ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2001 года по МПК F04D29/46 F04D27/02 

Изобретение относится к центробежным компрессорам в целом и в особенности к конструкции диффузора для центробежного компрессора.

Одной из основных проблем, которые возникают при эксплуатации паровых центробежных компрессоров, работающих с изменяющимися в широком диапазоне нагрузками, является стабилизация потока, проходящего через компрессор. Впускное устройство компрессора, его рабочее колесо и проходы диффузора должны быть спроектированы с учетом максимального необходимого объемного расхода. При прохождении малого объемного расхода через такой компрессор поток становится нестабильным. Как только величина объемного расхода понижается и выходит из стабильного диапазона, поток на входе становится слегка нестабильным. В этом случае в проходе диффузора возникает частичный обратный поток, создающий шум и снижающий коэффициент полезного действия компрессора. Ниже этого диапазона компрессор входит в так называемый помпаж, когда в проходе диффузора периодически возникает полный обратный поток, ухудшающий коэффициент полезного действия компрессора и вызывающий угрозу разрушения его элементов. Поскольку во многих случаях применения компрессоров необходимо иметь широкий диапазон объемного расхода, предлагаются многочисленные варианты улучшения стабильности потока при низком объемном расходе.

Разработано много вариантов поддержания высокого коэффициента полезного действия компрессора при работе в широком диапазоне. В патенте США 4070123 вся конструкция рабочего колеса компрессора изменяется при изменении нагрузки для согласования характеристики машины с изменившейся нагрузкой. В патенте США 3362625 описаны регулируемые ограничители потока в диффузоре, служащие для регулирования этого потока и для улучшения стабильности при низком объемном расходе.

Общеизвестным техническим приемом поддержания высокого рабочего коэффициента полезного действия при широком диапазоне расхода в центробежных машинах является применение диффузоров с регулируемой шириной и с неподвижными направляющими лопатками.

В патентах США 2996996 и 4378194, принадлежащих одному заявителю, описываются лопаточные диффузоры с переменной шириной, в которых лопатки неподвижно прикреплены, например посредством резьбовых крепежных деталей к одной из стенок диффузора. Лопатки установлены с возможностью прохождения сквозь отверстия, выполненные в другой стенке диффузора, обеспечивая таким образом возможность изменения геометрии диффузора при изменении нагрузки.

Неподвижное крепление лопаток диффузора к одной из его стенок вызывает ряд проблем в частности при изготовлении, установке и работе машины. Для крепления лопаток в узле имеется лишь небольшое пространство. Любое рассогласование лопаток вызывает их застревание или трение о противоположную стенку по мере ее перемещения. Также, если требуется переместить по меньшей мере одну лопатку из группы в узле, как правило всю машину нужно разобрать.

В соответствии с главной целью в широком ее понимании настоящее изобретение относится к трубному диффузору с регулируемыми геометрическими параметрами для центробежного компрессора.

Предлагаемый трубный диффузор с регулируемыми геометрическими параметрами (он может быть также назван трубным диффузором, составленным из колец) содержит первое, внутреннее и второе, внешнее кольца, которые имеют выполненные в них сопрягаемые части входных проточных каналов. То есть каждая часть входного проточного канала внутреннего кольца имеет сопрягаемую с ней часть входного проточного канала, выполненную во внешнем кольце. Внутреннее и внешнее кольца установлены с возможностью поворота друг относительно друга. В предпочтительном варианте выполнения внутреннее кольцо поворачивается по окружности во внешнем кольце, которое, наоборот, может быть установлено с возможностью поворота по окружности вокруг неподвижного внутреннего кольца.

При повороте одного кольца относительно другого соосность каждой пары сопрягаемых частей воздушных каналов нарушается. Кольца установлены с возможностью регулирования их положения между первым, открытым положением, в котором сопрягаемые части каналов колец совмещены для обеспечения прохождения максимального количества текучей среды через внутреннее и внешнее кольца, и вторым, закрытым положением, в котором поток текучей среды через каналы ограничен и меньший ее объем проходит через сопрягаемые части входных каналов внутреннего и внешнего колец. Кольца могут быть также выполнены с возможностью регулирования их положения и установки в любое количество промежуточных положений между открытым и закрытым.

Для предотвращения чрезмерного термодинамического нагрева деталей компрессора во втором, закрытом положении через диффузор должно проходить по меньшей мере около 10% от объема потока, проходящего в полностью открытом положении, а относительный поворот двух кольцевых частей должен быть ограничен поворотом, необходимым для установки во второе, закрытое положение. Другими словами, кольца не должны устанавливаться с возможностью полного перекрытия потока текучей среды между ними. Степень допустимого поворота этих колец определяется необходимым расходом между ними в полностью закрытом положении и количеством и объемом входных воздушных каналов в кольцевых частях. Предотвращение полного закрытия входного проточного канала может быть обеспечено посредством внутреннего кольца с частями, в которых отсутствуют каналы и ширина которых меньше минимальной ширины проточных каналов внешнего кольца.

