ступень центробежной турбомашины

Формула изобретения

1. Ступень центробежной турбомашины, состоящая из отвода и рабочего колеса с ведомым и ведущим дисками и лопастей между ними, отличающаяся тем, что периферийная часть рабочего колеса выполнена с внезапным расширением меридианного сечения в одну или обе стороны, причем между внутренней поверхностью дисков после расширения и внешней торцевой поверхностью этих же дисков до расширения образован торцевой зазор в направлении выхода потока из рабочего колеса.

2. Ступень по п.1, отличающаяся тем, что ширина торцевого зазора не превышает (0,2-0,3) ширины рабочего колеса на выходе.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к турбостроению, в частности к центробежным насосам и компрессорам.

Известны ступени многоступенчатых насосов, содержащие рабочее колесо и направляющий аппарат (например, Лопастные насосы: Справочник. / Под редакцией В.А.Зимницкого и В.А.Умова. Л.: Машиностроение, 1986. С.215, рис.7.8).

Недостаток таких ступеней состоит в том, что они выполнены с закрытым сочленением рабочего колеса и направляющего аппарата, т.е. вход в диффузорные каналы направляющего аппарата по ширине меньше, чем ширина рабочего колеса вместе с дисками. Пазухи, образованные соответствующими дисками колеса, стенкой направляющего аппарата и диафрагмой, разделяющей ступени, при этом оказываются закрытыми. Поток из пазух, инициированный дисковым трением колеса и направленный по плоскости дисков от центра к периферии, наталкивается на уступ в месте сочленения рабочего колеса и направляющего аппарата и теряет значительную часть своей энергии, которая, таким образом, не используется полезно.

Известны ступени насосов со спиральным отводом и рабочим колесом, сочленение которых выполнено открытым, например отечественные насосы типа Д (Лопастные насосы: Справочник. / Под редакцией В.А.Зимницкого и В.А. Умова. Л.: Машиностроение, 1986. С.186, рис.6.4). Такие ступени позволяют полезно использовать часть энергии дискового трения. Поток из пазух, идущий по поверхности дисков, сливается с основным потоком из колеса и сообщает жидкости дополнительную энергию.

Недостаток ступеней с открытым сочленением рабочего колеса и отвода состоит в ограниченности применения такой схемы, она не может быть использована в многоступенчатых машинах с радиальным лопаточным отводом в виде направляющего аппарата. Кроме того, энергия, инициированная дисковым трением, используется недостаточно. Часть ее затрачивается на вихреобразование в спирали, когда в последнюю поступает поток из пазух.

Предлагаемая конструкция ступени позволяет полнее использовать энергию дискового трения вне зависимости от вида сочленения рабочего колеса и отвода и благодаря этому повысить КПД и напор ступени.

Указанная цель достигается тем, что ступень центробежной турбомашины, состоящая из отвода и рабочего колеса с ведомым и ведущим дисками и лопастями между ними, согласно изобретению выполнена с внезапным расширением меридианного сечения рабочего колеса в его периферийной части в одну или обе стороны, причем между внутренней поверхностью дисков после расширения и внешней торцевой поверхностью этих же дисков до расширения образован торцевой зазор в направлении выхода потока из рабочего колеса и величина торцевого зазора не превышает (0,2-0,3) ширины колеса на выходе.

На фиг.1 представлена ступень центробежной турбомашины, меридианное сечение; на фиг.2 - ведомый диск, вид сверху; на фиг.3 и 4 - варианты исполнения ступени.

Ступень содержит отвод 1, рабочее колесо 2 с ведущим диском 3, ведомым диском 4, лопастями 5 и пазухами 6 и 7 между соответствующими дисками и стенками корпуса 8 (фиг.1). Периферийная часть рабочего колеса 2 выполнена с расширением 9 таким образом, что между внутренней поверхностью диска 4 после расширения и внешней поверхностью того же диска до расширения образован торцевой зазор 5 в направлении выхода потока из колеса. Аналогичное расширение может быть выполнено и на ведущем диске 3.

На фиг.1 пунктиром (поз.10) показан вариант исполнения, при котором расширенная часть ведомого диска 4 на периферии рабочего колеса продлена в сторону оси вращения и на расстоянии торцевого зазора перекрывает основную часть диска 4 на участке до внезапного расширения меридианного сечения.

В варианте исполнения, представленном на фиг.3, торцевой зазор образован конусными поверхностями периферийной и основной частей ведомого диска 4. Наклон конусных поверхностей ориентирован в сторону ведущего колеса 3.

Перед входом потока в зазор на основной части диска 3 возможна установка дополнительных лопаток 11 (фиг.4). Лопатки могут быть прямыми вихревыми либо профилированными по типу центробежных.

Ступень работает следующим образом. При вращении рабочего колеса 2 на внешней поверхности диска 4 до расширения 9 в относительном движении возникает поток, инициированный дисковым трением. Направление этого потока (стрелка А на фиг.2) соответствует направлению потока в межлопастном канале. Через торцевой зазор поток от дискового трения поступает в периферийную расширенную часть 9 рабочего колеса 2 и сливается с потоком внутри его, передавая дополнительную энергию, в результате чего повышается напор и КПД ступени. Поскольку направления потока от дискового трения и потока в межлопастном канале близки, их слияние происходит с минимальным вихреобразованием и потерями.

При выполнении расширения меридианного сечения рабочего колеса 2 на ведущем диске 3 картина течения аналогична описанной.

Известно, что чем меньше коэффициент быстроходности n_s ступени, тем больше доля дискового трения в общей мощности, потребляемой ступенью. Так, при n_s=50 эта доля составляет около 25%, а при n_s=20 - около 60%. Соответственно n_s возрастает и доля полезно используемой энергии при применении конструкции ступени согласно изобретению.

Радиус расположения расширения меридианного сечения выбирается из следующих соображений. Мощность дискового трения торцевой поверхности пропорциональна радиусу в пятой степени, поэтому чем на большем радиусе выполнено расширение меридианного сечения, тем выгоднее. С другой стороны, часть диска за расширением должна быть с необходимой прочностью соединена с торцами лопастей и, следовательно, должна иметь определенный размер.

Выбор размера торцевого зазора обусловлен тем расходом жидкости, который обеспечивается дисковым трением ведомого или ведущего дисков. Этот размер не должен превышать величины (0,2-0,3)b₂, где b₂ - ширина рабочего колеса на выходе (см. фиг.1).

Работоспособность заявленной конструкции подтверждена экспериментально.