинетическая энергия, передаваемая от рабочего колеса газу, преобразуется в энергию давления, увеличивая тем самым давление газа.
Обратный канал 19 возвращает сжатый газовый поток из выхода верхнего по потоку рабочего колеса по направлению ко входу нижнего по потоку рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения в диффузоре 18 могут быть расположены неподвижные лопатки 20. В некоторых вариантах выполнения неподвижные лопатки 21 могут быть установлены в обратных каналах 19 для удаления тангенциальной составляющей потока, одновременно перенаправляя сжатый газ из верхнего по потоку рабочего колеса в нижнее по потоку рабочее колесо.
Как лучше всего показано на Фиг. 1А, где проиллюстрировано увеличенное изображение одной из нескольких ступеней компрессора 100, а также на Фиг. 2, где иллюстративное рабочее колесо изображено в аксонометрии, каждое рабочее колесо 9 состоит из диска 23, образующего ступицу 23А. Ступица 23А имеет отверстие 23 В, через которое проходит вал 5 ротора. Диск 23 в целом также иногда называют ступицей. От диска 23 проходят лопатки 25, ограничивающие проточные каналы, через которые газ протекает и ускоряется лопатками 25. Каждая лопатка имеет переднюю кромку 25L и заднюю кромку 25Т, расположенные, соответственно, на входе и выходе лопаток. В некоторых вариантах выполнения рабочее колесо 9 может быть открытым. В других вариантах выполнения рабочее колесо может быть закрытым с помощью покрывающего диска 27, расположенного напротив диска 23, при этом лопатки 25 проходят между основным диском 23 и покрывающим диском 27.
Каждая лопатка 25 имеет венец 25А, проходящий вдоль покрывающего диска 27 между передней кромкой 25L и задней кромкой 25Т. Каждая лопатка 25 дополнительно имеет основание или корневую часть 25 В, проходящую вдоль диска 23 между передней кромкой 25L и задней кромкой 25Т.
Каждая лопатка 25 имеет сторону пониженного давления и сторону повышенного давления, при этом форма лопатки определяется способом, описанным далее, начиная с пересечения средней линии, или линии кривизны профиля лопатки 25, соответственно, с диском 23 и покрывающим диском 27. На Фиг. 3 показана проекция типичной лопатки 25 в меридиональной плоскости, то есть в плоскости R-Z, где R представляет собой радиальное направление, а Z представляет собой осевое направление. L1 представляет собой проекцию средней линии на меридиональную плоскость R-Z, то есть линию кривизны профиля лопатки у диска или ступицы 23. L2 представляет собой проекцию средней линии на ту же самую меридиональную плоскость R-Z, то есть линию кривизны профиля лопатки у покрывающего диска 27.
Если рабочее колесо не имеет покрывающего диска, т.е. является открытым, то линия L2 представляет собой проекцию средней линии профиля лопатки у венца лопатки.
Таким образом, линии L1 и L2 представляют собой проекции профилей лопаток на плоскость R-Z (меридиональную плоскость) у основного диска и покрывающего диска, то есть, соответственно, у корневой части лопатки и у венца лопатки. На Фиг. 3 также представлены проекция задней кромки 25Т и передней кромки 25L лопатки.
Как было отмечено выше, рабочее колесо 9 может иметь покрывающий диск, как показано в иллюстративном варианте выполнения, показанном на чертежах. Тем не менее, в других вариантах выполнения, которые не показаны, рабочее колесо 9 является открытым, и покрывающий диск 27 отсутствует. В этом случае линия L2 представляет собой просто проекцию линии кривизны или средней линии у венца 25А лопатки на меридиональную плоскость R-Z.
Эти линии L1 и L2 являются отправной точкой для расчета трехмерных поверхностей стороны пониженного давления и стороны повышенного давления лопатки следующим образом.
Начиная с указанных двух линий L1 и L2, фактическая форма противоположных поверхностей лопатки 25, которые задают ее сторону пониженного давления и сторону повышенного давления, определяется с помощью двух дополнительных параметров, а именно, толщины лопатки и распределения угла лопатки. Оба параметра определяются для большого количества положений вдоль каждой линии L1 и L2. В некоторых вариантах выполнения распределение угла лопатки и толщина лопатки могут иметь различные значения для линии L1 и для линии L2.
