RU2189502C2

RU2189502C2 - Centrifugal compressor

Info

Publication number: RU2189502C2
Application number: RU2000118584A
Authority: RU
Inventors: В.В. Горожанцев; В.В. Варин; В.Б. Шатров; Г.Н. Горшков
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: manufacture of compressors; manufacture of high-speed centrifugal machines. SUBSTANCE: centrifugal compressor has housing with stator and rotor and arranged inside it. Impeller of rotor is sectional in construction. At least peripheral part of impeller is sectional; it consists of axial rings interconnected over cylindrical surface at negative allowance. Each ring is provided with radial holes adjoining each other. Opposite walls of holes form blades in pairs or side walls of disks forming common profile of inter-blade passages, cover disk and main disk of impeller. Sectional rings of peripheral part of impeller are made from material possessing different coefficients of linear expansion. EFFECT: enhanced economical efficiency of compressor due to reduced stresses in its impeller. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к конструкции высокоскоростных центробежных машин. The invention relates to compressor engineering, in particular to the design of high-speed centrifugal machines.

Известен ротор турбомашины (США, патент 4053261, F 01 D 5/04), содержащий установленное на валу полуоткрытое рабочее колесо и установленный перед ним по ходу потока обтекатель. Known rotor of a turbomachine (US patent 4053261, F 01 D 5/04), comprising a semi-open impeller mounted on the shaft and a cowl mounted in front of it along the flow.

Недостатком такого ротора является относительно большая осевая деформация колеса, в частности кромок лопаток, которые сопряжены с неподвижными элементами компрессора. При этом зазоры между лопатками колеса и неподвижными элементами должны быть достаточно большими, что снижает КПД турбомашины. The disadvantage of this rotor is the relatively large axial deformation of the wheel, in particular the edges of the blades, which are associated with the stationary elements of the compressor. At the same time, the gaps between the wheel blades and the stationary elements should be large enough, which reduces the efficiency of the turbomachine.

Известен также центробежный компрессор (Шнепп В.В. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.: Машиностроение, 1995, с. 39, рис. 1.23), содержащий корпус, размещенные в нем неподвижные элементы статора, ротор с рабочим колесом полуоткрытого типа и установленными перед последним по ходу потока вращающимся направляющим аппаратом и (или) обтекателем. Also known is a centrifugal compressor (Shnepp V.V. Design and calculation of centrifugal compressor machines. - M .: Mashinostroenie, 1995, p. 39, Fig. 1.23), comprising a housing, fixed stator elements placed in it, a rotor with a half-open impeller and installed in front of the last upstream rotary guide vane and / or fairing.

Однако КПД такого компрессора недостаточно высок из-за деформаций рабочего колеса и обусловленных этим относительно больших зазоров между лопатками колеса и неподвижными элементами корпуса. However, the efficiency of such a compressor is not high enough due to deformation of the impeller and the resulting relatively large gaps between the impellers and the stationary elements of the casing.

Известен также центробежный компрессор (а.с. 1671982, кл. F 04 D 17/08), содержащий корпус, установленное в нем рабочее колесо с основным и покрывным дисками и радиальными лопатками и диффузор, ось которого смещена в меридианальной плоскости относительно oси симметрии лопаток, причем ось диффузора смещена в сторону основного диска на расстояние 0,05...0,2 ширины лопаток на выходе рабочего колеса. Also known is a centrifugal compressor (AS 1671982, class F 04 D 17/08), comprising a housing, an impeller installed therein with a main and cover disks and radial blades, and a diffuser whose axis is offset in the meridian plane relative to the axis of symmetry of the blades and the axis of the diffuser is shifted towards the main disk by a distance of 0.05 ... 0.2 of the width of the blades at the exit of the impeller.

