центробежный компрессор

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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.