CZ20179A3

CZ20179A3 - Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru

Info

Publication number: CZ20179A3
Application number: CZ2017-9A
Authority: CZ
Inventors: Ivan Brunovský; Zdeněk Mrázek
Original assignee: První Brněnská Strojírna Velká Bíteš, A.S.
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-06-20
Also published as: CZ307347B6

Abstract

Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru je opatřený v radiální, axiální i přechodové části lopatkami (7), přičemž lopatky (7), provedené jako integrální díly, se rozprostírají po celé difuzorové ploše (20) ložiskové skříně (6). Integrální difuzorní kanály jsou pak vytvořeny připojením protikusu (11) na takto vytvořenou difuzorovou plochu (20) ložiskové skříně (6), a to pomocí předepjatých šroubů (10) umístěných v radiální části (16) difuzoru (1).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká problematiky integrovaného radiálně-exiálního difuzoru, který je součástí odstředivého kompresoru.

Dosavadní stav techniky

Odstředivé kompresory jsou v letectví i v jiných oborech stále používány ve značném rozsahu. Jsou výrobně jednoduché a mají vysokou spolehlivost. Jedna ze všeobecně známých nevýhod spočívá ve velkých čelních rozměrech motoru, které rostou přímoúměrně s rostoucím hmotnostním tokem protékajícího média.

Klasický stupeň odstředivého kompresoru 16 s axiálním výstupem podle stavu techniky je schématicky znázorněn v meridiánovém řezu na obr. 1. Obvykle sestává z oběžného kola 15, bezlopatkového radiálního difuzoru 2 a lopatkového radiálního difuzoru 3, přechodové části 4 bez lopatek a axiálního lopatkového difuzoru 5.

Stále rostoucí požadavky na tah.resp. výkon,motorů vedou, kromě nárůstu i f teplot před turbínou, k vyšším hodnotám stlačení kompresoru. Stále vyšší obvodové rychlosti zvedají velikost Machova čísla relativní rychlosti na vnějším průměru vstupu do oběžného kola 15, což vede k poklesu účinnosti celého stupně kompresoru a k dřívějšímu aerodynamickému ucpání vstupu.

Jedno z řešení, jak tomuto jevu předejít, je zvětšení průměru oběžného kola. Na druhé straně je zde často požadavek na co nejmenší rozměry motoru. To vše vede ke zmenšení radiální části difuzoru. V důsledku poklesu poměru vnějšího poloměru bezlopatkového radiálního difuzoru ku vnějšímu poloměru oběžného kola R3/R2 a tedy i poměru vnějšího poloměru lopatkového radiálního difuzoru ku vnějšímu poloměru bezlopatkového radiálního difuzoru R4/R3n3BTObr. 1y mimo rozsahy běžně používané u návrhů radiálních lopatkových difuzorů se vstupní hrana 14 přibližuje k výstupnímu průměru oběžného kola. Původně bezlopatková část částečně stabilizující proudění za oběžným kolem i samotná radiální část lopatkového difuzoru se, pokud jde o poměry poloměrů vztažených k vnějšímu poloměru oběžného kola, dostávají mimo doporučené hodnoty.

Ve spise US 7 717 672 B2 je představen radiální lopatkový difuzní systém s možnostmi směrování proudu pomocí integrálních pracovních lopatek. Skříň obsahuje přívod vzduchu a výstup vzduchu a definuje radiální úsek, který zasahuje » 9 radiálně směrem ven z přívodu vzduchu, dále pak axiální úsek, který sahá v axiálním směru k výstupu vzduchu a přechodovou část obsahující oblouk a rozprostírající se mezi radiálním a axiálním úsekem. Difuzní a integrální pracovní lopatky jsou připojeny ke skříni. Integrální pracovní lopatky jsou pokud možno vyrobeny z materiálu, který je odlišný a lehčí než materiál použitý pro výrobu lopatek difuzoru. Lopatky difuzoru jsou vyrobeny z oceli nebo z jakéhokoli jiného kovu nebo jiného typu materiálu, které jsou schopny vydržet relativně vysokou teplotu a tlak a odolávají potenciální erozi. Integrální přechodově-axiální pracovní lopatky jsou vyrobeny z titanu nebo v určitých provedeních vynálezu z hliníku nebo různých typů plastů nebo z jiných relativně lehkých kovů, slitin, plastů nebo jiných materiálů, aby bylo možné snížit hmotnost difuzéru. Je zde uvedeno, že u radiálního difuzoru je první lopatkový komponent vyroben z přinejmenším v určité části z prvního materiálu a druhý lopatkový komponent je vyroben přinejmenším v určité části z druhého materiálu a druhý materiál je lehčí než první materiál s tím, že první materiál je ocel a druhý materiál je vybrán ze skupiny sestávajíc^itanu_;hlirilku a plastu.

