способ регулирования расхода воздуха центробежного компрессора и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, содержащего рабочее колесо, радиальный безлопаточный диффузор и радиальный лопаточный диффузор, заключающийся в том, что изменяют проходное сечение на выходе из рабочего колеса, перед входом в радиальный лопаточный диффузор, отличающийся тем, что дополнительно производят изменение проходного сечения за радиальным лопаточным диффузором, при этом регулирование проходного сечения перед радиальным лопаточным диффузором и за радиальным лопаточным диффузором осуществляют поочередно.

2. Устройство для регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, снабженного центробежным колесом, радиальным безлопаточным диффузором и радиальным лопаточным диффузором, содержащее расположенный в наружном корпусе компрессора элемент, регулирующий площадь проходного сечения и соединенный с приводом, отличающееся тем, что регулирующий элемент выполнен в виде двух подвижных колец, перемещаемых вдоль оси компрессора внутрь его проточной части, одно из которых установлено в радиальном безлопаточном диффузоре и имеет толщину, равную радиальному размеру безлопаточного диффузора, а другое установлено за радиальным лопаточным диффузором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к центробежным компрессорам с регулированием расхода воздуха, и может быть использовано в конструкции газотурбинных двигателей различных транспортных средств и газотурбинных энергетических установках.

Важнейшей проблемой эксплуатации газотурбинных двигателей является необходимость обеспечения работоспособности компрессора в широком диапазоне изменения расхода воздуха. При изменении сопротивления сети, на которую работает компрессор, уменьшается расход воздуха и обтекание лопаток центробежного колеса и лопаточного диффузора отличается от проектного. Возрастают углы атаки потока на лопатках колеса и диффузора, возникает отрыв потока от лопаток в межлопаточных каналах. Отрывное течение в центробежном колесе приводит к окружной неоднородности потока за колесом и резко нестационарному обтеканию лопаток диффузора. Коэффициент полезного действия и запас устойчивой работы компрессора уменьшаются, возрастают вибрации машинной линии и ухудшаются акустические характеристики.

Известен "Способ регулирования производительности и напора ступени центробежного компрессора", авторское свидетельство №914815 от 16.06.1980, где регулирование компрессора производится с помощью поворотных лопаток входного направляющего аппарата.

Недостатком данного технического решения является то, что обтекание повернутых от расчетного положения лопаток входного направляющего аппарата происходит с большими углами атаки, равными углу поворота лопаток. Это приводит к срывному обтеканию лопаток входного направляющего аппарата и появлению окружной неоднородности потока на входе в центробежное колесо. В результате снижается коэффициент полезного действия колеса и ограничивается расширение диапазона устойчивой работы центробежного компрессора по расходу воздуха. Кроме того, для борьбы с обледенением лопаток входного направляющего аппарата необходимо иметь систему обогрева лопаток горячим воздухом, отбираемым из проточной части компрессора.

Известен "Способ регулирования расхода воздуха центробежного компрессора", патент США №4378194 от 29.03.1983, где в лопаточном диффузоре с переменной шириной лопатки неподвижно прикреплены к одной из стенок диффузора, при этом лопатки установлены с возможностью прохождения сквозь отверстия, выполненные в другой стенке диффузора, обеспечивая, таким образом, возможность изменения геометрии диффузора при изменении нагрузки.

Недостатком данного технического решения является технологическая проблема, связанная с изготовлением отверстий в подвижном боковом корпусе в точном соответствии с профилями лопаток радиального диффузора, так как незначительные отклонения при изготовлении от их формы и размеров приводят к повышенному трению боковых поверхностей профилированных отверстий при перемещении бокового корпуса по лопаткам и его заклиниванию. Особенно это свойственно высоконапорным центробежным компрессорам с высокой температурой подогрева воздуха при сжатии, высокой температуре конструкции и тепловой деформации элементов конструкции.

Наиболее близким к изобретению и принятым за прототип в части способа является способ регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, содержащего рабочее колесо, радиальный безлопаточный диффузор и радиальный лопаточный диффузор, заключающийся в том, что изменяют проходное сечение на выходе из рабочего колеса, перед входом в радиальный лопаточный диффузор, и дополнительно производят изменение проходного сечения за радиальным лопаточным диффузором (“Радиальный диффузор для радиальной турбомашины”, патент США №2996996 от 22.08.1961).

Недостатком известного способа является узкий диапазон устойчивой работы компрессора по расходу воздуха.

Задачей способа регулирования расхода воздуха центробежного компрессора является расширение диапазона устойчивой работы компрессора по расходу воздуха.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, содержащего рабочее колесо, радиальный безлопаточный диффузор и радиальный лопаточный диффузор, заключающемся в том, что изменяют проходное сечение на выходе из рабочего колеса, перед входом в радиальный лопаточный диффузор, дополнительно производят изменение проходного сечения за радиальным лопаточным диффузором, согласно изобретению регулирование проходного сечения перед радиальным лопаточным диффузором и за радиальным лопаточным диффузором осуществляют поочередно.

