CZ305886B6 - Rotor odstředivého kompresoru se sériovým řazením lopatek - Google Patents

Abstract

Vynález se týká rotoru odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek, u kterého je lopatková mříž rozdělena do dvou oddělených částí, kde první část (a) je tvořena vstupní osovou lopatkovou mříží s osovým či osově diagonálním průtokem o počtu n identických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu a druhá část (b) je tvořena navazující lopatkovou mříží tvořenou dvěma sadami o počtu 2n neidentických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu se vstupem osovým, či diagonálním a výstupem radiálním s výstupními úhly (.beta.) měřenými od radiálního směru v kladném či záporném smyslu v rozsahu do .+-.60.degree., uspořádaných tak, že jednotlivé lopatky druhé části (b) lopatkové mříže vytvářejí na disku rotoru dvě různé lopatkové mříže z druhé části (b1, b2) o počtech lopatek lopatkové mříže druhé části (b1) n1 = n a počtech lopatek lopatkové mříže druhé části (b2) n2 = n tak, že se lopatky obou lopatkových mříží druhé části (b1 a b2) navzájem střídají po obvodu, a mezi výstupními hranami obou druhých částí (b1, b2) lopatkové mříže je stejně veliká obvodová rozteč (s4) a výstupní úhly (.beta.41 a .beta.42) obou druhých částí (b1, b2) lopatkové mříže jsou identické a jsou rovny výstupnímu úhlu (.beta.), přičemž druhá část (b) lopatkové mříže je vůči první části (a) lopatkové mříže pootočena ve směru úhlové rychlosti (.omega.) otáčení rotoru tak, že odtokové hrany první části (a) lopatkové mříže svírají s náběžnými hranami druhé části (b) lopatkové mříže úhel (.gama.), jehož velikost je v rozmezí hodnot úhlů nula až 360.degree. děleno čtyřnásobným počtem n lopatek první části (a) lopatkové mříže, tedy 0.degree. .<=. .gama. .>=. 360.degree. ÷ 4n.

Description

Rotor odstředivého kompresoru se sériovým řazením lopatek

Oblast techniky

Technické řešení se týká rotoru odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek.

Dosavadní stav techniky

Odstředivý kompresor na rozdíl od osového kompresoru umožňuje dosáhnout v jednom stupni významně vyššího tlakového poměru. Je to dáno zejména tím, že při průtoku plynu rotorem kompresoru přispívá k přivedené práci do plynu vedle zvýšení kinetické energie absolutní rychlosti proudění také pole odstředivé síly, tedy zvýšení unášivé, tj. obvodové rychlosti, které působí na protékající vzduch při jeho průtoku ze vstupního průřezu rotoru do výstupního na jeho obvodu o výrazně větším poloměru. Tuto výhodu pak poněkud snižuje skutečnost, že proudění v rotoru odstředivého kompresoru je výrazně třírozměrné, ve složitém silovém poli odstředivé a coriolisovy síly a s výrazným vlivem vazkosti a turbulence, které vedou k poměrně značným energetickým ztrátám a také k silně nerovnoměrnému rychlostnímu poli ve výstupním průřezu mezilopatkových kanálů rotoru. Z tohoto důvodu jsou dosahované účinnosti odstředivých kompresorů obecně nižší, než tomu je u kompresorů osových.

Tento jev však neplatí u kompresorů s menšími průtoky plynu, kdy v důsledku zmenšování rozměrů kompresoru klesá rozhodující Reynoldsovo číslo proudění u kompresorů osových podstatně více, než je tomu u kompresoru odstředivého při srovnatelném tlakovém poměru. U odstředivého kompresoru je totiž významná délka pracovních mezi lopatkových kanálů rotoru i difuzoru, které jsou podstatně větší, než charakteristický rozměr lopatek zejména posledních stupňů kompresoru osového.

Tato skutečnost je s výhodou využívána zejména u letadlových turbínových motorů menších výkonností, pomocných energetických jednotek a také v případě turbínových motorů větších výkonností se smíšeným kompresorem, kde posledním stupněm kompresoru zařazeným za kompresor osový, je stupeň odstředivý.

