RU224949U1 - Изогнутый лопаточный диффузор центробежного компрессора - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных. Технический результат - повышение запасов газодинамической устойчивости центробежного компрессора. Изогнутый лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит внешний и внутренний корпус поворотного канала, основные лопатки диффузора, при этом включает сплиттерные лопатки диффузора, а основные лопатки имеют криволинейную форму в осевом и радиальном направлениях от передней кромки основной лопатки диффузора до задней кромки.

Description

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве газотурбинных двигателей (ГТД), например, авиационных.

В настоящее время для увеличения степени повышения давления компрессора применяются схемы лопаточных компрессоров, содержащие последовательный ряд осевых ступеней. Каждая из ступеней включает ряд рабочих лопаток, закрепленных на диске (рабочее колесо), который соединен с дисками последующих ступеней, и ряд направляющих лопаток, закрепленных в корпусе (направляющий аппарат), представляющих собой статорную часть компрессора. Направление движения воздуха в осевом компрессоре преимущественно осевое. Степень повышения давления воздуха в одной ступени составляет, как правило, 1.2-2 при адиабатическом КПД 0.85-0.93. Для достижения высокой степени повышения давления применяются многоступенчатые осевые компрессоры.

Известны компрессоры с радиальным движением потока воздуха от входа рабочего колеса к выходу (центробежные компрессоры). Для возврата потока за рабочим колесом к осевому направлению за рабочим колесом, как правило, размещается радиальный диффузор, поворотное колено и спрямляющий аппарат. В том случае, если не требуется кольцевая форма выходного канала, то за рабочим колесом размещается улитка. Применение центробежных компрессоров ограничивается степенью повышения давления одной ступени (≤15) при изоэнтропическом КПД 0.76-0.84 и, главное - ограниченным лобовым расходом воздуха, связанным с допустимыми радиальными габаритами рабочего колеса (К.В. Холщевников. «Теория и расчет авиационных лопаточных машин», М., «Машиностроение», 1970 г., стр. 207).

Эффективность работы компрессора зависит от уровня потерь в его проточной части, которая может быть разделена на две группы каналов, принципиально различных по характеру силового поля: каналы рабочих колес и неподвижные каналы различной конфигурации.

Известна ступень центробежного компрессора, содержащая рабочее колесо и расположенный за ним по ходу потока лопаточный диффузор с лопатками, размещенными между передней и задней стенками. В данной ступени использованы лопатки определенного профиля, что позволяет устранить обратные течения в пристеночных слоях [патент SU № 522343, F04D 17/08, опубл. 1976].

Недостатком ступени центробежного компрессора является сложность изготовления и относительно малая экономичность при ограниченной зоне устойчивой работы.

Известен также центробежный компрессор, содержащий рабочее колесо и расположенный за ним по ходу потока лопаточный диффузор с криволинейными лопатками, размещенными между передней и задней стенками. Лопаточный диффузор данного компрессора выполнен с параллельными стенками и укороченными по высоте лопатками, спрофилированными по логарифмической спирали [патент SU № 419639, F04D 29/44, опубл. 1974].

Недостатком данного технического решения является увеличенные профильные потери в диффузоре.

Известен центробежный компрессор, содержащий рабочее колесо и двухрядный лопаточный диффузор, первый ряд которого находится на радиальном участке, второй - в изгибном поворотным канале [патент US 2020/0325911 A1, F04D 29/44 F04D 21/00, опубл. 15.10.2020].

Недостатком патента является то, что смещение оси первого и второго ряда лопаточного диффузора приводит к сильному искривлению потока в момент вхождения во второй ряд лопаточного диффузора. Это приводит к увеличению потерь и образованию срывных зон, а также снижению общего КПД ступени центробежного компрессора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является лопаточный диффузор, входящий в ступень центробежного компрессора по патенту [патент RU 2334901 C1, F04D 29/44, опубл. 27.09.2008], выполненный за одно целое с лопаткой спрямляющего аппарата таким образом, что совокупность средних линий профилей объединенных лопаток расположена в одной плоскости.

Недостатком прототипа является сложность изготовления спрямляющего аппарата и диффузора в виде одной детали, поскольку литейные сердечники, которые предусматриваются между лопатками спрямляющего аппарата и радиальными перегородками диффузора, оказываются труднодоступными, вследствие чего становится затруднительным, а иногда и невозможным, извлечение этих сердечников.

Задачей полезной модели является уменьшение габаритных размеров и увеличение запаса газодинамической устойчивости компрессора за счет уменьшения потерь в проточной части ступени на участке, ограниченном с одной стороны входом лопаточного диффузора, а с другой - выходом спрямляющего аппарата.

Технический результат - повышение запасов газодинамической устойчивости центробежного компрессора.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что изогнутый лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий внешний и внутренний корпус поворотного канала, основные лопатки диффузора, в отличие от прототипа, включает сплиттерные лопатки диффузора, при этом основные и слиттерные лопатки имеют криволинейную форму в осевом и радиальном направлении по всей протяженности от передней кромки лопатки до задней кромки и спрофилированы таким образом, что периферийное и корневое сечения лопаток повернуты вокруг передней и задней кромок на расчетные углы по потоку воздуха на рабочих режимах.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг. 1 изображен меридиональный разрез центробежного компрессора. На фиг. 2 изображена форма основных и сплиттерных лопаток, на фиг. 3 изображена схема расположения основных и сплиттерных лопаток изогнутого лопаточного диффузора центробежного компрессора.