Однако КПД такого компрессора также недостаточно высок из-за разной деформации рабочего колеса при изменении оборотов в широком диапазоне и рассогласования при этом сориентированного взаиморасположения поверхностей рабочего колеса и диффузора, выставленного для оптимального режима работы компрессора. Неизменными остаются высокие напряжения в покрывном диске и ступице колеса, что снижает надежность работы компрессора из-за усталостных напряжений. However, the efficiency of such a compressor is also not high enough due to different impeller deformation when changing revolutions in a wide range and inconsistent orientated relative positioning of the surfaces of the impeller and diffuser set for optimal compressor operation. High voltages in the casing disk and wheel hub remain unchanged, which reduces the reliability of the compressor due to fatigue stresses.

Негативным явлением является и тот факт, что максимальные динамические напряжения, накладывающиеся на высокие статические напряжения, возникают преимущественно в периферийных сечениях покрывного диска вблизи лопаток, то есть там, где имеются концентраторы напряжений: заклепки, паяные или сварные швы. A negative phenomenon is the fact that the maximum dynamic stresses superimposed on high static stresses arise mainly in the peripheral sections of the covering disk near the blades, that is, where there are stress concentrators: rivets, soldered or welded seams.

Кроме того, при высоких окружных скоростях вращения напряжения в рабочем колесе локально достигают значений, соответствующих упругопластическим деформациям материала колеса. Поскольку задача расчета прочности колеса сложна и достаточно приближенна, снижение напряжений в рабочем колесе повысит надежность работы компрессора. In addition, at high peripheral rotational speeds, the stresses in the impeller locally reach values corresponding to the elastoplastic deformations of the wheel material. Since the task of calculating the strength of the wheel is complex and fairly approximate, reducing the stresses in the impeller will increase the reliability of the compressor.

Технической задачей является повышение экономичности и надежности работы компрессора путем уменьшения деформаций рабочего колеса (снижение в нем напряжений, обусловленных вращением колеса). The technical task is to increase the efficiency and reliability of the compressor by reducing the deformation of the impeller (reducing stresses due to the rotation of the wheel).

Технический результат достигается тем, что в центробежном компрессоре, содержащем корпус, размещенные в нем статор и ротор, у которого рабочее колесо выполнено из составных частей, по меньшей мере периферийная часть колеса выполнена составной из аксиальных колец, соединенных между собой по цилиндрическим поверхностям одним из известных способов, например с использованием натяга или склейки по сопрягаемой поверхности, в каждом кольце выполнены радиальные отверстия, примыкающие друг к другу, противоположные стенки которых попарно являются лопатками или боковыми стенками дисков с образованием общего профиля межлопаточного канала колеса. The technical result is achieved by the fact that in a centrifugal compressor containing a housing, a stator and a rotor placed in it, in which the impeller is made up of components, at least the peripheral part of the wheel is made up of axial rings interconnected along cylindrical surfaces by one of the known methods, for example using interference or gluing on the mating surface, in each ring there are made radial holes adjacent to each other, the opposite walls of which are pairwise They are blades or side walls of the discs with the formation of a common profile of the interscapular channel of the wheel.

На фиг. 1 представлен центробежный компрессор; продольный разрез; на фиг. 2 - рабочее колесо центробежного компрессора, продольный разрез; на фиг. 3 - отдельные элементы периферийной части рабочего колеса до выполнения сборки. In FIG. 1 shows a centrifugal compressor; lengthwise cut; in FIG. 2 - impeller of a centrifugal compressor, longitudinal section; in FIG. 3 - individual elements of the peripheral part of the impeller prior to assembly.