Z konstrukčního hlediska jsou odstředivé kompresory letadlových turbínových motorů řešeny s osovým vstupem vzduchu do rotoru a s výstupem z něj v radiální rovině, kolmé na osu rotace, či v rotační ploše, která je jen poměrně málo odkloněna ve výstupu z rotoru od radiální roviny. Z hlediska geometrického popisu mezilopatkových kanálů rotoru odstředivého kompresoru jde o naprosto obecný prostorový útvar přecházející z obecně osového směru do obecně radiálního směru s proměnným průtočným průřezem.

Takové rotory jsou také označovány jako osově radiální či diagonální. Další jejich charakteristikou je, že ve výstupu z rotoru má vzduch vysokou nadzvukovou rychlost, tedy vedle zvýšené tlakové a tepelné energie také velmi vysokou kinetickou energii, která je v dalším transformována na energii tlakovou v následujícím difuzoru.

Vlastní difuzor je řešen tak, že bezprostředně za výstupem z rotoru je zařazen bezlopatkový radiální kanál, jehož účelem je zpomalení proudění vzduchu za rotorem a zejména pak vyrovnání silně nehomogenního rychlostního pole. Vzhledem k tomu, že vzduch v bezlopatkovém difuzoru proudí při zachování momentu hybnosti po logaritmické spirále, která je jen velmi málo skloněna vůči obvodovému směru a také ke skutečnosti, že v bezlopatkové části difuzoru roste tlak vzduchu po radiále, je proudění po logaritmických spirálách silně ohroženo tlakovým gradientem působícím na proudící vzduch z boku tak, že odklání proudnice zpět k nižšímu poloměru. Tento jev je velmi silný zejména v mezní vrstvě, kde je rychlost proudění malá a tedy kinetická energie

- 1 CZ 305886 B6 proudícího vzduchu není schopna překonat tlakový gradient a tím dochází k postupné recirkulaci vzduchu a ke ztrátě stability.

Aby se lépe čelilo tomuto nebezpečí, přistupuje se ke konstrukci lopatkování rotoru tak, aby výstupní úhel vektoru absolutní rychlosti vzduchu byl měřen od obvodového směru co možno největší. Toho je dosahováno zakřivováním lopatek rotoru směrem dozadu, které má vedle účinku na snižování obvodové složky absolutní rychlosti proudění ve výstupu z rotoru také další příznivý vliv na snížení příčného tlakového gradientu ve výstupní části mezi lopatkového kanálu a tím k zajištění větší rovnoměrnosti rychlostního pole, tedy ke zmenšení oblasti tak zvaného úplavu v části kanálu přilehlému k podtlakové straně lopatky.

Za bezlopatkovým difuzorem následuje obvykle radiální opatkový či kanálový, případně trubkový difuzor, který zajistí zpomalení rychlosti proudění vzduchu na relativně krátké dráze a v následujícím převáděcím kanálu opatřeném usměrňovacími lopatkami pak zajistí osový vstup do spalovací komory motoru.

Současný stav provedení odstředivých kompresorů dosahuje úrovně blížící se maximu možného zlepšení. Charakteristickým návrhovým způsobem je postupné iterativní zlepšování výkonových parametrů kompresoru, které vychází z postupného jedno, dvou a třírozměrného numerického řešení proudění v pracovních mezi lopatkových kanálech rotoru a difuzoru a konečně pak validace navrhovaných řešení fyzikálním experimentem. V průběhu minulého období se vývoj těchto odstředivých kompresorů a zejména jejich rotorů ustálil na řešení kol s lopatkovými mřížemi s hlavními lopatkami, které tvoří tak zvaný axiální záběmík a vloženými mezi lopatkami, kterými se mezilopatkové kanály hlavních lopatek v oblasti jejich zakřivování do radiálního směru dělí na dvě stejné části a tak se dosahuje snížení příčného tlakového gradientu vyvolaného působením coriolisovy síly rovněž zhruba na jednu polovinu. Při návrhu geometrie lopatkových mříží je optimalizován jak tvar lopatek, tak i meridionální tvar krycí skříně rotoru a jeho náboje tak, aby bylo dosaženo v rámci celého stupně kompresoru návrhových výkonových parametrů a to v celém provozním rozsahu vyjádřeném charakteristikou kompresoru.

