RU2778762C1

RU2778762C1 - Outlet device of a centrifugal turbomachine

Info

Publication number: RU2778762C1
Application number: RU2021129030A
Authority: RU
Inventors: Лев Константинович Чернявский
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственная фирма "Невинтермаш"
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2022-08-24

Abstract

FIELD: power turbomachines.

SUBSTANCE: invention relates to power turbomachines and can be used in centrifugal compressors, superchargers, fans and pumps. It is applicable to such outlet devices, which consist of an axisymmetric elbow, an annular cavity of rectangular cross section, and an outlet branch pipe arranged in series along the working medium.

EFFECT: invention makes it possible to reduce the complexity of manufacturing the device without a significant increase in pressure losses in it by making the concave surface of the knee, the peripheral surface of the cavity, as well as its end surfaces according to reduced requirements for their roughness.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим турбомашинам и может использоваться в центробежных компрессорах, нагнетателях, вентиляторах и насосах.The invention relates to power turbomachines and can be used in centrifugal compressors, superchargers, fans and pumps.

Известны выходные устройства центробежных турбомашин, состоящие из расположенных последовательно по ходу рабочей среды осесимметричного колена, кольцевой полости круглого сечения и выходного патрубка (рис. 132 в книге Д. Мисарек. Турбокомпрессоры. - М.: Машиностроение, 1968). Недостаток таких выходных устройств состоит в большой трудоемкости изготовления их вследствие сложности качественного выполнения кольцевой полости круглого сечения.Known output devices of centrifugal turbomachines, consisting of located in series along the working medium axisymmetric knee, an annular cavity of circular cross section and the outlet pipe (Fig. 132 in the book D. Misarek. Turbochargers. - M.: Mashinostroenie, 1968). The disadvantage of such output devices is the high complexity of their manufacture due to the complexity of the high-quality implementation of the annular cavity of circular cross section.

Отмеченный недостаток отчасти устранен в выходных устройствах, кольцевая полость которых имеет прямоугольное сечение. Известное выходное устройство центробежной турбомашины - прототип (рис. 1.23 в книге В.Б. Шнепп. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин. - М.: Машиностроение, 1985) содержит расположенные последовательно по ходу рабочей среды осесимметричное колено, кольцевую полость прямоугольного сечения и выходной патрубок. Колено образовано вогнутой и выпуклой торовыми поверхностями. Полость образована двумя торцевыми поверхностями и двумя цилиндрическими, одна из которых - периферийная, а другая - центральная. Все поверхности, образующие колено и полость, выполнены гидравлически гладкими, т.е. с настолько малой шероховатостью, что еще меньшая шероховатость их не привела бы при работе турбомашины к снижению потерь напора рабочей среды в выходном устройстве.The noted disadvantage is partially eliminated in the output devices, the annular cavity of which has a rectangular cross section. The well-known output device of a centrifugal turbomachine - a prototype (Fig. 1.23 in the book by V.B. Shnepp. Design and calculation of centrifugal compressor machines. - M .: Mashinostroenie, 1985) contains an axisymmetric knee, an annular cavity of rectangular section and an output pipe branch. The knee is formed by concave and convex torus surfaces. The cavity is formed by two end surfaces and two cylindrical ones, one of which is peripheral and the other is central. All surfaces forming the knee and the cavity are made hydraulically smooth, i.e. with such a small roughness that their even lower roughness would not lead to a decrease in the pressure loss of the working medium in the output device during the operation of the turbomachine.

Недостаток прототипа заключается в том, что трудоемкость изготовления его все же велика из-за необходимости выполнения гидравлически гладкими всех поверхностей, образующих колено и полость.The disadvantage of the prototype is that the complexity of manufacturing it is still high due to the need to perform hydraulically smooth all surfaces that form the knee and the cavity.

Целью настоящего изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления устройства без значительного увеличения потерь напора в нем.The aim of the present invention is to reduce the complexity of manufacturing the device without a significant increase in pressure loss in it.

