ротор центробежного компрессора

Формула изобретения

1. Ротор центробежного компрессора, содержащий вал и установленное на нем рабочее колесо, в ступице которого выполнена кольцевая полость, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой, соединяющей внутреннее и наружное кольца ступицы, а с другой - вращающимся направляющим аппаратом или обтекателем, установленным по ходу потока перед рабочим колесом, отличающийся тем, что между внутренним кольцом ступицы и валом на участке со стороны перегородки выполнен кольцевой зазор, а сопряженная с валом посадочная поверхность внутреннего кольца смещена относительно перегородки в сторону обтекателя и расположена от внешней поверхности перегородки на расстоянии 0,1 - 0,15 наружного диаметра рабочего колеса.

2. Ротор центробежного компрессора по п.1, отличающийся тем, что на участке кольцевого зазора обращенная к валу поверхность внутреннего кольца ступицы по крайней мере на части своей длины выполнена с диаметром, уменьшающимся в сторону посадочной поверхности до сопряжения с последней.

3. Ротор центробежного компрессора по п.1 или 2, отличающийся тем, что на участке кольцевого зазора обращенная к валу поверхность внутреннего кольца ступицы с уменьшающимся диаметром выполнена конической, а ее образующая составляет с образующей посадочной поверхности угол 0 - 45^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности к роторам высокоскоростных центробежных машин.

Известен ротор центробежного компрессора, содержащий вал, установленные на нем рабочее колесо полуоткрытого типа и размещенные перед последним по ходу потока вращающийся направляющий аппарат и обтекатель [Шнепп В. Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин, М., Машиностроение, 1995, с. 39, рис. 1.23].

Недостатком такого ротора является относительно большие осевая и радиальная деформации рабочего колеса. Осевая деформация, в частности, кромок лопаток колеса, сопряженных с неподвижными элементами корпуса компрессора, обуславливает выполнение относительно больших зазоров между лопатками и неподвижными элементами, что увеличивает перетечки газа и снижает КПД компрессора. Радиальная деформация ступицы рабочего колеса уменьшает заданный натяг и площадь контакта между посадочной поверхностью колеса и валом, при этом надежность соединения снижается.

Известен также ротор центробежного компрессора, содержащий вал и размещенное на нем полуоткрытое рабочее колесо, в ступице которого выполнена кольцевая полость, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой, соединяющей внутреннее и наружное кольца ступицы, а с другой вращающимся направляющим аппаратом или обтекателем, установленными по ходу потока перед рабочим колесом [Патент РФ N 2109172, F 04 D 17/08, 29/28, 1995].

Однако и в этом роторе есть радиальная деформация ступицы рабочего колеса, в том числе посадочной поверхности, которая находится в зоне действия центробежных сил от периферийной массы рабочего колеса. Радиальные перемещения посадочной поверхности уменьшают заданный натяг и площадь контакта между колесом и валом. Увеличение величины натяга в "запас" не решает проблему, т. к. при этом контактные напряжения в соединении превышают допустимые значения.

Технической задачей является повышение надежности работы ротора центробежного компрессора путем уменьшения радиальной деформации посадочной поверхности рабочего колеса.

Указанная задача достигается тем, что в роторе центробежного компрессора, содержащем вал и установленное на нем рабочее колесо, в ступице которого выполнена кольцевая полость, разделяющая ступицу на внутреннее и наружное кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой, соединяющей внутреннее и наружное кольца ступицы, а с другой - вращающимся направляющим аппаратом или обтекателем, установленными по ходу потока перед рабочим колесом, между внутренним кольцом ступицы и валом на участке со стороны перегородки выполнен кольцевой зазор, а сопряженная с валом посадочная поверхность внутреннего кольца смещена относительно перегородки в сторону обтекателя и расположена от внешней поверхности перегородки на расстоянии 0,1 - 0,15 наружного диаметра рабочего колеса. На участке кольцевого зазора обращенная к валу поверхность внутреннего кольца ступицы, по крайней мере на части своей длины, может быть выполнена с диаметром, уменьшающимся в сторону посадочной поверхности до сопряжения с последней. На участке кольцевого зазора обращенная к валу поверхность внутреннего кольца ступицы с уменьшающимся диаметром может быть выполнена конической, а ее образующая составлять с образующей посадочной поверхности угол 0 - 45^o.