Celkově lze s ohledem na provedenou rešerši realizovaných konstrukčních řešení u významných výrobců turbínových motorů včetně výrobců plnících turbodmychadel konstatovat, že pokud se týče rotorů, jsou navrhovány a realizovány jako otevřené, s integrálními lopatkovými mřížemi, zhotovené frézováním na numericky řízených frézkách s pěti stupni volnosti, které umožňují dle typu nástroje obrábět velmi obecné tvary lopatek, případně jsou oběžná kola odstředivých kompresorů integrálně odlévána.

Paradigmatem současných návrhových postupů stupňů odstředivých kompresorů s osovým vstupem odpovídajícím poznání složitých jevů při prostorovém průtoku vzduchu strojem je přístup k řešení aerodynamického návrhu tvaru lopatkových mříží rotoru kompresoru jako integrálního kanálu spojujícího vstup a výstup z kola. Optimalizační návrhový proces dle tohoto paradigmatu vede k nalezení lokálního optima návrhu geometrie stupně a jeho pracovních výkonových charakteristik jakožto řešení nepřímé úlohy návrhu integrální lopatkové mříže respektující třírozměrný charakter proudění a působící tlakové gradienty včetně vazkosti proudícího vzduchu a jeho turbulence.

Určitým omezením tohoto postupu je skutečnost, že tvar pracovních mezilopatkových kanálů je zásadně v návrhu geometrie lopatkování řízena volbou průběhů či omezeními průběhů působících příčných a podélných tlakových gradientů na protékající vzduch včetně tření a přetoků vzduchu mezerou mezi lopatkami a krycím kotoučem u otevřených rotorů a to od samého vstupu vzduchu do rotoru až po jeho výstup. Při tomto řešení je iterativním optimalizačním postupem upřesňován geometrický tvar lopatkování tak, že je řízen přívod energie do vzduchu a tím i zakřivování mezilopatkového kanálu tak, aby byla minimalizována postupně rostoucí oblast proudu s nízkou hybností, která se generuje v důsledku tření a přetoky v mezních vrstvách při podtlakové straně lopatek. To ovlivňuje také výrazně tvar a průběh zakřivení hlavních lopatek už v oblasti

-2CZ 305886 B6 axiálního záběmíku. Velmi významným faktorem návrhu je i problém zajištění návrhového maximálního průtoku rotorem, tedy otázka ucpání vstupní části lopatkování v důsledku narůstajících mezních vrstev. Optimalizace návrhu a řešení tvaru oběžných kanálů rotoru se pak více méně zaměřuje na ovlivňování nerovnoměrnosti pole rychlostí ve výstupu z rotoru při jeho nezměněném charakteru, který odpovídá rozdělení pole rychlostí na paprsek a úplav.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny rotorem odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že lopatková mříž je rozdělena do dvou oddělených částí, kde první část je tvořena vstupní osovou lopatkovou mříží s osovým či osově diagonálním průtokem o počtu n identických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu a druhá část je tvořena navazující lopatkovou mříží tvořenou dvěma sadami o počtu 2n neidentických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu se vstupem osovým, či diagonálním a výstupem radiálním s výstupními úhly měřenými od radiálního směru v kladném či záporném smyslu v rozsahu do ±60°. Lopatky jsou uspořádány tak, že jednotlivé lopatky druhé části lopatkové mříže vytvářejí na disku rotoru dvě různé lopatkové mříže z druhé části. První lopatky druhé části mají počet lopatek lopatkové mříže nl=n a počet druhých lopatek lopatkové mříže druhé části je n2=n tak. Lopatky obou lopatkových mříží druhé části se navzájem střídají po obvodu. Mezi výstupními hranami obou druhých částí lopatkové mříže je stejně veliká obvodová rozteč s4 a výstupní úhly β41 a β42 obou druhých částí lopatkové mříže jsou identické a jsou rovny výstupnímu úhlu β. Druhá část lopatkové mříže je vůči první části lopatkové mříže pootočena ve směru úhlové rychlosti otáčení rotoru tak, že odtokové hrany první části lopatkové mříže svírají s náběžnými hranami druhé části lopatkové mříže úhel Y, jehož velikost je v rozmezí hodnot úhlů nula až 360° děleno čtyřnásobným počtem n lopatek první části lopatkové mříže, tedyO°< Y>360°-4n.

Výstupní úhel βΐ lopatek první části lopatkové mříže měřený od osového směru průtoku vzduchu je s výhodou větší než vstupní úhel β3 lopatek druhé části lopatkové mříže.

