RU221560U1 - Рециркуляционное устройство центробежного компрессора - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве турбокомпрессоров для двигателей транспортных средств.

Технический результат - повышение запаса газодинамической устойчивости центробежного компрессора.

Сущность полезной модели: рециркуляционное устройство центробежного компрессора содержит рециркуляционный проточный тракт, ограниченный внешним и внутренним корпусами от основного проточного тракта, а также содержит поддерживающие стойки, расположенные внутри полости рециркуляционного проточного тракта между внешним и внутренним корпусами и выполненные с использованием аэродинамических профилей, при этом полость рециркуляционного проточного тракта выполнена в закрученной по спирали полукольцевой форме с плавным изменением ее площади в поперечном сечении витка спирали и сформирована по направлению вращения центробежного колеса.

Description

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использована при производстве турбокомпрессоров для двигателей транспортных средств.

Центробежные компрессоры широко используются в качестве компрессоров для турбокомпрессоров, используемых в двигателях транспортных средств. Турбокомпрессор для двигателя транспортного средства должен работать в диапазоне низких скоростей потока, но в центробежном компрессоре, когда скорость потока воздуха уменьшается, сжатый воздух выбрасывается обратно из зазора между рабочим колесом и корпусом. Возникает явление перетекания воздуха, при этом, этот воздух возмущает основной поток, который всасывается в рабочее колесо через входное устройство, что является одной из причин срывных течений над рабочим колесом. Для уменьшения данного эффекта в корпусе образован рециркуляционный канал для возврата части воздуха, всасываемого в рабочее колесо, во впускной канал, расположенный выше по потоку от рабочего колеса, чтобы подавить возникновение явления перетекания воздуха и расширить диапазон устойчивой работы центробежного компрессора, вследствие чего увеличивается запас газодинамической устойчивости.

В основном, степень повышения полного давления и эффективность компрессора при расчетных условиях используются в качестве показателей производительности центробежных компрессоров, но в последние годы проводится больше исследований для улучшения рабочего диапазона, чтобы обеспечить надежную работу в нерасчетных условиях.

Рабочий диапазон центробежного компрессора, который ограничивается помпажом, является очень важным показателем производительности центробежных компрессоров.

Известен центробежный компрессор, снабженный рециркуляционным проточным трактом. В данной конструкции проточная часть имеет трубчатую форму, а рециркуляционный тракт содержит множество выпрямляющих лопаток с интервалами в окружном направлении. Задачей изобретения является эффективное увеличение скорости потока без снижения эффективности и повышение запаса газодинамической устойчивости центробежного компрессора. Согласно этой конфигурации, закрученный поток, протекающей через рециркуляционный канал, может быть выпрямлен. Кроме того, поскольку выпрямляющая лопатка предусмотрена на участке проточного тракта ниже по течению, где закрученный поток становится менее интенсивным, можно удерживать потери полного давления на низком уровне. Предпочтительно, чтобы площадь поперечного сечения проточной части рециркуляционного проточного тракта постоянно увеличивалась, если рассматривать вход со стороны рабочего колеса, а выход со стороны входного устройства. В соответствии с этой конфигурацией, скорость потока, протекающая через рециркуляционный канал, уменьшается на режимах помпажа, а скорость потока, поступающего в рабочее колесо, может быть увеличена за счет отдаления границы возникновения повышенных турбулентных течений на периферии рабочего колеса, при этом запас газодинамической устойчивости повышается [патент JP 2021095882 A, F04D 29/44, F04D 29/66, опубл. 2021.06.24].

Недостатком данного компрессора является размещение чрезмерного количество выпрямительных лопаток в рециркуляционном тракте, которые в свою очередь преграждают путь потоку воздуха, входящему на режимах близким к граничным, и тем самым создают дополнительную турбулентность и без того сильно завихренного потока. Также данное устройство может увеличить сложность изготовления корпуса центробежного компрессора.