Распределение угла лопатки, то есть угол β лопатки в каждой точке рассматриваемой линии L1 или L2, определяется как угол между касательной к линии L1 или L2 и меридиональным направлением (М), как показано на Фиг. 4, который иллюстрирует схематический вид спереди рабочего колеса, a L представляет собой типичную среднюю линию лопатки. Стрелка F показывает направление вращения рабочего колеса. Традиционно, знак угла β совпадает с направлением вращения рабочего колеса. Таким образом, в примере, показанном на Фиг. 4, угол β является отрицательным, поскольку он измеряется, начиная от меридионального направления М и противоположно направлению вращения рабочего колеса (стрелка F). С точки зрения математической формулы, угол β лопатки определяется следующим образом:
где «θ» представляет собой тангенциальную координату, то есть координату вдоль тангенциального направления, а «m» представляет собой меридианную координату, то есть координату вдоль оси абсцисс на Фиг. 3.
Толщина (th) лопатки определяется как расстояние между поверхностью стороны пониженного давления и поверхностью стороны повышенного давления лопатки от линии кривизны (т.е. средней линии) лопатки в каждой точке рассматриваемой кривой L1 или L2. Фиг. 5 и 6 схематично иллюстрируют распределение угла (β) лопатки и толщины (th) для иллюстративной лопатки. На горизонтальной оси графиков, показанных на Фиг. 5 и 6, отложена нормализованная координата вдоль меридионального направления. Координата «0» указывает на положение на передней кромке, тогда как координата «1» указывает на положение на задней кромке лопатки.
На иллюстративном графике, показанном на Фиг. 5, распределение угла лопатки вдоль кривой L1 у основного диска или ступицы рабочего колеса отличается от распределения угла лопатки вдоль кривой L2 у покрывающего диска рабочего колеса или у венца лопатки. Распределение угла лопатки вдоль основного диска или ступицы обозначено как βH, тогда как распределение угла лопатки вдоль покрывающего диска обозначено как βS. В других вариантах выполнения распределения угла лопатки у покрывающего диска и у основного диска могут быть идентичными. В соответствии с предшествующим уровнем техники, распределение угла лопатки в промежуточном положении между основным диском и покрывающим диском не определяют.
Комбинация определенных выше параметров задает профиль лопатки у венца 25А лопатки и у корневой части 25В лопатки. Следующим шагом для определения поверхности стороны повышенного давления и стороны пониженного давления лопатки является создание двух противоположных линейчатых поверхностей, начиная от двух профилей лопатки у венца 25А лопатки и у корневой части 25В лопатки, как это определено выше. Линейчатые поверхности образуются путем соединения каждой точки профиля венца лопатки с соответствующей точки профиля корневой части лопатки с помощью прямой линии.
Геометрия лопатки еще полностью не задана, так как кривые L1 и L2 и соответствующие профили венца лопатки и корневой части лопатки обычно сдвинуты, то есть смещены друг относительно друга в тангенциальном направлении, из-за поворота профиля венца лопатки и профиля корневой части лопатки друг относительно друга вокруг оси вращения рабочего колеса. Поэтому для полного определения геометрии лопатки имеется еще одна степень свободы, задаваемая возможным тангенциальным смещением двух кривых L1 и L2. В рабочих колесах предшествующего уровня техники две кривые L1 и L2 тангенциально сдвинуты, т.е. повернуты друг относительно друга вокруг оси рабочего колеса, наклоняя, тем самым, заднюю кромку 25Т относительно осевого направления (для рабочего колеса с чисто радиальным выходом), сохраняя прямолинейную (прямую) форму. Наклон задней кромки относительно осевого направления, называемый углом наклона, определяет, наряду с вышеупомянутыми параметрами, полную геометрию лопатки.
Получаемые поверхности лопатки все еще представляют собой линейчатые поверхности, т.е. они характеризуются одной кривизной.
В соответствии с изобретением, раскрытым в настоящем документе, для расчета лопатки рабочего колеса вводится дополнительная степень свободы, как описано далее, так что по меньшей мере участок поверхности стороны пониженного давления и участок поверхности стороны повышенного давления лопатки имеют двойную кривизну, то есть становятся участками нелинейчатой поверхности. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением, передняя кромка лопатки имеет непрямолинейную форму в меридиональной плоскости.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, передняя кромка лопатки имеет выпуклую форму в меридиональной плоскости, как показано на Фиг. 7. Таким образом, передняя кромка LE каждой лопатки проходит вверх по потоку в направлении, откуда поток газа поступает в рабочее колесо. Следовательно, достигается более эффективное направление потока входящего газа, что уменьшает потери потока и оказывает положительное воздействие на коэффициент полезного действия рабочего колеса.