Navrhované řešení představuje nové konstrukční schéma a zněj vyplývající nový návrhový postup, které vede ke zlepšení výkonových charakteristik stupně odstředivého kompresoru s rotorem, navrženým dle patentu.

Význam navrhovaného řešení spočívá vedle zlepšení pracovních charakteristik stupně zejména v tom, že dovoluje toto zlepšení konkrétního stupně pouze záměnou rotoru, tedy bez nutnosti překonstruování celého kompresoru. Rotor navržený dle tohoto vynálezu může mít naprosto stejný meridionální tvar průtočných mezi lopatkových kanálů a také stejný počet hlavních lopatek i mezi lopatek, rovněž tak i stejnou geometrii vstupních partií osového záběmíku hlavních lopatek a stejnou geometrii výstupních partií hlavních lopatek i mezilopatek.

Princip předkládaného řešení spočívá v rozdělení hlavních lopatek na dvě samostatné lopatkové mříže v místě, kde přechází axiální záběmík do radiálního směru a jsou tak samostatně navrhovány mříže: axiální, jako optimálně aerodynamicky zatížená mříž dané hustoty a navazující radiální mříž s mezilopatkami, která má náběžnou vstupní část lopatek tvarovánu tak, aby proud vzduchu vystupující z axiální lopatkové mříže vstupoval do navazující druhé mříže s mezilopatkami pod optimálním úhlem náběhu po celé délce náběžné hrany lopatek. Dále je první část axiální lopatkové mříže pootočena vzhledem ke druhé navazující radiální lopatkové mříži s mezilopatkami tak, že odtokové hrany první části lopatkování směřuji do mezi lopatkových kanálů druhé části lopatkování v oblasti přilehlé k tlakovým stranám lopatek, tedy měřeno roztečí druhé části lopatkování, o méně než jednu polovinu této rozteče.

Tímto opatřením se zajistí ve srovnání s klasickým návrhem většího zatížení osové partie lopatkování, tedy ve srovnání s integrálním lopatkováním jeho větším geometrickým zakřivením, kte

-3CZ 305886 B6 ré proběhne vzhledem k osovému charakteru proudění s větší účinností a úplav za axiálním lopatkováním přejde do proudu v přilehlé části k tlakovým stranám lopatek druhé radiální části.

Druhá radiální část s mezilopatkami pak pracuje s vstupním proudem vzduchu nezasaženým odplouvající mezní vrstvou z první části, má menší zatížení a také menší délku na které se vyvíjí mezní vrstvy a tím se omezí i negativní vliv přetoků proudu k podtlakovým stranám lopatek.

Větší zakřivení první axiální části lopatkování, tedy zmenšení jeho výstupního úhlu měřeno od osového směru, zajistí větší geometrický průtočný průřez a oddálí ucpání kanálu.

Podobně ke zvýšení geometrického průtočného průřezu náběžné partie druhé navazující části radiálního lopatkování s mezilopatkami přispěje i jejich zmenšený úhel lopatek.

Navrhované řešení tedy vede ke snížení energetických ztrát v rotoru a současně ke zvýšení průtoku a stability obtékání lopatkových mříží. Tím se ve srovnání se stupněm identické velikosti a otáček dosáhne zlepšení výkonových charakteristik stupně dle předkládaného návrhu.

Jeho smyslem je dosáhnout rovnoměrného průtoku všemi kanály druhé, radiální části lopatkování s mezilopatkami. Toho se dosahuje tím, že vložené mezilopatky tvořící s hlavními lopatkami druhou část lopatkování s dvojnásobným počtem lopatek proti části axiální lopatkové mříže, mají jiný geometrický tvar, kterým se zajišťuje, aby střídavě ty kanály, do kterých odplouvají mezní vrstvy z odtokových hran první axiální části lopatkování měly větší vstupní průřez a tak byla zajištěna rovnost hmotnostních průtoků všemi kanály. Toto opatření přispěje ke zrovnoměmění rychlostního pole na výstupu z rotoru a tím i ke zmenšení jeho časových fluktuací a zlepšení práce difuzoru a zvýšení jeho pracovní stability.