При установке регулируемого трубного диффузора в направлении закрытого положения точка помпажа в характеристике компрессора, имеющего предлагаемый диффузор, сдвигается в направлении более низкого расхода. Давление, получаемое на выходе из компрессора, при таком более низком расходе приблизительно то же, что и у компрессора, в котором диффузор открыт полностью. Следовательно, настоящее изобретение особенно полезно при регулировании характеристик компрессора, так что компрессор может работать при низком расходе с большой степенью сжатия. Такой рабочий режим необходим, когда, например имеется большая разница между внутренней и наружней температурами окружающей среды, а нагрузка в установке при этом низкая.

Оптимизация коэффициента полезного действия компрессора при заданном рабочем режиме часто возможна путем совместного регулирования предлагаемого диффузора и входного направляющего аппарата компрессора.

На чертежах, на которых одни и те же элементы обозначены одинаковыми номерами,
фиг. 1 изображает продольный разрез предлагаемого компрессора с регулируемым трубным диффузором;
фиг. 2 изображает вид в аксонометрии предлагаемого регулируемого трубного диффузора;
фиг. 3 и 4 изображают поперечный разрез предлагаемого регулируемого трубного диффузора соответственно в первом, открытом и во втором, закрытом положениях;
фиг. 5 изображает график характеристики предлагаемого регулируемого трубного диффузора;
фиг. 6 изображает график характеристики компрессора, имеющего только входные направляющие лопатки;
фиг. 7 изображает график характеристики предлагаемого компрессора, имеющего регулируемый трубный диффузор и входные направляющие лопатки.

На фиг. 1 показан центробежный компрессор 10, имеющий рабочее колесо 12, служащее для ускорения пара охлаждающей среды до высокой скорости, диффузор 14, служащий для торможения охлаждающей среды до низкой скорости, при этом кинетическая энергия превращается в энергию сжатия, и нагнетательную камеру в виде коллектора 16 для сбора нагнетаемого пара и последующей подачи его в конденсатор. Колесо 12 приводится в движение электродвигателем (не показан), герметично установленным на другом конце компрессора и вращающим высокоскоростной вал 19.

Поток охлаждающей среды проходит через компрессор 10 следующим образом: охлаждающая среда поступает во впускное отверстие 29 впускного корпуса 31, проходит через кольцевой лопаточный аппарат 32 и направляющие лопатки 33 и затем поступает во входную область 23 сжатия, ведущую в область сжатия, ограниченную с внутренней стороны колесом 12 и с наружной стороны - покрывающим диском 34. После сжатия охлаждающая среда поступает в диффузор 14, коллектор 16 и нагнетательный трубопровод (не показан).

Как видно на фиг. 1-3, предлагаемый трубный диффузор 14 с регулируемыми геометрическими параметрами включает первое, внутреннее кольцо 40 и второе, внешнее кольцо 42, которые имеют выполненные в них сопрягаемые части 44 и 46 проточных каналов. То есть каждая часть 44 проточного канала кольца 40 имеет сопряженную с ней часть 46 канала, выполненную в кольце 42. Кольца 40 и 42 установлены с возможностью поворота по отношению друг к другу. В предпочтительном варианте выполнения кольцо 40 поворачивается по окружности в кольце 42, которое, наоборот, может быть установлено с возможностью поворота по окружности вокруг неподвижного кольца 40.

При повороте одного кольца по отношению к другому соосность каждой пары сопрягаемых входных проточных каналов внутреннего и внешнего колец нарушается, как показано на фиг. 3 и 4. Кольца 40 и 42 установлены с возможностью регулирования их положения между первым, открытым положением, показанным на фиг. 3, в котором сопрягаемые части каналов совмещены для обеспечения прохождения максимального количества текучей среды через кольца 40 и 42, и вторым, закрытым положением, показанным на фиг. 4, в котором сопрягаемые каналы рассогласованы и поток текучей среды через части 44 и 46 ограничен.