Центробежный компрессор содержит корпус 1, размещенные в нем неподвижные статорные элементы с диффузором 2, ротор 3 с рабочим составным колесом 4 закрытого типа, имеющем входную часть в виде входного кольца покрывного диска 5 и ступицы 6, соединенных между собой входными участками лопаток 7, и установленную по ходу потока периферийную часть колеса, выполненную из колец 8, 9, 10, соединенных с входной частью и между собой по цилиндрическим поверхностям 11, 12, 13, например, с использованием натяга или склейки. В каждом кольце 8, 9, 10 периферийной части выполнены радиальные отверстия 14, примыкающие друг к другу, противоположные стенки которых попарно являются лопатками 15, 18, 17 или боковыми стенками дисков 18, 19 с образованием общего профиля межлопаточного канала колеса. The centrifugal compressor comprises a housing 1, fixed stator elements with a diffuser 2 located in it, a rotor 3 with a closed impeller 4 having an input part in the form of an input ring of a cover disk 5 and a hub 6, interconnected by input sections of the blades 7, and installed along the flow, the peripheral part of the wheel, made of rings 8, 9, 10, connected to the inlet part and to each other along cylindrical surfaces 11, 12, 13, for example, using interference or gluing. In each ring 8, 9, 10 of the peripheral part there are made radial holes 14 adjacent to each other, the opposite walls of which are blades 15, 18, 17 in pairs or the side walls of the disks 18, 19 with the formation of a common profile of the interscapular channel of the wheel.

При работе рабочее тело поступает по внутренним каналам компрессора к колесу в осевом направлении. В рабочем колесе 4 при обтекании лопаток 7, 15, 16, 17 к рабочему телу подводится энергия, в процессе чего давление рабочего тела повышается. При выходе из рабочего колеса, как показывают экспериментальные данные, максимум в эпюре скоростей смещен в сторону основного диска. Для предотвращения отрыва потока, выходящего из рабочего колеса, от входной поверхности диффузора 2 используется рабочее колесо, составные части которого не приводят к осевым деформациям колеса. During operation, the working fluid flows through the internal channels of the compressor to the wheel in the axial direction. In the impeller 4, when flowing around the blades 7, 15, 16, 17, energy is supplied to the working fluid, during which the pressure of the working fluid increases. When exiting the impeller, as shown by experimental data, the maximum in the velocity plot is shifted toward the main disk. To prevent separation of the flow exiting the impeller from the inlet surface of the diffuser 2, an impeller is used, the components of which do not lead to axial deformation of the wheel.

Поскольку при такой конструкции рабочего колеса деформации в осевом направлении практически отсутствуют, то нет смещения поверхностей при работе компрессора и, как следствие, газодинамических потерь от воздействия газового потока из рабочего колеса на неподвижную сопряженную деталь статора - поверхность диффузора, что способствует повышению КПД компрессора. Since with such a design of the impeller there are practically no deformations in the axial direction, there is no displacement of the surfaces during the compressor operation and, as a result, there are no gas-dynamic losses from the influence of the gas flow from the impeller on the fixed conjugated stator part - the diffuser surface, which increases the compressor efficiency.

Так как при выполнении периферийной части составной по цилиндрическим поверхностям массовые силы инерции охватывающих колец при вращении не передаются охватываемым кольцам, то масса центральной части колеса может быть значительно снижена. Since when performing the peripheral part of the component along cylindrical surfaces, the mass inertia forces of the enclosing rings are not transmitted to the enclosed rings during rotation, the mass of the central part of the wheel can be significantly reduced.

Такое исполнение компрессора позволяет повысить его экономичность за счет исключения возмущений потока в зоне входа в диффузор, полученного, в свою очередь, за счет исключения (сведения к минимуму) осевых деформаций колеса, обусловленных действием изгибающего момента при вращении ротора, а также повысить надежность его работы за счет снижения напряжений в рабочем колесе. This design of the compressor allows to increase its efficiency by eliminating flow disturbances in the diffuser inlet zone, obtained, in turn, by eliminating (minimizing) axial deformations of the wheel due to the action of bending moment during rotation of the rotor, and also increasing the reliability of its operation by reducing stress in the impeller.

Claims

1. A centrifugal compressor comprising a housing, a stator and a rotor disposed therein, in which the impeller is made up of components, characterized in that at least the peripheral part of the wheel is made up of axial rings interconnected along cylindrical surfaces, for example , with an interference fit, with each ring made of radial holes adjacent to each other, the opposite walls of which are pairwise blades or side walls of the discs with the formation of a common profile of the interscapular canal c, top and main wheel rims.

2. The centrifugal compressor according to claim 1, characterized in that the composite rings of the peripheral part of the wheel are made of materials with different linear expansion coefficients.