Указанная цель достигается тем, что в известном выходном устройстве центробежной турбомашины, содержащем расположенные последовательно по ходу рабочей среды осесимметричное колено, кольцевую полость прямоугольного сечения и выходной патрубок, причем колено образовано вогнутой и выпуклой торовыми поверхностями, полость образована двумя торцевыми поверхностями и двумя цилиндрическими, из которых одна - периферийная, а другая - центральная, гидравлически гладкими выполнены только выпуклая поверхность колена и центральная поверхность полости, вогнутая поверхность колена и периферийная поверхность полости - шероховатые, а шероховатость торцевых поверхностей полости больше шероховатости ее центральной поверхности, но меньше шероховатости ее периферийной поверхности.This goal is achieved by the fact that in the well-known outlet device of a centrifugal turbomachine containing an axisymmetric elbow, an annular cavity of rectangular cross section and an outlet pipe located in series along the working medium, the elbow is formed by concave and convex torus surfaces, the cavity is formed by two end surfaces and two cylindrical, from of which one is peripheral and the other is central, only the convex surface of the knee and the central surface of the cavity are hydraulically smooth, the concave surface of the knee and the peripheral surface of the cavity are rough, and the roughness of the end surfaces of the cavity is greater than the roughness of its central surface, but less than the roughness of its peripheral surface.

Данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", так как оно, в отличие от известных технических решений, уменьшает трудоемкость изготовления устройства не за счет упрощения его конструкции, а качественно иным способом, - за счет большей шероховатости некоторых внутренних поверхностей устройства.This technical solution meets the criterion of "significant differences", since, unlike the known technical solutions, it reduces the complexity of manufacturing the device not by simplifying its design, but in a qualitatively different way, due to the greater roughness of some internal surfaces of the device.

На фиг. 1 изображен меридиональный разрез выходного устройства центробежной турбомашины; на фиг. 2 - радиальный разрез А-А, обозначенный на фиг. 1. На обеих фигурах шероховатость показана, причем утрированно, только у шероховатых поверхностей колена и полости.In FIG. 1 shows a meridional section of the outlet device of a centrifugal turbomachine; in fig. 2 is a radial section A-A indicated in FIG. 1. In both figures, the roughness is shown, exaggeratedly, only for the rough surfaces of the knee and cavity.

Выходное устройство центробежной турбомашины содержит осесимметричное колено 1, кольцевую полость 2 и выходной патрубок 3. Колено 1, полость 2 и патрубок 3 расположены последовательно по ходу рабочей среды. Колено 1 образовано вогнутой поверхностью 4 и выпуклой поверхностью 5. Сечение 6 кольцевой полости 2 - прямоугольное. Полость 2 образована двумя торцевыми поверхностями 7 и 8, цилиндрической периферийной поверхностью 9 и цилиндрической центральной поверхностью 10.The outlet device of the centrifugal turbomachine contains an axisymmetric elbow 1, an annular cavity 2 and an outlet pipe 3. The elbow 1, the cavity 2 and the pipe 3 are arranged in series along the working medium. Elbow 1 is formed by a concave surface 4 and a convex surface 5. Section 6 of the annular cavity 2 is rectangular. The cavity 2 is formed by two end surfaces 7 and 8, a cylindrical peripheral surface 9 and a cylindrical central surface 10.

Выпуклая поверхность 5 колена 1 и центральная поверхность 10 полости 2 - гидравлически гладкие. Вогнутая поверхность 4 колена 1 и периферийная поверхность 9 полости 2 - шероховатые. Шероховатость торцевых поверхностей 7 и 8 полости 2 больше шероховатости центральной поверхности 10 полости 2, но меньше шероховатости периферийной поверхности 9 полости 2 (см. фиг. 1).The convex surface 5 of the elbow 1 and the central surface 10 of the cavity 2 are hydraulically smooth. The concave surface 4 of the elbow 1 and the peripheral surface 9 of the cavity 2 are rough. The roughness of the end surfaces 7 and 8 of the cavity 2 is greater than the roughness of the central surface 10 of the cavity 2, but less than the roughness of the peripheral surface 9 of the cavity 2 (see Fig. 1).