Расход текучей среды через диффузор 14 во втором, закрытом положении по отношению к расходу в открытом положении определяется отношением минимальной площади поперечного сечения проточного канала диффузора в закрытом положении и минимальной площадью поперечного сечения проточного канала (ограниченного сопрягаемыми частями 44 и 46) в открытом положении. Такая минимальная площадь проточного канала, известная как "проходное сечение", в целом определяется наименьшим диаметром проточного прохода 52 канала 44 внутреннего кольца при нахождении диффузора 14 в открытом положении и регулируется шириной 53 в месте соединения колец 40 и 42 при нахождении диффузора 14 в закрытом положении. Например, если во втором, закрытом положении диффузора его канал имеет минимальную площадь (проходное сечение) 1/8 дюйма (3,18 мм), а в открытом положении - 1/4 дюйма (6,35 мм), то объемный расход текучей среды через диффузор, находящийся в закрытом положении, составляет примерно 50% от расхода при нахождении диффузора в открытом положении. При нахождении диффузора 14 во втором, закрытом положении расход текучей среды через компрессор 10 в целом составляет от примерно 10% до 100% расхода текучей среды через компрессор 10 при нахождении диффузора в первом, открытом положении.

Для предотвращения чрезмерного термодинамического нагрева деталей компрессора 10 во втором, закрытом положении (фиг. 4) через диффузор 14 должно проходить по меньшей мере примерно 10% объема потока, проходящего в полностью открытом положении, а относительный поворот двух кольцевых частей должен быть ограничен поворотом, необходимым для установки во второе, закрытое положение. Другими словами, кольца не должны устанавливаться с возможностью полного перекрытия потока текучей среды между ними. Степень допустимого поворота этих колец определяется необходимым расходом между ними в полностью закрытом положении и количеством и объемом частей 44 и 46 в кольцевых частях 40 и 42 по отношению к объему последних. Предотвращение полного закрытия входного проточного канала может быть обеспечено посредством кольца 40 с частями, в которых отсутствуют каналы и ширина которых меньше минимальной ширины части 46 внешнего кольца.

Как показано на фиг. 4, R₂ является внешним радиусом рабочего колеса, R₃ - радиусом кольца 40, и R₄ - радиусом внешнего кольца. При толщине кольца 40, ограниченной величиной Т = R₃-R₂, не превышающей необходимую для блокирования необходимой части расхода (например 50% от полного расхода) через части 46 существует возможность эффективного регулирования потока текучей среды через диффузор 14. Поворот внутреннего кольца по отношению к внешнему уменьшает проходное сечение диффузора перед каким бы то ни было торможением потока, предотвращая таким образом ускорение потока после этого торможения. Кроме того, чем меньше толщина Т внутреннего кольца, тем меньше углы поворота потока при прохождении через частично перекрытый регулируемый трубный диффузор. Оба эти фактора приводят к повышению коэффициента полезного действия компрессора при работе на режимах с частичными нагрузками.

Предлагаемый регулируемый трубный диффузор может также иметь внутреннее кольцо 40, установленное с возможностью осевого перемещения по отношению к внешнему кольцу 42. Этот вариант выполнения не настолько предпочтителен, как описанные выше два кольца, установленные с возможностью поворота по окружности, поскольку в двух диффузорных кольцах, установленных с возможностью осевого перемещения по отношению друг к другу, имеются значительные потери при повороте, возникающие в результате поворотов на 90^o. Эти соосные кольца могут быть аналогичны кольцам, описанным в патентах США 4527949, 4378194 и 4219305, принадлежащих одному заявителю и включенных в описание посредством ссылок.

Работа и использование предлагаемого изобретения могут быть более понятны со ссылкой на фиг. 5, на которой показан график характеристик компрессора с предлагаемым регулируемым трубным диффузором. На графике представлено несколько кривых, каждая из которых соответствует определенному взаимному положению кольцевых частей 40 и 42. Каждая кривая характеристики, например 60, имеет точку помпажа, например 70, которая является точкой максимального допустимого давления. Работа компрессора с расходом, соответствующим точке помпажа или ниже, вызывает помпаж, как описано в разделе настоящего описания, посвященном предпосылкам изобретения.

Для наглядного пояснения изобретения кривая 60 может соответствовать, например, первому, открытому положению, кривая 62 - промежуточному частично закрытому положению с углом поворота 2 градуса, кривая 64 - промежуточному положению с углом поворота 4 градуса и кривая 68 - максимальному закрытому положению с углом поворота 8 градусов.

Очевидно, что поворот колец 40 и 42 в направлении закрытого положения вызывает смещение точек помпажа, например точек 70 и 72, на кривой характеристики компрессора в направлении режима с более низким расходом. Таким образом, предотвращение помпажа в режимах с малым расходом возможно путем поворота диффузорных колец 40 и 42 в направлении закрытого положения.

