Результат интеллектуальной деятельности: ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к центробежным и диагональным компрессорам.

Известен центробежный компрессор, авторское свидетельство №273364 от 30.12.1968, содержащий рабочее колесо и корпус с радиальным безлопаточным и радиальным лопаточным диффузорами, имеющий антипомпажное устройство, выполненное в виде кольцевой полости с ребрами, расположенное над входной частью лопаток рабочего колеса и участком проточной части перед ним.

Недостатком данного устройства является незначительная эффективность вследствие отсутствия практического влияния на формирование потока в выходном сечении рабочего колеса.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип является центробежный компрессор, авторское свидетельство №324900 от 05.11.1972, содержащий корпус с размещенным в нем рабочим колесом с лопатками, безлопаточный диффузор, радиальный лопаточный диффузор и антипомпажное устройство, при этом последнее выполнено в виде кольцевой полости в корпусе компрессора, которая сообщена с проточной частью отверстиями, при этом одни отверстия расположены ниже по потоку, а другие - выше по потоку.

Недостатком данного технического решения является то, что устройство выравнивания потока в безлопаточном диффузоре не оказывает влияния на источник образования неравномерности потока - отрыв потока на периферии рабочего колеса, существование неравномерности потока по высоте лопатки рабочего колеса на выходе из рабочего колеса - на входе в радиальный безлопаточный диффузор.

В современном центробежном компрессоре с высокой степенью повышения давления из-за значительного торможения потока в рабочем колесе существенно возрастает статическое давление вдоль проточной части, что приводит к появлению отрыва потока в области угла, образуемого поверхностью разрежения лопатки рабочего колеса и периферийной поверхностью проточной части. Зона отрыва потока развивается по дроссельной характеристике компрессора по мере уменьшения расхода воздуха и увеличения напора.

Отрыв потока на периферии приводит к появлению неравномерного по высоте лопатки поля скоростей на выходе из рабочего колеса. В части потока, прилегающей к периферии, радиальная составляющая скорости потока уменьшается, а в основном потоке - увеличивается. В результате, на выходе из рабочего колеса в области основного потока давление и температура торможения абсолютного потока становятся ниже по сравнению с потоком в периферийной отрывной области. Это различие возрастает по мере уменьшения расхода воздуха через компрессор из-за развития зоны отрывного потока и уменьшения области основного потока приводя к росту потерь в проточной части компрессора и ограничению запаса газодинамической устойчивости по степени повышения давления.

Технической задачей предлагаемого устройства является расширение диапазона устойчивой работы центробежного компрессора, повышение стабильности и срока эксплуатации его работы.

Технический результат достигается тем, что в центробежном компрессоре, содержащем корпус с размещенным в нем рабочим колесом с лопатками, безлопаточный диффузор, радиальный лопаточный диффузор и антипомпажное устройство, при этом последнее выполнено в виде кольцевой полости в корпусе компрессора, которая сообщена с проточной частью отверстиями, при этом одни отверстия расположены ниже по потоку, а другие - выше по потоку, согласно изобретению кольцевая полость и отверстия выполнены в зоне выходной части рабочего колеса, причем отверстия расположены по окружности и непосредственно сообщены с межлопаточными каналами рабочего колеса.

В наружном корпусе компрессора на периферии над лопатками рабочего колеса в выходной части, где образуется развитой обратный ток, сопровождаемый отрывом потока от периферийной поверхности проточной части, размещено антипомпажное устройство, выполненное в виде кольцевой полости с отверстиями, расположенными по окружности поверхности корпуса. Через отверстия, выполненные непосредственно над выходной частью лопаток рабочего колеса, поток втекает в кольцевую полость в корпусе компрессора и вытекает через ряд отверстий в проточную часть рабочего колеса, расположенных выше по потоку. В результате образуется циркуляционное движение потока воздуха, благодаря которому срывная зона потока, занимающая проточную часть межлопаточного канала рабочего колеса, отсасывается в кольцевую горообразную полость над колесом, освобождая проточную часть основному потоку. Площадь проходного сечения увеличивается и поток из рабочего колеса с уменьшенной радиальной составляющей скорости втекает в радиальный безлопаточный диффузор. Кроме того, отсос срывного потока приводит к выравниванию потока по ширине проточной части радиального диффузора. Благодаря этому потери в безлопаточном диффузоре и радиальном лопаточном диффузоре уменьшаются.

