RU2330994C2 - Центробежный компрессор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к компрессоростроению, может быть использовано в двигателях летательных аппаратов, морских и наземных транспортных средств, а также в энергоустановках и позволяет повысить надежность центробежного компрессора за счет исключения разрушительных процессов в его рабочем колесе. Центробежный компрессор содержит рабочее колесо закрытого типа, корпус рабочего колеса и диффузор. Корпус рабочего колеса установлен над покрывным диском рабочего колеса с зазором, который имеет сообщение с проточной частью компрессора через щель между наружной кромкой покрывного диска и корпусом рабочего колеса. Покрывной диск рабочего колеса выполнен с лабиринтным уплотнением по внутренней кромке с тыльной стороны относительно проточной части. Новым является то, что компрессор снабжен кольцевой камерой охлаждающего воздуха. Кольцевая камера сформирована на корпусе рабочего колеса и имеет сообщение с трубопроводом подвода охлаждающего воздуха высокого давления. Кроме того, корпус рабочего колеса выполнен с отверстиями, которые соединяют полость кольцевой камеры охлаждающего воздуха с зазором, образованным между корпусом рабочего колеса и покрывным диском. 1 ил.

Description

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в двигателях летательных аппаратов, морских и наземных транспортных средств, а также в энергоустановках.

Известен центробежный компрессор, содержащий рабочее колесо, корпус рабочего колеса, диффузор, камеру охлаждающего воздуха. Камера расположена за рабочим колесом и имеет сообщение с проточной частью компрессора непосредственно на выходе из рабочего колеса. Также она сообщена с трубопроводом подвода охлаждающего воздуха (патент США №6035627, кл. F02C 7/18, опубл. 14.03.2000). При работе центробежного компрессора на вход в камеру охлаждающего воздуха поступает два потока воздуха: горячий непосредственно с выхода рабочего колеса и холодный из трубопровода охлаждающего воздуха. Смешивание потоков на входе позволяет в камере получить температуру обдувающего рабочее колесо воздуха ниже, чем температура воздуха на выходе рабочего колеса. Таким образом, обеспечивается охлаждение и выравнивание температур в металле ступицы рабочего колеса. Недостатком центробежного компрессора является его невысокая эффективность, так как в нем использовано рабочее колесо полуоткрытого типа. Для рабочих колес полуоткрытого типа характерны концевые потери, связанные с перетеканием воздуха. Кроме того, компрессор с рабочим колесом полуоткрытого типа сложен в использовании из-за необходимости соблюдения малых зазоров между рабочим колесом и его корпусом.

Указанные недостатки устраняются в центробежных компрессорах применением рабочих колес закрытого типа. Такие рабочие колеса состоят из двух переходящих один в другой конструктивных элементов: основного диска с рабочими лопатками и покрывного диска (Холщевников К.В. и др. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. - М.: Машиностроение, 1986, с.184-185; а.с. СССР №1168748, кл. F04D 29/58, опубл. 23.07.1985; а.с. СССР №1633161, кл. F04D 29/28, опубл. 07.03.1991; патент США №2305226, кл. 230-130, опубл. 15.12.1942). Рабочее колесо закрытого типа обеспечивает минимальные концевые потери и наибольшие значения КПД.

Известен центробежный компрессор, выбранный в качестве прототипа. Конструкция центробежного компрессора включает рабочее колесо закрытого типа, корпус рабочего колеса и диффузор. Покрывной диск рабочего колеса выполнен с лабиринтным уплотнением по внутренней кромке с тыльной стороны относительно проточной части колеса. Корпус рабочего колеса, выполняющий также функцию корпуса уплотнения, установлен над покрывным диском с образованием зазора. Зазор сообщается с проточной частью компрессора через щель, расположенную между наружной кромкой покрывного диска и корпусом рабочего колеса (а.с. СССР №591619, кл. F04D 29/28, опубл. 05.02.1978). Недостатком центробежного компрессора является его недостаточная надежность. В условиях работы рабочее колесо быстро выходит из строя: в местах перехода лопаток к покрывному диску образуются трещины, приводящие к разрушению колеса.

Задачей изобретения является повышение надежности центробежного компрессора за счет исключения разрушительных процессов в его рабочем колесе.

Исключение разрушительных процессов в рабочем колесе достигается тем, что в центробежном компрессоре, включающем рабочее колесо закрытого типа, покрывной диск которого выполнен с лабиринтным уплотнением по внутренней кромке с тыльной стороны относительно проточной части, диффузор и корпус рабочего колеса, установленный над покрывным диском с зазором, сообщенным с проточной частью компрессора через щель, расположенную между наружной кромкой покрывного диска и корпусом рабочего колеса, согласно изобретению на корпусе рабочего колеса сформирована кольцевая камера охлаждающего воздуха, имеющая сообщение с трубопроводом подвода охлаждающего воздуха высокого давления, при этом корпус рабочего колеса выполнен с отверстиями, соединяющими полость кольцевой камеры охлаждающего воздуха с зазором, образованным между корпусом рабочего колеса и покрывным диском.