Spis US 6 540 481 B2 představuje difuzor pro odstředivé čerpadlo, který je používán v plynových turbínách ke zvýšení tlaku vzduchu předtím, než vstoupí do spalovací komory. Radiální a přechodově-axiální část difuzoru jsou ze dvou různých kusů.

Spis US 6 279 322 B1 představuje protivířívý systém pro odstředivý kompresor, který obsahuje vícero lopatek v obloukovitém průchodu spojeném s difuzorem. Radiální část difuzoru je vytvořena jako samostatná část a přechodové a axiální části difuzoru je rovněž samostatná.

EP 0 622 549 B1 představuje odstředivý kompresor a lopatkový difuzor.

Radiální část djftjzoru je vytvořená jako samostatný díl a přechodová a axiální část je rovněž vytvořéfa*53^iostatná.

Jednotlivé lopatkové části difuzoru ve výše uvedených spisech jsou tedy vyrobené vždy z několika různých částí, často i z různých materiálů.

Podstata vynález

Cíleifl* Sfézu je představit integrální radiálně-axiální |IRA(difuzp^který je součástí odstředivého kompresoru, který by vykazoval menší ztráty v porovnání s klasickým uspořádáním, právě při degradovaných čelních rozměrech radiální části »3

difuzoru, a dále by byla usnadněná výroba difuzoru a montáž difuzoru snížením počtu spojovacích prvků.

difuzor po

nedostatky odstraňuje integrální radiálně-axiální lopatkový , jehož podstata spočívá vtom, že lopatky, provedené jako integrální díly, se rozprostírají po celé difuzorové ploše ložiskové skříně, přičemž integrální difuzorní kanály jsou pak vytvořeny připojením protikusu na takto vytvořenou difuzorovou plochu ložiskové skříně, a to pomocí předepjatých šroubů umístěných v radiální části difuzoru.

Ve výhodném provedení je mezi dvěma lopatkami uspořádána jedna nebo více mezilopatek.

V dalším výhodném provedení je vstupní hrana mezilopatek situována v radiální, přechodové nebo v axiální části difuzoru.

V dalším výhodném provedení je vnější obvod mezilopatek opatřen technologickými otvory.

V dalším výhodném provedení je radiální část lopatek opatřena technologickými otvory. * _

Popsaným provedením difuzoru podfé^yrafezu je docíleno snížení ztrát při průtoku plynu stupněm s extrémně sníženými relativními rozměry radiální části bezlopatkového a lopatkového difuzoru. Eliminovány jsou rovněž ztráty způsobené vířením protékajícího média v přechodové oblasti.

OhjG£n<Žni' ú iPřehteď obrázků nd vykreseeH

nález bude dále přiblížen pomocí výkresů, na kterých obr.1 znázorňuje schématicky klasickým stupeň odstředivého kompresoru s axiálním výstupem dle stavu techniky, na obr. 2 je schématicky znázorněn meridiánový řez integrálním radiálně-axiálním difuzorem, který je součástí odstředivého kompresoru dleivynšfíezu, olpr.^3 je prostorový pohled na integrální radiálně-axiální difuzor s lopatkováním ^rdlSf^TOÍezu^ na obr. 4 a 5 jsou uvedeny experimentálně získané charakteristiky kompresoru v klasickém provedení difuzoru K1-AxD1 a difuzoru IRA nebo IRA1 podle tohoto vynálezu, přičemž obr. 4 znázorňuje průběh stlačení kompresoru v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou poměrné otáčky kompresoru^ obr. 5 znázorňuje průběh poměrné isentropické účinnosti kompresorového stupně v » * > 9

závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou opět poměrné otáčky kompresoru.