С другой стороны, поскольку выпуклая форма передней кромки в меридиональной плоскости RZ уменьшает поперечное сечение входа каждого канала, ограниченного между двумя соседними лопатками 25, то, в соответствии с еще одним аспектом изобретения, распределение угла лопатки модифицировано по сравнению с распределением угла лопатки предшествующего уровня техники, для того, чтобы скомпенсировать эффект выпуклой формы передней кромки. В отличие от конструкции предшествующего уровня техники, угол лопатки вдоль передней кромки не определяется путем линейной интерполяции между значениями угла лопатки, соответственно, у покрывающего диска и основного диска. Напротив, угол лопатки в середине модифицирован таким образом, что уменьшение поперечного сечения на входе в канал, получаемое за счет выпуклой формы передней кромки, компенсируется увеличением угла лопатки в промежуточном месте вдоль лопатки, то есть между линией L1 и линией L2. Более конкретно, угол лопатки в середине, т.е. в промежуточном месте между покрывающим диском (венцом лопатки) и основным диском (корневой частью лопатки) модифицирован таким образом, что лопатка становится выпуклой на стороне пониженного давления и вогнутой на стороне повышенного давления.
На Фиг. 7 проиллюстрировано влияние комбинации непрямолинейной передней кромки 25L и непрямолинейного распределения угла лопатки вдоль передней кромки на общую форму одной лопатки 25. Поверхность стороны пониженного давления имеет участок с двойной кривизной и является выпуклой, тогда как противоположная поверхность стороны повышенного давления является, соответственно, вогнутой. На Фиг. 8 показано поперечное сечение лопатки 25 у основного диска, у покрывающего диска и в середине. На разрезе в середине показано два профиля: один профиль соответствует конструкции предшествующего уровня техники, где угол лопатки определяется путем линейной интерполяции между углом лопатки у покрывающего диска и у диска лопатки; другой профиль соответствует модифицированной конструкции, выполненной в соответствии с настоящим изобретением, где лопатка имеет форму с двойной кривизной, а угол лопатки «открыт» в середине.
Фиг. 9 иллюстрирует график, аналогичный графику, показанному на Фиг. 5, на котором изображено распределение угла лопатки в середине. По горизонтальной оси отложена нормированная меридианная координата, а по вертикали - значения угла лопатки. Кривая βML показывает распределение угла лопатки в середине, соответствующее профилю середины (полученному путем соединения профилей у основного диска и у покрывающего диска, как описано выше), в соответствии с конструкцией предшествующего уровня техники. Кривая βM представляет собой распределение угла лопатки в середине, в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на Фиг. 9, угол лопатки в середине больше («более открытый»), чем в обычной известной конструкции, по меньшей мере в части меридиональной протяженности лопатки, начиная от передней кромки, чтобы скомпенсировать уменьшение проточного поперечного сечения на входе рабочего колеса, получаемое благодаря непрямолинейной выпуклой форме передней кромки 25L.
Фиг. 10 иллюстрирует влияние непрямолинейной конструкции передней кромки и двойной кривизны лопатки на входе рабочего колеса на политропный коэффициент полезного действия рабочего колеса. Кривые С1 и С2 представляют собой политропный коэффициент полезного действия рабочего колеса, выполненного, соответственно, в соответствии с настоящим изобретением и в соответствии с уровнем техники. Коэффициент полезного действия отложен по вертикальной оси, тогда как аэродинамический коэффициент отложен по горизонтальной оси. Увеличенный политропный коэффициент полезного действия рассчитан при использовании новой конструкции, в частности, на расстоянии от расчетной точки (аэродинамический коэффициент равен 100).
В соответствии с другими вариантами выполнения, может быть использован обратный подход, выполняя переднюю кромку вогнутой, а не прямолинейной в меридиональной плоскости. В этом случае распределение угла лопатки в середине в области передней кромки уменьшается («более закрытое») по сравнению с известной конструкцией. Лопатка 25, таким образом, становится трехмерно криволинейной, по меньшей мере в области вблизи передней кромки, с вогнутостью на стороне пониженного давления и с выпуклостью на стороне повышенного давления. Эффект уширения поперечного сечения канала между соседними лопатками, в связи с вогнутым профилем передней кромки, будет в этом случае скомпенсирован уменьшением угла лопатки. Аналогично показанному на Фиг. 7, Фиг. 11 схематически иллюстрирует форму лопатки с вогнутой передней кромкой и соответствующим образом модифицированным распределением угла лопатки в середине. На Фиг. 12 модифицированное распределение угла лопатки βM, которое сравнивается с распределением угла лопатки βML предшествующего уровня техники, построено в зависимости от нормированной меридианной координаты (Z). По меньшей мере в области около (т.е. прилегающей к) передней кромки, угол лопатки меньше, чем в лопатке, выполненной в соответствии с предшествующим уровнем техники, с линейчатыми поверхностями на стороне повышенного давления и стороне пониженного давления.
Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанные выше, показаны на чертежах и подробно описаны выше со спецификой и детализацией в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам будет очевидно, что возможны многочисленные модификации, изменения и опущения, без существенного отхода от идей изобретения, принципов и концепций, изложенных в настоящем документе, и преимуществ изобретения, заявленного в прилагаемой формуле. Следовательно, надлежащий объем изобретения должен определяться только самой широкой интерпретацией прилагаемой формулы изобретения таким образом, чтобы охватывать все такие модификации, изменения и опущения. Различные признаки, конструкции и средства различных вариантов выполнения могут быть по-разному объединены.
1. Рабочее колесо центробежного компрессора, содержащее вход для газа, выход для газа и диск с отходящими от него лопатками, каждая из которых имеет
переднюю кромку на указанном входе, заднюю кромку на указанном выходе, корневую часть, проходящую вдоль указанного диска между передней кромкой и задней кромкой, венец, проходящий между передней кромкой и задней кромкой напротив указанного диска, сторону повышенного давления и сторону пониженного давления,
при этом передняя кромка каждой лопатки имеет криволинейный непрямолинейный профиль в меридиональной плоскости, и, начиная от передней кромки и по меньшей мере на части лопатки, каждая лопатка имеет первое распределение угла лопатки у своей корневой части, второе распределение угла лопатки у своего венца и по меньшей мере третье распределение угла лопатки в промежуточном положении между своей корневой частью и венцом, причем указанное третье распределение угла лопатки выбрано как функция непрямолинейного профиля указанной передней кромки с обеспечением компенсации указанным распределением эффекта выпуклой или вогнутой формы передней кромки, а указанная часть лопатки имеет двойную кривизну.
2. Рабочее колесо по п. 1, в котором указанный непрямолинейный профиль передней кромки является выпуклым, при этом указанное третье распределение угла лопатки выбрано таким образом, что в указанном промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с выпуклой поверхностью на стороне пониженного давления и с вогнутой поверхностью на стороне повышенного давления по меньшей мере в области, смежной с передней кромкой.
3. Рабочее колесо по п. 1, в котором указанный непрямолинейный профиль передней кромки является вогнутым, при этом указанное третье распределение угла лопатки выбрано таким образом, что в указанном промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с выпуклой поверхностью на стороне повышенного давления и с вогнутой поверхностью на стороне пониженного давления по меньшей мере в области, смежной с передней кромкой.
4. Центробежный компрессор, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо, выполненное по одному или нескольким из пп. 1-3, и диффузор, расположенный вокруг выхода указанного рабочего колеса.
5. Способ проектирования рабочего колеса компрессора с лопатками, включающий следующие этапы:
задание профиля корневой части лопатки вдоль диска рабочего колеса и профиля венца лопатки в меридиональной плоскости для каждой лопатки из указанных лопаток;
задание поверхности стороны повышенного давления и поверхности стороны пониженного давления лопаток, которые проходят между профилем корневой части лопатки и профилем венца лопатки, причем указанная поверхность стороны повышенного давления и указанная поверхность стороны пониженного давления проходят между задней кромкой и непрямолинейной передней кромкой, которая искривлена в меридиональной плоскости;
придание каждой лопатке, начиная от ее передней кромки по направлению к задней кромке, первого распределения угла лопатки у ее корневой части, второго распределения угла лопатки у ее венца и по меньшей мере третьего распределения угла лопатки в промежуточном положении между корневой частью и венцом лопатки, при этом указанное третье распределение угла лопатки выбирают как функцию непрямолинейного профиля указанной передней кромки с обеспечением компенсации указанным распределением эффекта выпуклой или вогнутой формы передней кромки, а часть лопатки, смежная с передней кромкой, имеет двойную кривизну.
6. Способ по п. 5, в котором передняя кромка имеет выпуклую форму в меридиональной плоскости, а указанное третье распределение угла лопатки выбирают таким образом, что в указанном промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с выпуклой поверхностью на стороне пониженного давления и с вогнутой поверхностью на стороне повышенного давления по меньшей мере в области, смежной с передней кромкой.
7. Способ по п. 5, в котором передняя кромка имеет вогнутую форму в меридиональной плоскости, а указанное третье распределение угла лопатки выбирают таким образом, что в указанном промежуточном положении лопатка имеет двойную кривизну с вогнутой поверхностью на стороне пониженного давления и с выпуклой поверхностью на стороне повышенного давления по меньшей мере в области, смежной с передней кромкой.