Objasnění výkresů

Rotor odstředivého kompresoru podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn příkladný rotor v nárysu. Na obr. 2 je znázorněn tento rotor v jiném provedení. Na obr. 3 a 4 jsou znázorněny lopatky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladný rotor odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek má lopatkovou mříž rozdělenou do dvou oddělených částí, kde první část a je tvořena vstupní osovou lopatkovou mříží s osovým či osově diagonálním průtokem o počtu n identických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu a druhá část b je tvořena navazující lopatkovou mříží tvořenou dvěma sadami o počtu 2n neidentických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu. Vstup mají osový či diagonální a výstup radiální s výstupními úhly β měřenými od radiálního směru v kladném či záporném smyslu v rozsahu do ±60°. Jednotlivé lopatky druhé části b lopatkové mříže vytvářejí na disku rotoru dvě různé lopatkové mříže z jedněch lopatek druhé části bl a druhých lopatek druhé části b2. Počet jedněch lopatek lopatkové mříže druhé části bl je nl = n a počet druhých lopatek lopatkové mříže druhé části b2 je n2 = n. Lopatky obou lopatkových mříží druhé části bl a b2 se navzájem střídají po obvodu. Mezi výstupními hranami obou druhých částí bl a b2 lopatkové mříže je stejně veliká obvodová rozteč s4. Výstupní úhly β41 a B42 obou druhých částí bl a b2 lopatkové mříže jsou identické a jsou rovny výstupnímu úhlu β. Druhá část b lopatkové mříže je vůči první části a lopatkové mříže pootočena ve směru úhlové rychlosti ω otáčení rotoru tak, že odtokové hrany první části a lopatkové mříže svírají s náběžnými hranami druhé části b lopatkové mříže úhel Y, jehož velikost je v rozmezí hodnot úhlů nula až 360° děleno čtyřnásobným počtem n lopatek první části a lopatkové mříže, tedy 0° < Y > 360° -s- 4n. Výstupní úhel βΐ lopa

-4CZ 305886 B6 tek první části a lopatkové mříže měřený od osového směru průtoku vzduchu je větší než vstupní úhel β3 lopatek druhé části b lopatkové mříže.

Průmyslová využitelnost

Rotor odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění zejména u kompresorů.

Claims (1)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Rotor odstředivého kompresoru se sériovým řazením dělených lopatek, vyznačující se t í m , že lopatková mříž je rozdělena do dvou oddělených částí, kde první část (a) je tvořena vstupní osovou lopatkovou mříží s osovým či osově diagonálním průtokem o počtu n identických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu a druhá část (b) je tvořena navazující lopatkovou 20 mříží tvořenou dvěma sadami o počtu 2n neidentických lopatek rovnoměrně rozložených po obvodu se vstupem osovým, či diagonálním a výstupem radiálním s výstupními úhly (β) měřenými od radiálního směru v kladném či záporném smyslu v rozsahu do ±60°, uspořádaných tak, že jednotlivé lopatky druhé části (b) lopatkové mříže vytvářejí na disku rotoru dvě různé lopatkové mříže z druhé části (bl, b2) o počtech lopatek lopatkové mříže druhé části (bl) nl = n a počtech 25 lopatek lopatkové mříže druhé části (b2) n2 = n tak, že se lopatky obou lopatkových mříží druhé části (bl a b2) navzájem střídají po obvodu, a mezi výstupními hranami obou druhých částí (bl, b2) lopatkové mříže je stejně veliká obvodová rozteč (s4) a výstupní úhly (β41 a β42) obou druhých částí (bl, b2) lopatkové mříže jsou identické a jsou rovny výstupnímu úhlu (β), přičemž druhá část (b) lopatkové mříže je vůči první části (a) lopatkové mříže pootočena ve směru úhlové 30 rychlosti (ω) otáčení rotoru tak, že odtokové hrany první části (a) lopatkové mříže svírají s náběžnými hranami druhé části (b) lopatkové mříže úhel (Y), jehož velikost je v rozmezí hodnot úhlů nula až 360° děleno čtyřnásobným počtem n lopatek první části (a) lopatkové mříže, tedy 0° < Y >360°-4n.

   35 2. Rotor odstředivého kompresoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že výstupní úhel (βΐ) lopatek první části (a) lopatkové mříže měřený od osového směru průtoku vzduchuje větší než vstupní úhel (β3) lopatek druhé části (b) lopatkové mříže.