Газодинамический расчет и профилирование рабочего колеса центробежного компрессора.
Конструкция центробежного компрессора агрегата наддува ДВС В качестве компрессоров, применяемых в системах газотурбинного наддува, наибольшее распространение получили центробежные компрессора, рабочие лопатки, которых образуют радиальные каналы сложного профиля. При вращении вала компрессора воздух под действием центробежной силы отбрасывается к периферии колеса. Рабочее колесо является единственным элементом компрессора, в котором к сжимаемому воздуху подводится энергия.
Рисунок 2 Центробежный компрессор:
1 – вал компрессора; 2 – рабочее колесо; 3 – безлопаточный диффузор; 4 – лопаточный диффузор; 5 – воздухосборная улитка; 6 – входное устройство
Во входном патрубке, который должен иметь минимальное гидравлическое сопротивление образуется разрежение, и атмосферный воздух непрерывно поступает к рабочему колесу. На входе в рабочее колесо располагается, в некоторых конструкциях турбокомпрессоров, неподвижный направляющий аппарат (ННА), представляющий собой набор лопаток, обеспечивающих закрутку потока по направлению вращения рабочего колеса. Закрутка потока в ННА уменьшает относительную скорость W1 и обеспечивает тем самым безударный вход воздушного потока в рабочее колесо.
Для обеспечения бессрывного обтекания входных кромок, лопатки рабочего колеса должны быть ориентированы к потоку. Отогнутые входные кромки образуют вращающийся направляющий аппарат (ВНА). Число лопаток ВНА может быть равным числу лопаток рабочего колеса или меньше в два раза (двухъярусная решетка). Меньшее число лопаток на входе уменьшает загромождение потока, улучшая работу ступени, особенно на нерасчетных режимах. Межлопаточный канал ВНА представляет собой диффузор с криволинейной осью, в котором относительная скорость воздуха заметно уменьшается. Последующие участки рабочего колеса профилируют таким образом, чтобы относительная скорость воздуха сохранялась примерно постоянной или даже несколько уменьшалась. Это обеспечивает сравнительно небольшие гидравлические потери. Абсолютная скорость воздуха монотонно возрастает по мере продвижения к краю рабочего колеса.
На выходе из колеса абсолютная скорость воздуха достигает значений близких к окружной скорости на наружном диаметре рабочего колеса (от 300 до 520 м/с).
В центробежных компрессорах используются обычно полузакрытые рабочие колеса, у которых лопатки ограничены диском с одной стороны. Потери в рабочем колесе уменьшаются, если его лопатки находятся между двумя дисками, т. е. в закрытых рабочих колесах. Однако применение таких колес сдерживается сложностью их изготовления.
Кроме рабочих колес с радиальными лопатками применяются колеса с лопатками, загнутыми против направления вращения. На выходе из такого колеса, при одинаковых окружных скоростях U2, достигаются меньшие значения абсолютной скорости воздушного потока на выходе из рабочего колеса C2 и за колесом образуется более равномерный поток, что приводит к повышению КПД компрессора.
Из рабочего колеса поток сжатого воздуха с высокой кинетической энергией поступает в диффузор, в котором скорость газа уменьшается вследствие увеличения площади проходного сечения, а часть кинетической энергии потока преобразуется в потенциальную энергию давления. В центробежных компрессорах, применяемых для наддува, используются безлопаточные (щелевые) и лопаточные диффузоры. Щелевой диффузор представляет собой кольцевую щель с параллельными (как правило) стенками. У лопаточного диффузора в кольцевую щель встроены специально спрофилированные лопатки, образующие расширяющиеся каналы. Лопаточному диффузору всегда предшествует укороченный безлопаточный, который способствует некоторому выравниванию потока, весьма неравномерного на выходе из рабочего колеса, и позволяет избежать возникновения ударных импульсов, которые могли бы воздействовать на рабочее колесо при слишком близком расположении лопаток диффузора.
Воздух из диффузора поступает в улитку служащую для сбора потока и подвода его к впускному трубопроводу. В улитке происходит дальнейшее расширение воздуха, снижение скорости потока и повышение давления, т. е. улитка выполняет ту же функцию, что и диффузор.