PL159958B1 - Apparatus for widening the characteristic of a centrifugal compressor - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie do rozszerzania charakte- rystyki wykreslnej sprezarki odsrodkowej dla malych natezen przeplywu na doplywie do wirnika sprezarki, znamienne tym, ze zawiera wybranie otw oru, który przebiega w kierunku obw odu kanalu wlotowego (6) sprezarki ods- rodkowej i który rozciaga sie w kierunku pod prad od otworu wlotowego wirnika (2), przy czym w otworze (5) jest zainstalow any pier- scien stabilizujacy (3), który jest umieszczony pod wirnikiem (2) i poza glównym strum ie- niem (7) przenoszonego medium i przy czym pierscien stabilizujacy (3) posiada na swoim obwodzie pewna ilosc lopatek (4 , 4a), które sa zam ocow ane na wewnetrznej powierzchni otw oru (5). PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do rozszerzania charakterystyki wykreślnej sprężarki odśrodkowej dla małych natężeń przepływu na dopływie do wirnika sprężarki.

Przy stosowaniu odśrodkowych lub osiowych sprężarek turbinowych pracujących pod częściowym obciążeniem dąży się w celu uzyskania dużej niezawodności działania przy wzrastającym przepływie do osiągania stabilnych, monotonicznie malejących krzywych charakterystycznych bez histerezy. Przy częściowym obciążeniu stabilne krzywe charakterystyczne są jednak tym trudniejsze do osiągnięcia, im większy jest stosunek ciśnień w punkcie obliczeniowym. W praktyce próbuje się zaradzić temu przez sprowadzanie krzywych charakterystycznych do żądanej postaci za pomocą dodatkowych urządzeń stabilizujących. Wskutek różnic w rozmieszczeniu łopatek i w strukturach obszarów odrywania nie udało się dotychczas dla pracy pod zmniejszonym obciążeniem opracować żadnego klarownego technicznie rozwiązania, z którego dałoby się wyprowadzić ogólnie przydatne do stosowania urządzenie stabilizujące. Obecnie nie można więc przewidzieć z naukową dokładnością, czy w danej sprężarce można w ogóle osiągnąć i przy pomocy jakiego urządzenia stabilizującego stabilną krzywą charakterystyczną. Taką niezadowalającą sytuację można stwierdzić zwłaszcza w przypadku sprężarek odśrodkowych.

Z opisu zgłoszenia Europejskiego Urzędu Patentowego nr EP-A1-0 229 519 znane jest urządzenie stabilizujące w sprężarce odśrodkowej, które charakteryzuje się tym, że kadłub wewnętrzny, stanowiący osłonę koła łopatkowego, posiada promieniowe lub pseudopromieniowe otwory. Otwory te stanowią połączenie między kanałem dopływowym a ułopatkowaniem sprężarki, przy

159 958 czym od strony łopatek są one więcej lub mniej zakryte łopatkami. Za pomocą takich otworów następuje wprawdzie przesunięcie granicy pompowania i stabilności zgodne z charakterystyką wykreślną, lecz odbywa się to kosztem dużego spadku sprawności, który może wynosić 4-5%. Proponowane rozwiązanie nie umożliwia osiągnięcia takiego żądanego rozszerzenia charakterystyki wykreślnej dla małych natężeń przepływu, które jest niezbędne wskutek niestabilności występujących przy specjalnym sposobie eksploatacji. Ponadto należy uwzględnić fakt, że to niewielkie działanie stabilizujące musi być okupione nieproporcjonalnie dużą utratą sprawności.

Celem wynalazku jest zaproponowanie dla sprężarek odśrodkowych urządzenia do rozszerzania charakterystyki wykreślnej dla małych natężeń przepływu przez stabilizowanie ruchu strumienia na dopływie do wirnika z ustalonym stopniem dokładności.

Cel ten został osiągnięty w urządzeniu według wynalazku, które charakteryzuje się tym, że zawiera wybranie otworu, który przebiega w kierunku obwodu kanału wlotowego sprężarki odśrodkowej i który rozciąga się w kierunku pod prąd od otworu wlotowego wirnika, przy czym w otworze jest zainstalowany pierścień stabilizujący, który jest umieszczony pod wirnikiem i poza głównym strumieniem przenoszonego medium i przy czym pierścień stabilizujący posiada na swoim obwodzie pewną ilość łopatek, które są zamocowane na wewnętrznej powierzchni otworu.