Příklady prováděn? vynálezu

Na obr. 2 je schématicky v meridiánovém řezu a na obr. 3 v prostorovém pohledu znázorněn integrální radiálně-axiální difuzor 1 tvořený lopatkami 7, které se jako integrální díly rozprostírají po celé difuzorové ploše 20 od prostoru těsně za oběžným kolem 15 přes radiální část 16, dále plynule přes přechodovou část 17 do axiální části 1_8_e 1 Vtéto axiální části 18 je tvořený zpravidla jednou nebo více mezilopatkami 8 umístěnými vždy mezi dvěma lopatkami 7. Lopatky 7 i mezilopatky 8, pokud jsou přítomny, jsou vyrobeny jako nedílná součást nosné nebo ložiskové skříně 6. Vstupní hrana 9jp6gilopatek 8, cpžje znázorněno na obr. 2 čárkovaně, může být situována v radiáffl^? přechodovfyíTnebo v axiální^8)částiflifuzoru 1.

Difuzorní kanály jsou pak vytvořeny spojením takto vytvořeného dílce s protikusem 11ypomocí předepjatých šroubů 10, umístěných v radiální části 16 difuzoru 1 v otvorech 19 pro šroub 10 protikusu 11 a v otvorech 21 v nosné nebo ložiskové skříni 6. Protikus 11 může být vyroben ze stejného nebo jiného materiálu jako nosná či ložisková skříň 6. Radiální část lopatek 7 je opatřena technologickými otvory 12 pro průchod neznázorněných nosných šroubů, přívod a odvod oleje, pro neznázorněnou elektroinstalaci a podobně.

Vnější obvod mezilopatek 8 může být rovněž opatřen technologickými otvory 13 pro přívod a odvod mazání, elektroinstalaci a podobně.

Lopatkový integrální radiálně-axiální difuzor 1 má průběhy tlouštěk lopatek 7 a mezilopatek 8 přizpůsobené jak požadavky difi|jzorpího prouděni s co nejmenšími ztrátami, tak potřebám konstrukčně montážnír^pW^^stahovacích šroubů, přívod a odvod mazacího oleje, chladícího vzduchu, elektroinstalace apod.J Jedno z možných provedení je na obr. 3.

Skutečnosti byly experimentálně prokázány srovnáním klasického difuzoru a ’ „f-rrrn difuzoru4podlě'(yfíáfezuíR/y měřením charakteristiky kompresoru, přičemž oba difuzory byly navrženy se stejným omezením radiálních rozměrů.

Na obr. 4 a 5 jsou uvedeny experimentálně získané charakteristiky kompresoru s klasicky provedeným difuzorem K1-AxD1, zobrazené tenkou čarou.a kompresoru s difuzoremfpodle tohoto vynálezu (IRA nebo IRA1J.zobrazené tlustou v

čarou, přičemž obr. 4 znázorňuje průběh stlačení kompresoru v závislosti na • » ·β 5 «· hmotnostním toku, kde parametrem jsou poměrné otáčky kompresoru,a obr, 5 znázorňuje průběh poměrné isentropické účinnosti kompresorového stupně v závislosti na hmotnostním toku, kde parametrem jsou opět poměrné otáčky kompresoru.

Z obou grafů je že při stejném hmotnostním toku a poměrných otáčkách má difuzory odlqřTyffaíezu (ÍRZ^větší stlačení a větší poměrnou účinnost v porovnání s klasickým provedením.

Claims

Patentové nároky

1. Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru^ opatřený v radiální, axiální i přechodové části lopatkami, vyznačující se tím, že lopatky (7), provedené jako integrální díly, se rozprostírají po celé difuzorové ploše (20) ložiskové skříně (6), přičemž integrální difuzorní kanály jsou pak vytvořeny připojením protikusu (11) na takto vytvořenou difuzorovou plochu (20) ložiskové skříně (6), a to pomocí předepjatých šroubů (10) umístěných v radiální části (16) difuzoru (1),
2. Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi dvěma lopatkami (7) je uspořádána jedna nebo více mezilopatek (8),
3. Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru podle nároku Z vyznačující, se.týp. že vstupní hrana (9) mezilopatek (8) je situována v radiš^^To), přechodÓT^fi?) nebo v axiální (l^čás^difuzoru (1).
4. Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru podle nároku 2, vyznačující se tím, že vnější obvod mezilopatek (8) je opatřen technologickými otvory (13).
5. Integrální radiálně-axiální lopatkový difuzor odstředivého kompresoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že radiální část lopatek (7) je opatřena technologickými otvory (12).