На чертеже представлен ротор центробежного компрессора, продольный разрез.

Ротор центробежного компрессора содержит вал 1 и установленное на нем рабочее колесо 2, полуоткрытого типа. В ступице рабочего колеса 2 выполнена кольцевая полость 3, разделяющая ступицу на внутреннее 4 и наружное 5 кольца и ограниченная с одной стороны кольцевой перегородкой 6, соединяющей внутреннее 4 и наружное 5 кольца ступицы, а с другой - вращающимся направляющим аппаратом 7 или обтекателем 8, установленными по ходу потока перед рабочим колесом 2.

Между внутренним кольцом 4 ступицы и валом 1 на участке со стороны перегородки 6 выполнен кольцевой зазор 9, а сопряженная с валом 1 посадочная поверхность 10 внутреннего кольца 4 ступицы смещена относительно перегородки 6 в сторону обтекателя 8 и расположена от внешней поверхности 11 перегородки 6 на расстоянии L, составляющем 0,1 - 0,15 наружного диаметра D рабочего колеса 2.

На участке кольцевого зазора 9 обращенная к валу 1 поверхность 12 внутреннего кольца 4 ступицы, по крайней мере на части своей длины, выполнена с диаметром, уменьшающимся в сторону посадочной поверхности 10 до сопряжения с последней. Поверхность 12 внутреннего кольца выполнена конической, а ее образующая составляет с образующей посадочной поверхности угол 0 - 45^o.

Ротор работает следующим образом. Газовая среда подводится к входу вращающегося направляющего аппарата 7. При вращении ротора рабочая среда направляется с входа вращающегося направляющего аппарата 7 к выходу рабочего колеса 2. При этом в результате силового взаимодействия рабочей среды с поверхностями лопаток вращающегося направляющего аппарата 7 и рабочего колеса 2 механическая энергия вращения превращается в кинетическую и потенциальную энергии потока.

При вращении ротора происходит радиальная деформация рабочего колеса 2 от действия центробежных сил. Наличие кольцевой полости 3 обуславливает особенность деформации внутреннего кольца 4. По величине и интенсивности деформации внутреннее кольцо 4 имеет два характерных участка. Первый, непосредственно прилегающий к перегородке 6 и находящийся в зоне действия центробежных сил от периферийной массы колеса 2, характеризуется наибольшей величиной и интенсивностью изменения перемещений. Осевая протяженность этого участка, условно определяемая снижением радиального перемещения до 0,01 мм, составляет 10 - 15% от диаметра D рабочего колеса 2. Второй участок - остальная часть внутреннего кольца - характеризуется минимумом радиальных перемещений. Малые перемещения этого участка обусловлены действием на него центробежных сил лишь от вращения массы собственно внутреннего кольца 4, которая многократно меньше массы периферийной части колеса.

Расположение посадочной поверхности 10 на расстоянии L от внешней поверхности 11 перегородки 6, составляющем 0,1 - 0,15 наружного диаметра D рабочего колеса 2, исключает воздействие на посадочную поверхность 10 центробежных сил от периферийной массы рабочего колеса 2. Указанное расстояние L является оптимальным. Располагать посадочную поверхность 10 на большем расстоянии нецелесообразно, так как при этом увеличиваются длина и масса рабочего колеса, ухудшается динамика ротора.

Выполнение поверхности 12 переменного диаметра снижает концентрацию напряжений на внутренней поверхности ступицы и увеличивает циклическую прочность колеса.

Таким образом, такое выполнение ротора центробежного компрессора обеспечивает оптимальное расположение в рабочем колесе посадочной поверхности внутреннего кольца ступицы, при котором практически нет радиальных деформаций посадочной поверхности. Отсутствие радиальных деформаций посадочной поверхности ступицы рабочего колеса позволяет сохранить заданный натяг и площадь контакта между рабочим колесом и валом и тем самым повысить надежность работы ротора.