Исследование разрушительных процессов, возникающих в рабочем колесе при работе центробежного компрессора - прототипа, позволило установить их причину. Она заключается в разнице прогрева покрывного диска и лопаток основного диска. Например, эта разница при использовании компрессора в газотурбинном авиационном двигателе составляет около 100°С: лопатки по ходу рабочего потока имеют температуру от 300°С до 350°С, а покрывной диск нагревается в интервале от 400°С до 450°С. Перепад температур на границе «лопатка - покрывной диск» вызывает в металле этой области значительные температурные напряжения. Причина в том, что покрывной диск нагревается дополнительно из-за трения об его поверхность воздушного потока. При этом поток воздуха перетекает в зазор из проточной части компрессора через щель между наружной кромкой покрывного диска и корпусом рабочего колеса, а затем просачивается через лабиринт на вход в рабочее колесо.

Наличие в новом центробежном компрессоре кольцевой камеры охлаждающего воздуха, сформированной на корпусе рабочего колеса и имеющей сообщение с трубопроводом подвода охлаждающего воздуха высокого давления, а также выполнение корпуса рабочего колеса с отверстиями, соединяющими полость кольцевой камеры охлаждающего воздуха с зазором, образованным между корпусом рабочего колеса и покрывным диском, позволяет производить обдув покрывного диска холодным воздухом. При этом исключено попадание в зазор горячего воздуха из проточной части компрессора. В итоге значительно снижается перепад температур на границе «лопатка - покрывной диск» и, следовательно, температурные напряжения в металле.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен центробежный компрессор газотурбинного двигателя, его продольный разрез.

Центробежный компрессор содержит наружный корпус 1, рабочее колесо 2 закрытого типа, корпус 3 рабочего колеса, диффузор 4, спрямляющий аппарат 5. Покрывной диск 6 рабочего колеса 2 на внутренней кромке с тыльной стороны относительно проточной части рабочего колеса имеет лабиринтное уплотнение 7. Корпус 3 рабочего колеса, выполняющий также функцию корпуса уплотнения, установлен над покрывным диском 6 с образованием зазора 8. Между наружной кромкой покрывного диска 6 и корпусом 3 рабочего колеса имеется щель 9, через которую зазор 8 сообщен с проточной частью центробежного компрессора непосредственно за выходом из рабочего колеса 2. На корпусе 3 рабочего колеса сформирована кольцевая камера 10 охлаждающего воздуха: корпус 3 выполняет функцию одной из стенок кольцевой камеры 10, функцию другой стенки кольцевой камеры 10 выполняет часть корпуса диффузора 4. В корпусе 3 рабочего колеса выполнены отверстия 11, которые соединяют полость кольцевой камеры 10 охлаждающего воздуха с зазором 8. Отверстия 11 размещены напротив серединной зоны покрывного диска 6 относительно его наружной и внутренней кромок. Такое размещение отверстий является наиболее рациональным.

Кольцевая камера 10 охлаждающего воздуха сообщена с трубопроводом 12 подвода охлаждающего воздуха высокого давления.

При работе центробежного компрессора охлаждающий воздух поступает по трубопроводу 12 подвода охлаждающего воздуха высокого давления в кольцевую камеру 10 охлаждающего воздуха. Через отверстия 11 он попадает в зазор 8 и, обдувая покрывной диск 6, под действием перепада давления и центробежных сил частично отводится через щель 9 в проточную часть за рабочим колесом 2, а частично под действием перепада давления через лабиринтное уплотнение просачивается на вход в рабочее колесо 2.

Таким образом, температура покрывного диска приближается к температуре лопаток основного диска рабочего колеса. Вследствие этого уменьшаются температурные напряжения в металле на границе «лопатка - покрывной диск». При больших подогревах в рабочем колесе новая конструкция центробежного компрессора дает наилучшие результаты. Снижение риска выхода рабочего колеса из строя, увеличение его ресурса способствуют повышению надежности центробежного компрессора.

Claims (1)

1. Центробежный компрессор, включающий рабочее колесо закрытого типа, покрывной диск которого выполнен с лабиринтным уплотнением по внутренней кромке с тыльной стороны относительно проточной части, диффузор и корпус рабочего колеса, установленный над покрывным диском с зазором, сообщенным с проточной частью компрессора через щель, расположенную между наружной кромкой покрывного диска и корпусом рабочего колеса, отличающийся тем, что на корпусе рабочего колеса сформирована кольцевая камера охлаждающего воздуха, имеющая сообщение с трубопроводом подвода охлаждающего воздуха высокого давления, при этом корпус рабочего колеса выполнен с отверстиями, соединяющими полость кольцевой камеры охлаждающего воздуха с зазором, образованным между корпусом рабочего колеса и покрывным диском.