Известен также центробежный компрессор с каналом рециркуляции в четырех различных представлениях. Изобретение может быть применено к центробежным компрессорам в целом, таким как вспомогательный турбокомпрессор, оснащенный электродвигателем между ротором турбины и рабочим колесом, электрический компрессор без ротора турбины и нагнетатель с ременным приводом. В данном случае центробежный компрессор включает в себя: корпус компрессора, рабочее колесо для сжатия всасываемого воздуха, расположенное внутри корпуса компрессора, блок создания параллельного потока для выпрямления всасываемого воздуха, поступающего через впускное отверстие параллельно направлению вращения вала, и канал рециркуляции для возврата части всасываемого воздуха во внешней окружной части рабочего колеса на сторону вверх по потоку рабочего колеса. Устройство для создания параллельного потока состоит из части для создания параллельного потока, включающую в себя множество направляющих лопаток и центральную секцию потока всасываемого воздуха, которая представляет собой пространство, окруженное элементами выпрямления потока на входе в рабочее колесо. Согласно изобретению, можно получить центробежный компрессор, в котором рабочий диапазон расширен за счет увеличения запаса газодинамической устойчивости на режимах пониженного расхода [патент US 2016/0201693 A1, F04D 29/68, F04D 17/10, F04D 29/42 опубл. 2016.07.14].

Недостатком данного компрессора является размещение конструкций с лопатками и дополнительными элементами выпрямления потока непосредственно в проточной части циркуляционного потока, что может негативно влиять на границу устойчивой работы в переходных режимах.

Известно устройство расширения рабочего диапазона центробежного компрессора. Изобретение содержит рабочее колесо, рециркуляционный канал для расширения рабочего диапазона, с расположенными в стенке тремя рядами стоек, при этом входной и выходной ряды выполняют также функции направления потока. В данном способе компонент окружной скорости уменьшается начиная со входа в рециркуляционный канал, и кроме того, на выходе добавляется компонент окружной скорости в направлении, противоположном направлению вращения рабочего колеса. Повышение запаса газодинамической устойчивости осуществляется следующим образом: в стенке корпуса, обращенной к лопатке рабочего колеса, предусмотрена рециркуляционная полость, и часть газа, всасываемого рабочим колесом, направляется в полость для избежания возникновения зоны с высоким уровнем турбулентности [патент JP 2006342682 A, F04D 29/44, F04D 17/10, F04D 29/66 опубл. 2006.12.21].

Недостатком данного устройства является нетехнологичность, а именно сложность изготовления трехрядных статорных лопаток в рециркуляционном канале. Также из-за спроектированных конструктивных углов направляющих лопаток на переходных режимах работы компрессора могут наблюдаться срывы, что будет негативно сказываться на потоке, приходящем в рабочее колесо.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является рециркуляционное устройство центробежного компрессора, описанного в патенте [патент KR 102476034 B1, F04D 29/30, F04D 17/10, F04D 29/28, F04D 29/42, F04D 29/44, опубл. 2022.08.05], содержащее рециркуляционный проточный тракт, ограниченный внешним и внутренним корпусами от основного проточного тракта. Чтобы увеличить рабочий диапазон и производительность центробежного компрессора, полость для рециркуляции воздуха исполнена в виде спирали, из-за чего линия границы неустойчивой работы отдаляется в зону меньших расходов. Спиральная форма полости выровнена аналогично углу, под которым вращается и течет циркуляционный поток, так что рециркуляционный поток, выходящий через полость в основной тракт, плавно совпадает с потоком, поступающим в рабочее колесо. При этом достигается эффект повышения аэродинамических характеристик центробежного компрессора.

Недостатками ближайшего аналога является то, что, если окружное положение входа в рециркуляционный канал превышает ±7° от исходного окружного положения входной кромки рабочей лопатки, может возникнуть явление уменьшения запаса газодинамической устойчивости. Также в исполнениях прототипа выбрана форма рециркуляционной полости в поперечном сечении вращения с резким изменением площади, что может привести к неоптимальному протеканию потока, поступающего в рабочее колесо.

Задачей полезной модели является смещение границы устойчивой работы в область низких расходов воздуха.

