RU2273771C1

RU2273771C1 - Centrifugal compressor

Info

Publication number: RU2273771C1
Application number: RU2004130764/06A
Authority: RU
Inventors: Олег Иванович Иванов (RU); Олег Иванович Иванов; Виктор Иванович Милешин (RU); Виктор Иванович МИЛЕШИН; Николай Иванович Огарко (RU); Николай Иванович Огарко
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; compressors.

SUBSTANCE: invention relates to centrifugal and mixed-flow compressors. Centrifugal compressor contains housing accommodating impeller with blades, bladeless diffuser, radial blade diffuser and antisurge device. The latter is made in form of ring space in compressor housing which communicates with passage part through holes, some holes being arranged lower in direction of flow, and others, upper in direction of flow. Ring space and holes are made in zone of outlet part of impeller. Holes are arranged circumferentially, and they communicate directly with interblade channels of impeller. Compressor provides reduction of zone of stall flow in interblade channel of impeller, equalizing flow at impeller outlet, reduction of radial component of flow velocity, reduction of braking pressure relative to flow, increase of absolute flow braking pressure.

EFFECT: increased efficiency of centrifugal compressor, its gas-dynamic stability and service life.

3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к центробежным и диагональным компрессорам.The invention relates to compressor engineering, namely to centrifugal and diagonal compressors.

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.A centrifugal compressor is known, copyright certificate No. 273364 dated 12/30/1968, comprising an impeller and a housing with a radial bezelless and radial blade diffusers, having an anti-surge device made in the form of an annular cavity with ribs located above the inlet part of the impeller blades and the flow part before him.

Недостатком данного устройства является незначительная эффективность вследствие отсутствия практического влияния на формирование потока в выходном сечении рабочего колеса.The disadvantage of this device is its low efficiency due to the lack of practical influence on the formation of the flow in the output section of the impeller.

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.The closest technical solution to the claimed and adopted as a prototype is a centrifugal compressor, copyright certificate No. 324900 dated 11/05/1972, containing a housing with an impeller with blades placed in it, a bladeless diffuser, a radial blade diffuser and an anti-surge device, the latter being made as an annular cavity in the compressor housing, which is in communication with the flow part of the holes, while some holes are located downstream, and others upstream.

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. The disadvantage of this technical solution is that the flow equalization device in the bladeless diffuser does not affect the source of flow unevenness - flow separation at the periphery of the impeller, the existence of flow unevenness along the height of the impeller blade at the outlet of the impeller - at the entrance to the radial bladeless diffuser .

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.In a modern centrifugal compressor with a high degree of pressure increase, due to significant flow inhibition in the impeller, the static pressure substantially increases along the flow part, which leads to flow separation in the angle region formed by the rarefaction surface of the impeller blade and the peripheral surface of the flow part. The separation zone develops according to the throttle characteristic of the compressor as the air flow decreases and the pressure increases.

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.The separation of the flow at the periphery leads to the appearance of a field of velocities uneven in height at the exit of the impeller. In the part of the flow adjacent to the periphery, the radial component of the flow velocity decreases, while in the main flow it increases. As a result, at the exit of the impeller in the main flow area, the pressure and braking temperature of the absolute flow become lower compared to the flow in the peripheral separation region. This difference increases as the air flow through the compressor decreases due to the development of the separation flow zone and the decrease in the main flow area, leading to an increase in losses in the compressor flow path and to a limitation of the gas-dynamic stability margin according to the degree of pressure increase.

Технической задачей предлагаемого устройства является расширение диапазона устойчивой работы центробежного компрессора, повышение стабильности и срока эксплуатации его работы.The technical task of the proposed device is to expand the range of stable operation of a centrifugal compressor, increasing the stability and life of its operation.

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.The technical result is achieved by the fact that in a centrifugal compressor containing a housing with an impeller with blades placed therein, a bladeless diffuser, a radial blade diffuser and an anti-surge device, the latter being made in the form of an annular cavity in the compressor housing, which is in communication with the flow part of the holes, while some holes are located downstream, and others upstream, according to the invention, an annular cavity and holes are made in the area of the output part of the impeller, and the holes I located around the circumference and directly communicated with interscapular channels of the impeller.

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.In the outer casing of the compressor on the periphery above the impeller blades in the output part, where a developed reverse current is formed, accompanied by flow separation from the peripheral surface of the flow part, an anti-surge device is made in the form of an annular cavity with holes located around the circumference of the casing surface. Through openings made directly above the outlet part of the impeller blades, the flow flows into the annular cavity in the compressor housing and flows through a series of openings into the flow part of the impeller located upstream. As a result, a circulating movement of the air flow is formed, due to which the stall zone of the flow occupying the flowing part of the interscapular channel of the impeller is sucked into the annular mountainous cavity above the wheel, freeing the flowing part to the main stream. The cross-sectional area increases and the flow from the impeller with a reduced radial component of the velocity flows into the radial bezobochny diffuser. In addition, the suction of the stall flow leads to equalization of the flow across the width of the flow part of the radial diffuser. Due to this, losses in the bladeless diffuser and radial blade diffuser are reduced.