Выходное устройство центробежной турбомашины работает следующим образом.The output device of the centrifugal turbomachine operates as follows.

Рабочая среда из последней ступени турбомашины поступает в осесимметричное колено 1 выходного устройства равномерно по окружности с меридиональной и окружной составляющими скорости. При этом меридиональная составляющая направлена по радиусу. Колено изменяет направление меридиональной скорости с радиального на осевое. В каждом поперечном сечении колена меридиональная скорость с_m.кол у вогнутой поверхности 4 колена меньше, чем у его выпуклой поверхности 5 (см. эпюру с_m.кол на фиг. 1) по аналогии с течением в коленах трубопроводов (рис. 3.4.2а в книге Ю.Б. Галеркин. Турбокомпрессоры. - М.: Информационно-издательский центр «КХТ», 2010). Окружная скорость в колене c_u.кол также неодинакова на его поверхностях. В каждом поперечном сечении колена, в соответствии с законом сохранения момента количества движения рабочей среды, с_u.кол на вогнутой поверхности 4 меньше, чем на выпуклой поверхности 5. Следовательно, скорость рабочей среды в колене с_кол, будучи равной

на вогнутой поверхности 4 меньше, чем на выпуклой поверхности 5.The working medium from the last stage of the turbomachine enters the axisymmetric knee 1 of the output device uniformly along the circumference with meridional and circumferential velocity components. In this case, the meridional component is directed along the radius. The knee changes the direction of the meridional velocity from radial to axial. In each cross section of the elbow, the meridional velocity with _m.col at the concave surface 4 of the elbow is less than that at its convex surface 5 (see the diagram with _m.col in Fig. 1) by analogy with the flow in the elbows of pipelines (Fig. 3.4.2a in the book by Y. B. Galerkin Turbochargers - M.: Information and Publishing Center "KHT", 2010). The circumferential speed in the knee c _{u.kol is} also not the same on its surfaces. In each cross-section of the knee, in accordance with the law of conservation of the momentum of the momentum of the working medium, with _u.col on the concave surface 4 is less than on the convex surface 5. Therefore, the speed of the working medium in the knee with the _count , being equal to

on the concave surface 4 is less than on the convex surface 5.

Из колена 1 рабочая среда поступает в кольцевую полость 2 равномерно по окружности, имея как меридиональные, так и окружные составляющие скоростей. В полости 2 рабочая среда движется в окружном направлении в сторону выходного патрубка 3 с окружными скоростями c_u.пол. В каждом поперечном сечении полости 2 скорость с_u.пол не постоянна по радиусу, а уменьшается с увеличением расстояния от центральной поверхности 10 к периферийной поверхности 9 (см. эпюру с_u.пол на фиг. 2). Такая закономерность изменения с_u в кольцевой полости выходного устройства центробежной турбомашины соответствует закономерности изменения скорости поперек циркуляционного потока, каковым приближенно является течение рабочей среды в полости 2, и доказана экспериментально (рис. 7.9 в книге Г.Н. Ден. Механика потока в центробежных компрессорах. - Л.: Машиностроение, 1973). Из полости 2 рабочая среда поступает в выходной патрубок 3, пройдя который, оказывается за пределами центробежной турбомашины.From knee 1, the working medium enters the annular cavity 2 evenly along the circumference, having both meridional and circumferential velocity components. In the cavity 2, the working medium moves in the circumferential direction towards the outlet pipe 3 with circumferential speeds c _u.pol . In each cross section of the cavity 2, the velocity _u.field is not constant along the radius, but decreases with increasing distance from the central surface 10 to the peripheral surface 9 (see the diagram with _u.field in Fig. 2). Such a pattern of change with _u in the annular cavity of the outlet device of a centrifugal turbomachine corresponds to the pattern of speed changes across the circulation flow, which is approximately the flow of the working medium in cavity 2, and has been experimentally proven (Fig. 7.9 in the book by G.N. Den. Flow mechanics in centrifugal compressors . - L .: Mashinostroenie, 1973). From cavity 2, the working medium enters the outlet pipe 3, after passing through which it turns out to be outside the centrifugal turbomachine.