Изогнутый лопаточный диффузор центробежного компрессора содержит корпус центробежного компрессора 1 и внешний корпус поворотного канала 2 с основными 3 и сплиттерными 4 лопатками диффузора, которые имеют криволинейную форму в осевом и радиальном направлениях по всей протяженности от передней кромки 5 до задней кромки 6 лопаток диффузора. В свою очередь эта конструкция крепится к внешнему корпусу выходного канала 7 также через болтовое соединение (на рисунке не показано), внутренние корпуса поворотного 8 и выходного 9 каналов с болтовым креплением (на рисунке не показано), рабочее колесо 10, представляющее собой центробежное колесо с основными и сплиттерными рабочими лопатками. При этом внутренний корпус выходного канала 9 содержит спрямляющий аппарат 11. Проточная часть компрессора формируется из межлопаточного канала рабочего колеса 10, межлопаточного канала диффузора во внешнем 2 и внутреннем 8 корпусе поворотного канала, межлопаточного канала спрямляющего аппарата во внешнем 7 и внутреннем 9 корпусе выходного канала. Сложная пространственная форма основных 3 и сплиттерных 4 лопаток диффузора и расположенных за ними спрямляющих лопаток 11 была подобрана с помощью методов вычислительной газодинамики и параметрической оптимизации.

Работа изогнутого лопаточного диффузора центробежного компрессора осуществляется следующим образом.

Воздушный поток поступает из окружающей среды в рабочее колесо 10, при этом поток воздуха закручивается в сторону вращения рабочего колеса 10, а его полное и статическое давление и температура повышаются. Далее закрученный поток воздуха поступает в межлопаточный канал диффузора, сформированный основными 3 и сплиттерными 4 лопатками диффузора, и спрямляющий аппарат 11, закрепленный во внешнем корпусе 7. В этих элементах происходит снижение скорости и повышение статического давления и температуры. Закрутка потока воздуха на выходе из рабочего колеса 10 в периферийном сечении рабочего колеса 10 больше, чем в среднем сечении рабочего колеса 10 из-за срыва потока в радиальном зазоре рабочего колеса 10. В то же время закрутка потока в корневом сечении рабочего колеса 10 на выходе из рабочего колеса 10 компрессора меньше, чем в среднем сечении рабочего колеса 10 по причине возникающего вихря вследствие торможения входного пограничного слоя на торцевых стенках рабочего колеса 10 при набегании потока воздуха на передние кромки лопаток рабочего колеса 10.

За счет профилирования основных 3 и сплиттерных 4 лопаток диффузора таким образом, что периферийное и корневое сечения были повернуты вокруг передней 5 и задней 6 кромок на расчетные углы по потоку на рабочих режимах, достигается эффект уменьшения области отрывных течений воздуха в корневом и периферийном сечениях лопаток диффузора.

Увеличенная хорда основных 3 и сплиттерных 4 лопаток диффузора в периферийном сечении позволяет уменьшить отрывные течения в проточной части на участке, ограниченном с одной стороны выходом из лопаток диффузора, а с другой - выходом из радиально расположенных спрямляющих лопаток 11, так как основная часть потока воздуха проходит через периферийное сечение лопаток, расположенных во внешнем корпусе поворотного канала 2, из-за центробежных сил при радиально-осевом повороте. Результаты компьютерного моделирования и оптимизации позволили определить оптимальную длину хорды основной и сплиттерной лопаток диффузора, которая составила: 116 мм и 155 мм на втулке и периферии для основной лопатки диффузора 3; 60 мм и 80 мм на втулке и периферии для сплиттерной лопатки диффузора 4.

Таким образом, применение изогнутого диффузора центробежного компрессора для газотурбинного двигателя позволяет увеличить запас газодинамической устойчивости на 4-6% в сравнении с прототипом за счет применения криволинейной формы лопаток в осевом и радиальном направлениях по всей протяженности от передней кромки лопатки до задней кромки и профилирования таким образом, чтобы периферийное и корневое сечение лопаток были повернуты вокруг передней и задней кромок на расчетные углы по потоку воздуха на рабочих режимах, что обеспечивает безотрывное течение воздуха.

Наиболее предпочтительно применение данного изогнутого диффузора центробежного компрессора для авиационных газотурбинных двигателей, для которых предъявляются максимально жесткие требования (по сравнению с другими отраслями) к запасам газодинамической устойчивости и эффективности, а также по габаритам и массе.

Claims (1)

1. Изогнутый лопаточный диффузор центробежного компрессора, содержащий внешний и внутренний корпус поворотного канала, основные лопатки диффузора, отличающийся тем, что включает сплиттерные лопатки диффузора, при этом основные и сплиттерные лопатки имеют криволинейную форму в осевом и радиальном направлениях по всей протяженности от передней кромки лопатки до задней кромки и спрофилированы таким образом, что периферийное и корневое сечения лопаток повернуты вокруг передней и задней кромок на расчетные углы по потоку воздуха на рабочих режимах.