Korzystnie wirnik zakrywa najdalszą w kierunku przepływu krawędź otworu, zaś stosunek szerokości stopnia tego zakrycia do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 0-0,06.

Korzystnie stosunek szerokości szczeliny między krawędzią końcową pierścienia stabilizującego w kierunku przepływu a krawędzią wlotową wirnika do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 0-0,04.

Korzystnie stosunek średnicy zewnętrznej pierścienia stabilizującego do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 1,02-1,05.

Korzystnie stosunek szerokości pierścienia stabilizującego do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 0,06-0,16.

Korzystnie stosunek szerokości otworu, który rozciąga się od krawędzi wlotowej wybrania w kierunku przepływu aż do wirnika, do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 0,12-0,26.

Korzystnie stosunek szerokości łopatki, liczonej od krawędzi wlotowej otworu w kierunku przepływu, do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 0,08-0,22.

Korzystnie stosunek średnicy zewnętrznej otworu do średnicy zewnętrznej otworu wlotowego wirnika wynosi 1,08-1,21.

Istotna korzyść jaką przynosi wynalazek polega na tym, że urządzenie to zachowuje się obojętnie, gdy sprężarka podaje pełny strumień objętości, dopiero w przypadku zmiany struktury przepływu strumienia, zwłaszcza przy częściowym obciążeniu, urządzenie zaczyna działać i przeszkadza w tym, aby odrywanie strugi występowało jako dominujące zjawisko w całym zakresie częściowego obciążenia. Zostaje więc zahamowane niepożądane „pompowanie** co powoduje kształtowanie się stabilnych krzywych charakterystycznych. Dalsza zaleta wynalazku polega na tym, że urządzenie stanowi prosty element konstrukcyjny, który może być zastosowany w każdej sprężarce odśrodkowej, niezależnie od jej rozwiązania technicznego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia sprężarkę odśrodkową z urządzeniem umożliwiającym rozszerzenie charakterystyki wykreślnej, fig. 2 - sprężarkę odśrodkową z urządzeniem z konstrukcją w innym przykładzie wykonania, fig. 3 - określenie wymiarów urządzenia według wynalazku. Kierunek przepływu strumienia medium jest oznaczony strzałkami.

Figura 1 przedstawia częściowy widok sprężarki odśrodkowej w miejscu umieszczenia urządzenia do rozszerzania charakterystyki wykreślnej podczas pracy takiej sprężarki. Urządzenie powoduje ogólnie stabilizowanie strumienia przepływającego w obszarze wlotu do wirnika przy pracy pod zmniejszonym obciążeniem. Sprężarka odśrodkowa składa się z obudowy 1 i wirnika 2, przy czym przed wirnikiem 2 jest umieszczone wyżej wymienione urządzenie stabilizujące, które składa się z otworu 5 stabilizatora, pierścienia stabilizującego 3 i pewnej liczby łopatek stabilizujących 4. Otwór 5 stabilizatora ma kształt rowka wewnętrznego zaczynającego się na powierzchni kanału wlotowego 6 i sięgającego w kierunku promieniowym do pewnej głębokości w obudowie 1;

159 958 w kierunku osiowym rozciąga się on w przybliżeniu od krawędzi dopływowej wirnika 2 na pewną odległość w kierunku „pod prąd. Pierścień stabilizujący 3 jest zainstalowany w otworze 2 stabilizatora, przy czym powierzchnia jego obwodu wewnętrznego stanowi dalszy ciąg powierzchni kanału wlotowego 6. Obwód zewnętrzny pierścienia stabilizacyjnego 3 jest zaopatrzony w pewną ilość łopatek, które wypełniają promieniście, pozostały prześwit otworu 5 stabilizatora i są w nim zamocowane. Grubość ścianki pierścienia stabilizacyjnego 3 jest funkcją wytrzymałości i stabilizacji, wymaganych warunkami ruchowymi.