Технический результат - повышение запаса газодинамической устойчивости центробежного компрессора.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что рециркуляционное устройство центробежного компрессора, содержащее рециркуляционный проточный тракт, ограниченный внешним и внутренним корпусами от основного проточного тракта, согласно полезной модели, содержит поддерживающие стойки, расположенные внутри полости рециркуляционного проточного тракта между внешним и внутренним корпусами и выполненные с использованием аэродинамических профилей, при этом полость рециркуляционного проточного тракта выполнена в закрученной по спирали полукольцевой форме с плавным изменением ее площади в поперечном сечении витка спирали и сформирована по направлению вращения центробежного колеса.

Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами. На фиг. 1 изображен общий вид устройства в изометрии, а на фиг. 2 изображен вид устройства спереди. На фиг. 3 изображено распределение площади полости рециркуляционного проточного тракта в поперечном сечении витка спирали по длине этого сечения, где сплошной линией показано распределение для предлагаемого технического решения, а пунктирной линией - для прототипа.

Рециркуляционное устройство центробежного компрессора содержит рециркуляционный проточный тракт 1 с поддерживающими стойками 2, ограниченный от основного проточного тракта 3 внешним 4 и внутренним 5 корпусами, при этом полость 6 рециркуляционного проточного тракта 1 выполнена в закрученной по спирали полукольцевой форме с плавным изменением ее площади в поперечном сечении витка спирали.

Рециркуляционное устройство центробежного компрессора работает следующим образом.

К центробежному колесу подводится механическая работа, которая преобразуется в энергию давления, при этом сжатие осуществляется за счет действия центробежных сил инерции на массы рабочего тела (воздуха), увлекаемые во вращательное движение совместно с центробежным колесом. Таким образом, воздух засасывается в компрессор через входной канал и поступает в основной проточный тракт 3, а далее в центробежное колесо. Часть воздуха с периферии центробежного колеса поступает в рециркуляционный проточный тракт 1, откуда попадает обратно в основной проточный тракт 3. При этом рециркуляционный проточный тракт 1 не создает значительных возмущающих воздействий, тем самым это не сказывается на работе центробежного колеса.

В предпомпажном режиме увеличивается расход воздуха, поступающего через рециркуляционный проточный тракт 1. Тем самым срывная область, возникающая на периферии центробежного колеса, в которой происходит циркуляционное течение, перемещается в основной проточный тракт 3. Воздух в рециркуляционном проточном тракте 1 выравнивается за счет закрученной по спирали полукольцевой формы полости с плавным изменением площади этой полости в поперечном сечении витка спирали и попадает в основной проточный тракт 3. Плавное изменение площади поперечного сечения позволяет обеспечить равномерность потока, что способствует смещению границы устойчивой работы в область низких расходов воздуха. Так же для выравнивания потока воздуха рециркуляционный проточный тракт 1 сформирован по спирали в том же направлении, что и направление вращения центробежного колеса, а поддерживающие стойки 2 расположены внутри полости рециркуляционного проточного тракта между внешним и внутренним корпусами и выполнены с использованием аэродинамических профилей.

Таким образом, применение рециркуляционного устройства центробежного компрессора позволяет повысить запас газодинамической устойчивости центробежного компрессора до 5% по сравнению с аналогами за счет закрученной по спирали полукольцевой формы полости рециркуляционного проточного тракта с плавным изменением ее площади в поперечном сечении витка спирали, а также за счет применения поддерживающих стоек, выполненных с использованием аэродинамических профилей. Помимо повышения запаса газодинамической устойчивости увеличивается еще и эксплуатационная надежность центробежного компрессора.

Наиболее предпочтительно применение данного рециркуляционного устройства центробежного компрессора для оборудования пиковых электростанций и средств транспорта (от железнодорожного до авиационного), главным образом, с дозвуковой скоростью движения.

Claims (1)

1. Рециркуляционное устройство центробежного компрессора, содержащее рециркуляционный проточный тракт, ограниченный внешним и внутренним корпусами от основного проточного тракта, отличающееся тем, что содержит поддерживающие стойки, расположенные внутри полости рециркуляционного проточного тракта между внешним и внутренним корпусами и выполненные с использованием аэродинамических профилей, при этом полость рециркуляционного проточного тракта выполнена в закрученной по спирали полукольцевой форме с плавным изменением ее площади в поперечном сечении витка спирали и сформирована по направлению вращения центробежного колеса.