Известен "Компрессорный узел ГТД", патент США №5059091 от 08.06.1990, в котором центробежный компрессор имеет ширину лопаток радиального лопаточного диффузора меньше ширины проточной части компрессора, при этом лопатки консольно установлены на одном или обоих боковых корпусов диффузора. Причем один из боковых корпусов имеет возможность смещения вдоль оси компрессора на величину разницы ширины проточной части и ширины укороченных лопаток диффузора, т.е. на ход смещаемого бокового корпуса. При этом площадь проходного сечения радиального диффузора уменьшается и уменьшается расход воздуха через компрессор.

Недостатком данного технического решения является ограниченное регулирование диапазона устойчивой работы по расходу воздуха, определяемое величиной хода смещаемого бокового корпуса диффузора. Кроме того, при расчетном положении смещаемого бокового корпуса радиального диффузора только часть потока отклоняется укороченными лопатками.

Наиболее близким к изобретению и принятым за прототип в части устройства является устройство для регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, снабженного центробежным колесом, радиальным безлопаточным диффузором и радиальным лопаточным диффузором, содержащее расположенный в наружном корпусе компрессора элемент, регулирующий площадь проходного сечения и соединенный с приводом (“Радиальный диффузор для радиальной турбомашины”, патент США №2996996 от 22.08.1961).

Недостатком известного устройства является узкий диапазон устойчивой работы компрессора по расходу воздуха.

Задачей устройства регулирования расхода воздуха центробежного компрессора является расширение диапазона его устойчивой работы по расходу воздуха.

Для этого в устройстве для регулирования расхода воздуха центробежного компрессора, снабженного центробежным колесом, радиальным безлопаточным диффузором и радиальным лопаточным диффузором, содержащем расположенный в наружном корпусе компрессора элемент, регулирующий площадь проходного сечения и соединенный с приводом, согласно изобретению регулирующий элемент выполнен в виде двух подвижных колец, перемещаемых вдоль оси компрессора внутрь его проточной части, одно из которых установлено в радиальном безлопаточном диффузоре и имеет толщину, равную радиальному размеру безлопаточного диффузора, а другое установлено за радиальным лопаточным диффузором.

На чертеже представлена схема заявленного устройства для регулирования расхода воздуха центробежного компрессора.

Устройство содержит корпус 1 с размещенным в нем центробежным колесом 2, рабочие лопатки 3, установленные на центробежном колесе 2, радиальный безлопаточный диффузор 4, радиальный лопаточный диффузор 6 с лопатками 7, регулирующее кольцо 5, установленное в безлопаточном диффузоре 4 на выходе из центробежного колеса 2, и регулирующее кольцо 8, установленное на выходе из радиального лопаточного диффузора 6. Регулирующие кольца 5 и 8 соединены с приводом (на чертеже не показан) и имеют возможность перемещаться вдоль оси компрессора внутрь его проточной части, осуществляя регулирование расхода воздуха в центробежном компрессоре.

Способ регулирования расхода воздуха центробежного компрессора посредством описанного выше устройства осуществляют следующим образом.

При осевом смещении регулирующего кольца 5 внутрь проточной части компрессора уменьшается ширина проточной части безлопаточного диффузора 4 и перекрывается проходное сечение непосредственно на выходе из лопаток 3 центробежного колеса 2 и на входе в лопатки 7 радиального лопаточного диффузора 6, при этом расход воздуха через компрессор уменьшается. Вследствие возрастания углов атаки потока на входе в лопатки 3 центробежного колеса 2 образуется отрыв потока на лопатках, который локализуется внутри колеса 2. Параметры потока на выходе из лопаток 3 центробежного колеса 2 и на входе в лопатки 7 радиального лопаточного диффузора 6 остаются практически расчетными. С уменьшением площади входного сечения радиального лопаточного диффузора 6 в нем возрастает торможение потока. Для снижения торможения потока в радиальном лопаточном диффузоре 6 уменьшают проходное сечение непосредственно на выходе из лопаток 7 радиального лопаточного диффузора 6 путем смещения внутрь его проточной части регулирующего кольца 8.

Регулирование центробежного компрессора путем расширения диапазона устойчивой его работы по расходу воздуха заключается в уменьшении ширины канала безлопаточного диффузора 4 за счет перекрытия проходного сечения непосредственно на выходе из лопаток 3 центробежного колеса 2 и на входе в лопатки 7 радиального лопаточного диффузора 6. При этом сохраняются постоянными величина и направление скорости потока воздуха на выходе из лопаток 3 центробежного колеса 2, в безлопаточном диффузоре 4 и на входе в лопатки 7 радиального лопаточного диффузора 6, то есть сохраняется напор, создаваемый центробежным колесом.

Регулирование центробежного компрессора осуществляют перемещением вдоль оси компрессора внутрь его проточной части поочередно каждого из колец 5 и 8.

Применение предлагаемого технического решения отличается технологической простотой в изготовлении, обеспечивает широкий диапазон изменения расхода воздуха при постоянном напоре компрессора на заданной частоте вращения и имеет повышенную надежность в работе.

Экспериментальными исследованиями показано, что особенно эффективно применение предлагаемого способа регулирования расхода воздуха центробежного компрессора и устройства для его осуществления в центробежных компрессорах вспомогательных газотурбинных установок, в которых по эксплуатационным условиям требуется значительное уменьшение расхода воздуха при постоянной частоте вращения ротора и сокращение потребляемой компрессором мощности.