Движение рабочей среды по выходному устройству центробежной турбомашины сопровождается потерями напора рабочей среды. Эти потери обусловлены в основном трением рабочей среды о смачиваемые ею поверхности выходного устройства. Согласно гидрогазодинамике местные потери трения пропорциональны квадрату местной скорости с и местной шероховатости.The movement of the working medium through the outlet device of the centrifugal turbomachine is accompanied by pressure losses of the working medium. These losses are mainly due to the friction of the working medium on the surfaces of the output device wetted by it. According to fluid dynamics, local friction losses are proportional to the square of local velocity c and local roughness.

Выходное устройство центробежной турбомашины по настоящему изобретению отличается от прототипа только большими шероховатостями вогнутой поверхности 4 колена 1, периферийной поверхности 9 полости 2 и торцевых поверхностей 7 и 8 полости 2. Поскольку трудоемкость выполнения любой поверхности тем меньше, чем больше заданная шероховатость ее, трудоемкость выполнения поверхностей 4, 9, 7, 8 и, следовательно, трудоемкость изготовления выходного устройства в целом по настоящему изобретению меньше, чем в прототипе.The output device of the centrifugal turbomachine according to the present invention differs from the prototype only in the large roughness of the concave surface 4 of the elbow 1, the peripheral surface 9 of the cavity 2 and the end surfaces 7 and 8 of the cavity 2. 4, 9, 7, 8 and, therefore, the complexity of manufacturing the output device as a whole according to the present invention is less than in the prototype.

Наряду с данным положительным эффектом настоящего изобретения имеет место отрицательный эффект, заключающийся в возрастании потерь напора рабочей среды у поверхностей 4, 9, 7 и 8 по причине больших шероховатостей этих поверхностей. Однако суммарные потери в выходном устройстве увеличиваются незначительно, во-первых, благодаря тому, что поверхности 5 и 10, омываемые рабочей средой с наибольшими скоростями (см. раздел заявки о работе устройства), как и в прототипе, выполнены гидравлически гладкими. Во-вторых, шероховатость поверхности выходного патрубка 3 устройства - такая же, как в прототипе.Along with this positive effect of the present invention, there is a negative effect, which consists in an increase in pressure losses of the working medium at surfaces 4, 9, 7 and 8 due to the large roughness of these surfaces. However, the total losses in the output device increase slightly, firstly, due to the fact that the surfaces 5 and 10, washed by the working medium at the highest speeds (see the application section on the operation of the device), as in the prototype, are made hydraulically smooth. Secondly, the surface roughness of the outlet 3 of the device is the same as in the prototype.

Таким образом, цель настоящего изобретения, состоящая в уменьшении трудоемкости изготовления устройства без значительного увеличения потерь напора в нем, достигнута.Thus, the purpose of the present invention, which is to reduce the complexity of manufacturing the device without a significant increase in pressure losses in it, has been achieved.

Claims

An outlet device of a centrifugal turbomachine, containing an axisymmetric elbow, an annular cavity of rectangular cross section and an outlet branch pipe located in series along the working medium, the elbow is formed by concave and convex torus surfaces, the cavity is formed by two end surfaces and two cylindrical ones, of which one is peripheral, and the other is central, characterized in that only the convex surface of the knee and the central surface of the cavity are hydraulically smooth, the concave surface of the knee and the peripheral surface of the cavity are rough, and the roughness of the end surfaces of the cavity is greater than the roughness of its central surface, but less than the roughness of its peripheral surface.