Ze względu na wymagania techniczne przepływu strumienia grubość ścianki pierścienia stabilizacyjnego 3 nie może się zmieniać niepotrzebnie kosztem wysokości łopatek stabilizatora. Zgodnie z tym mamy tu do czynienia z łopatkowym przykładem wykonania stabilizatora, który w stosunku do wykonania bezlopatkowego gwarantuje lepsze działanie w kierunku likwidacji obszaru histerezy i niestabilności. Wprawdzie stabilizator w wykonaniu bezłopatkowym powoduje także zmniejszenie obszaru niestabilności, lecz nie likwiduje go całkowicie. Jest to w dużym stopniu związane z tym, że objętość strumienia krążącego, dostosowana do objętości strumienia podawanego przez sprężarkę, jest przy pracy pod częściowym obciążeniem większa w przypadku użycia stabilizatora łopatkowego niż przy zastosowaniu stabilizatora bezłopatkowego. Te różnice wynikają z różnych wielkości współczynników strat obydwu rodzajów stabilizatorów. Zaprojektowanie właściwego stabilizatora wymaga najpierw doboru odpowiedniej średnicy zewnętrznej pierścienia stabilizującego 3, którą w każdym przypadku należy tak dopasować do sprężarki, to znaczy do średnicy zewnętrznej wlotu wirnika, aby po pierwsze na szczycie pagórka sprawności przez otwór 5 stabilizatora przepływała tylko niewielka ilość medium, nie powodująca spadku sprawności, a po drugie aby przy pracy pod częściowym obciążeniem musiał krążyć jak największy strumień 8.

Wymiary innych elementów urządzenia są oczywiście zależne od średnicy zewnętrznej pierścienia stabilizującego 3. Zwracamy tu uwagę na wykonanie według fig. 3. Przy pracy pod przeciążeniem część strumienia podawanego 9 płynie przez otwór 5 stabilizatora w tym samym kierunku co strumień główny 7, zasila wraz z tym ostatnim wirnik 2 a następnie jako powietrze sprężone odpływa przez przelot 10. W otworze 5 stabilizatora częściowy strumień podawany 9 otrzymuje przeciwny impuls prądu, co powoduje tendencję do wzrostu sprawności. Jak ponadto wynika z fig. 1, przedstawiony na niej przykład wykonania jest tak zaprojektowany, że wirnik 2 wystaje do otworu 5 stabilizatora. Powoduje to następującą sytuację: in dalej wirnik 2 sięga do otworu 5 stabilizatora, tym więcej pracy zostaje przeniesione do krążącego powietrza, tym większy jest krążący strumień 8 i tym większe staje się stabilizujące działanie urządzenia. Szerokość łopatek 4 stabilizatora w kierunku przepływu krążącego strumienia 8 przy pracy pod częściowym obciążeniem może być zmienna, jak to pokazano za pomocą przedstawionych linią kreskową łopatek 4a stabilizatora, i może w tej płaszczyźnie rozszerzenia zajmować całą pozostałą szerokość otworu 5 stabilizatora. Możliwie najszersza łopatka 4a stabilizatora wywiera kanalizujące działanie na częściowe strumienia 8,9 i pomaga w zwiększeniu działania stabilizującego urządzenia przy pracy pod częściowym obciążeniem i przeciążeniem.

Figura 2 przedstawia także sprężarkę odśrodkową według wynalazku w drugim przykładzie wykonania mającym inny pierścień stabilizujący 3 i inną płytkę 4a stabilizatora w celu polepszenia przepływu w otworze 5 stabilizatora przy pracy pod częściowym obciążeniem. Pierścień stabilizujący 3a jest profilowany, zaś łopatka 4a stabilizatora, która w kierunku przepływu strumienia 8 przy częściowym obciążeniu jest maksymalnie poosiowo rozszerzona, posiada pomocnicze rozszerzenie wlotowe 4b. Te zabiegi umożliwiają pewne chociaż niewielkie polepszenie charakterystyki przy częściowym obciążeniu. Fig. 2 pokazuje ponadto przykład postulowanego w opisie przykładu wykonania z fig. 1 zwiększenia stabilizującego działania urządzenia przez nasunięcie wirnika 2a przeciwprądowo daleko na otwór 5 stabilizatora. Jak można to stwierdzić na fig. 2 jest wykonalne bez kłopotu rozwiązanie, według którego wirnik 2a sięga w otworze 5 stabilizatora aż do pierścienia stabilizacyjnego 3a.