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.As a result, in the proposed centrifugal compressor, the stall flow zone in the interscapular channel of the impeller decreases, the flow at the exit of the impeller is leveled, the radial component of the flow velocity decreases, the braking pressure of the relative flow decreases, and the braking pressure of the absolute flow increases.

На фиг.1 изображено меридиональное сечение центробежного компрессора с антипомпажным устройством над выходной частью рабочего колеса.Figure 1 shows the meridional section of a centrifugal compressor with anti-surge device above the output part of the impeller.

На фиг.2 изображен увеличенный вид антипомпажного устройства.Figure 2 shows an enlarged view of the anti-surge device.

На фиг.3 показан график сравнительных характеристик центробежного компрессора.Figure 3 shows a graph of the comparative characteristics of a centrifugal compressor.

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.The centrifugal compressor shown in FIG. 1 comprises a housing 1, an impeller 2, vanes 12, a bladeless radial diffuser 3, a radial blade diffuser 4 and an axial straightening device 5, an anti-surge device 6, the anti-surge device 6 shown in FIG. 2 has holes 7, an annular chamber 8, holes 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.In the graph of comparative characteristics of the centrifugal compressor in Fig. 3, the solid curve 10 shows the characteristic of a centrifugal compressor without an anti-surge device, dashed curve 11 shows the characteristic of a centrifugal compressor with an anti-surge device, where π * _k is the degree of increase in compressor pressure, η * _k is the compressor efficiency, G - air consumption.

Работа заявляемого центробежного компрессора осуществляется следующим образом.The operation of the inventive centrifugal compressor is as follows.

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.Due to the inhibition of the flow in the interscapular channels of the impeller 2, the static pressure in the flow increases towards the outlet of the impeller 2. Under the influence of the pressure drop, the vortex flowing out through the circumferential openings 7 and the annular chamber 8 in the compressor housing 1 flows to the circumferential ones above downstream holes 9, where the pressure is lower. The result is a circulation of the working medium in the anti-surge device 6, which sucks the stall part of the flow and reduces the area occupied by the stall flow. The flow at the exit of the impeller 2 is aligned with the height of the blade 12, leading to a decrease in the radial component of the flow velocity, an increase in the peripheral component of the absolute flow velocity and an increase in the pressure of the centrifugal stage. At the same time, due to equalization of the flow at the inlet to the radial bladeless diffuser 3 and the radial blade diffuser 4, losses during their flow are reduced, the degree of pressure increase and the efficiency of the centrifugal compressor increase.

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.In Fig. 3, the characteristic of a centrifugal compressor without anti-surge device 6 is plotted by a solid line 10. With a decrease in flow rate and an increase in the degree of increase in pressure, flow inhibition in the impeller 2 increases and a tear-off zone of the flow in the impeller 2 develops, leading to an increase in losses in the flow part, reducing degree of increase in pressure and decrease in efficiency.

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.With the anti-surge device 6, the compressor characteristic in FIG. 3 is shown by a dashed line 11. The suction of the flow under the influence of the pressure drop through the openings 7 into the annular cavity 8 and the openings 9 into the impeller leads to the circulation of the flow in the anti-surge device 6, reducing the stall flow zone, freeing the flow part of the impeller 2 for the main stream. The degree of pressure increase and the efficiency of the centrifugal compressor increase, increasing the supply of gas-dynamic stability.

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.The proposed centrifugal compressor reduces the stall flow zone in the interscapular channel of the impeller, aligns the flow at the outlet of the impeller, reduces the radial component of the flow velocity, reduces the braking pressure of the relative flow and increases the braking pressure of the absolute flow, while increasing the efficiency of the centrifugal compressor and its gas-dynamic stability .

Claims

Центробежный компрессор, 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, отличающийся тем, что кольцевая полость и отверстия выполнены в зоне выходной части рабочего колеса, причем отверстия расположены по окружности и непосредственно сообщены с межлопаточными каналами рабочего колеса.A centrifugal compressor comprising a housing with an impeller with blades placed therein, a bladeless diffuser, a radial blade diffuser and an anti-surge device, the latter being made in the form of an annular cavity in the compressor housing, which is in communication with the flowing part of the holes, with one hole located lower the flow, and others upstream, characterized in that the annular cavity and holes are made in the area of the output part of the impeller, and the holes are located around the circumference and directly communicated with the interscapular channels of the impeller.