В результате в предлагаемом центробежном компрессоре уменьшается зона срывного потока в межлопаточном канале рабочего колеса, выравнивается поток на выходе из рабочего колеса, снижается радиальная составляющая скорости потока, уменьшается давление торможения относительного потока и увеличивается давления торможения абсолютного потока.

На фиг.1 изображено меридиональное сечение центробежного компрессора с антипомпажным устройством над выходной частью рабочего колеса.

На фиг.2 изображен увеличенный вид антипомпажного устройства.

На фиг.3 показан график сравнительных характеристик центробежного компрессора.

Центробежный компрессор, изображенный на фиг.1, содержит корпус 1, рабочее колесо 2, лопатки 12, безлопаточный радиальный диффузор 3, радиальный лопаточный диффузор 4 и осевой спрямляющий аппарат 5, антипомпажное устройство 6, при этом антипомпажное устройство 6, показанное на фиг.2, имеет отверстия 7, кольцевую камеру 8, отверстия 9.

На графике сравнительных характеристик центробежного компрессора на фиг.3 сплошной кривой 10 показана характеристика центробежного компрессора без антипомпажного устройства, пунктирной кривой 11 показана характеристика центробежного компрессора с антипомпажным устройством, где π*_к - степень повышения давления компрессора, η*_к - КПД компрессора, G - расход воздуха.

Работа заявляемого центробежного компрессора осуществляется следующим образом.

В связи с торможением потока в межлопаточных каналах рабочего колеса 2 статическое давление в потоке возрастает к выходу из рабочего колеса 2. Под действием перепада давления оторвавшийся вихревой поток через расположенные по окружности отверстия 7 и кольцевую камеру 8 в корпусе 1 компрессора перетекает к расположенным по окружности выше по потоку отверстиям 9, где давление ниже. В результате образуется циркуляция рабочей среды в антипомпажном устройстве 6, отсасывающая срывную часть потока и снижающая область, занимаемую срывным потоком. Поток на выходе из рабочего колеса 2 выравнивается по высоте лопатки 12, приводя к уменьшению радиальной составляющей скорости потока, увеличению окружной составляющей скорости абсолютного потока и возрастанию напора центробежной ступени. Одновременно, благодаря выравниванию потока на входе в радиальный безлопаточный диффузор 3 и радиальный лопаточный диффузор 4, потери при их обтекании снижаются, степень повышения давления и КПД центробежного компрессора увеличиваются.

На фиг.3 характеристика центробежного компрессора без антипомпажного устройства 6 нанесена сплошной линией 10. С уменьшением расхода и ростом степени повышения давления увеличивается торможение потока в рабочем колесе 2 и развивается отрывная зона потока в рабочем колесе 2, приводящая к увеличению потерь в проточной части, снижению степени повышения давления и снижению КПД.

С антипомпажным устройством 6 характеристика компрессора на фиг.3 нанесена пунктирной линией 11. Отсос потока под действием перепада давления через отверстия 7 в кольцевую полость 8 и отверстия 9 в рабочее колесо приводит к циркуляции потока в антипомпажном устройстве 6, уменьшению зоны срывного потока, освобождая проточную часть рабочего колеса 2 для основного потока. Степень повышения давления и КПД центробежного компрессора возрастают, увеличивая запас газодинамической устойчивости.

Предлагаемый центробежный компрессор обеспечивает уменьшение зоны срывного потока в межлопаточном канале рабочего колеса, выравнивание потока на выходе из рабочего колеса, снижение радиальной составляющей скорости потока, уменьшение давления торможения относительного потока и увеличение давления торможения абсолютного потока, увеличивая при этом КПД центробежного компрессора и его газодинамическую устойчивость.