Za podstawę dla dalszych wykonań służy fig. 3. Jak podano w opisie fig. 1 właściwe zaprojektowanie stabilizatora wymaga najpierw doboru odpowiedniej średnicy zewnętrznej d pierścienia stabilizującego 3. Średnica d musi się oczywiście znajdować w pewnym określonym stosunku do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika, gdy chce się osiągnąć żądane korzyści z pracy sprężarki odśrodkowej z urządzeniem do stabilizacji przepływu strumienia na wlocie do wirnika

159 958 przy częściowym obciążeniu. Odpowiednia wielkość średnicy zewnętrznej i pierścienia stabilizacyjnego mieści się w granicach 1,02-1,05 wielkości średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika. Wielkości innych elementów urządzenia wynikają z tego wyboru wyjściowego, przy czym dla lepszej jasności wymiary tych elementów zostaną wyrażone poniżej jako stosunek danego wymiaru do każdorazowej średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika.

Sumarycznie wynikają następujące relacje:

— Stosunek szerokości stopnia zakrycia S2 otworu 5 stabilizatora przez wirnik 2 do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 0-0,06.

— Stosunek szerokości otworu resztkowego S3 między początkową krawędzią otworu 5 stabilizatora a początkową krawędzią pierścienia stabilizującego 3 w kierunku przepływu do wirnika 2 - do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 0,06-0,12.

— Stosunek szerokości BI łopatki 4a stabilizatora, liczonej od krawędzi wlotowej otowru 5 stabilizatora w kierunku przepływu, do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 0,08-0,22.

— Stosunek średnicy zewnętrznej D otworu 5 stabilizatora do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 1,08-1,21.

— Stosunek szerokości czynnej B2 otworu 5 stabilizatora, która wynika z całkowitej szerokości otworu 5 stabilizatora po odjęciu szerokości stopnia zakrycia S2, do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 0,12-0,26.

— Stosunek szerokości rzeczywistej B3 pierścienia stabilizującego 3 do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi 0,06-0,16.

— Stosunek szerokości SI szczeliny między krawędzią końcową pierścienia stabilizującego 3 a krawędzią wlotową wirnika 2 do średnicy zewnętrznej Y otworu wlotowego wirnika wynosi - jak już podano wyżej - 1,02-1,05.

Bardzo wąskie zakresy tych stosunków wskazują wyraźnie na to, że projektowanie nowego, zoptymalizowanego urządzenia do rozszerzenia charakterystyki wykreślnej sprężarki odśrodkowej przy pracy pod częściowym obciążeniem nie wymaga uprzedniego wykonania prób laboratoryjnych.

3/3

FIG 3

2/3

FIG 2

1/J figi

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patento we

   1. Urządzenie do rozszerzania charakterystyki wykreślnej sprężarki odśrodkowej dla małych natężeń przepływu na dopływie do wirnika sprężarki, znamienne tym, że zawiera wybranie otworu, który przebiega w kierunku obwodu kanału wlotowego (6) sprężarki odśrodkowej i który rozciąga się w kierunku pod prąd od otworu wlotowego wirnika (2), przy czym w otworze (5) jest zainstalowany pierścień stabilizujący (3), który jest umieszczony pod wirnikiem (2) i poza głównym strumieniem (7) przenoszonego medium i przy czym pierścień stabilizujący (3) posiada na swoim obwodzie pewną ilość łopatek (4, 4a), które są zamocowane na wewnętrznej powierzchni otworu (5).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wirnik (2) zakrywa najdalszą w kierunku przepływu krawędź otworu (5), zaś stosunek szerokości stopnia tego zakrycia (S2) do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 0-0,06.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że stosunek szerokości (SI) szczeliny między krawędzią końcową pierścienia stabilizującego (3) w kierunku przepływu a krawędzią wlotową wirnika (2) do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 0-0,04.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek średnicy zewnętrznej (d) pierścienia stabilizującego (3) do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 1,02-1,05.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek szerokości (B3) pierścienia stabilizującego (3) do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 0,06-0,16.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek szerokości (B2) otworu (5), który rozciąga się od krawędzi wlotowej wybrania w kierunku przepływu aż do wirnika (2), do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 0,12-0,26.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek szerokości (BI) łopatki (4, 4a), liczonej od krawędzi wlotowej otworu (5) w kierunku przepływu, do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 0,08-0,22.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek średnicy zewnętrznej (D) otworu (5) do średnicy zewnętrznej (Y) otworu wlotowego wirnika (2) wynosi 1,08-1,21.