Для лучшего понимания изобретения можно сравнить график характеристик компрессора с регулируемым диффузором, представленный на фиг. 5, с графиком 7 характеристик компрессора, имеющего только регулируемые входные направляющие лопатки, представленным на фиг. 6. Кривые 80, 82, 84, 86 и 88 на фиг. 6 соответствуют определенному положению направляющих лопаток 33 по мере их закрытия. Очевидно, что закрытие лопаток 33, как и закрытие кольцевых частей 40 и 42, вызывает понижение расхода, соответствующего точке помпажа. Таким образом, предотвращение помпажа часто возможно путем смещения лопаток 33 в направлении закрытого положения.

Однако из графика характеристик на фиг. 6 очевидно, что смещение лопаток 33 в направлении закрытого положения вызывает дополнительное снижение допустимого перепада давлений в компрессоре 10 в точке помпажа. Следовательно, работа в режиме с низким расходом при относительно высоком давлении невозможна при регулировании только лопатками 33.

Напротив, из графика характеристик на фиг. 5 очевидно, что допустимое давление в точке помпажа для компрессора 10 остается по существу стабильным при смещении колец 40 и 42 в направлении закрытого положения. Следовательно, работа в режиме с низким расходом и высоком давлением возможна при смещении колец 40 и 42 в направлении закрытого положения.

Рабочий режим с низким расходом и большой степенью сжатия по отношению к степени сжатия в режиме с полной нагрузкой (например 90% полной нагрузки) является таким же и в случае, когда разница между температурой воздуха окружающей среды и внутренней температурой достаточно большая (например около 50^oF (10^oC) и более), но при этом время от времени неожиданно температура в здании понижается. В этом случае для давления насыщения охлаждающей среды, соответствующего давлению в конденсаторе, и температуры испарения необходима относительно высокая степень сжатия компрессора (например выше примерно 2.5), но для охлаждения внутреннего помещения здания необходимо только снижение расхода, например до 25% от полной нагрузки. На фиг. 7 показан график характеристик компрессора, имеющего как регулируемые направляющие лопатки, так и предлагаемый регулируемый трубный диффузор. Очевидно, что оптимизация коэффициента полезного действия компрессора при заданном рабочем режиме часто возможна путем совместного регулирования лопатками 33 и кольцами 40 и 42. На фиг. 7 пунктирные кривые 111, 112, 113, 114, 115 и 116 являются характеристиками компрессора с полностью открытым регулируемым диффузором при различных положениях лопаток 33, а сплошные кривые 101, 102, 103, 104 и 105 - характеристиками компрессора с закрытыми диффузорными кольцами (в данном случае в закрытом положении проходит примерно 40% от изначального расхода) при различных положениях направляющих лопаток. Как хорошо известно специалистам в данной области, компрессор работает с оптимальным коэффициентом полезного действия в точке изгиба кривой характеристики компрессора (например в точке 81 на фиг. 6). На графике 7 рабочий режим, например с давлением, составляющим примерно 0,7 от максимального, и с расходом, составляющим примерно 0,3 от максимального, является наиболее эффективным при работе компрессора в соответствии с кривой 104, полученной при смещении колец 40 и 42 в направлении закрытого положения и при повороте лопаток 33 на 10 градусов.

Простое механическое устройство для поворота по окружности кольца 40 в кольце 42 показано на фиг. 1. Цилиндр 120, выполненный за одно целое с кольцом 40, проходит от него на одинаковом расстоянии и имеет неподвижно прикрепленный фланец 122, который проходит от цилиндра 120 радиально наружу и находится в зубчатом зацеплении с зубчатым колесом 124, приводимым в движение через вал 126 двигателем 128, который выбирают и регулируют для осуществления перемещения кольца 40 по отношению к кольцу 42 между полностью открытым и вторым, закрытым положениями, а также в любое промежуточное положение. Вал 126 помещен в обычный герметичный корпус 130, который герметично отделяет его от внутренней полости 132 компрессора 10 и предотвращает протечки текучей среды из последнего.

Как наглядно показано на фиг. 2, кольцо 42 имеет гнездо 136 для обеспечения совмещения колец 40 и 42 и предотвращения протечек текучей среды через поверхность их соединения.

Регулируемый трубный диффузор для центробежного компрессора содержит внешнее и внутреннее кольца, установленные с возможностью поворота или осевого сдвига относительно друг друга между первым, открытым и вторым, закрытым положениями. В открытом положении сопрягаемые части воздушных каналов внутреннего и внешнего колец совмещены друг с другом для обеспечения максимального расхода охлаждающей среды через диффузор. В закрытом положении проточные каналы кольцевых частей рассогласованы, и поток охлаждающей среды через диффузор ограничен. Путем смещения колец диффузора в направлении закрытого положения возможно предотвращение помпажа даже при необходимости высокой степени сжатия компрессора. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Центробежный компрессор, содержащий корпус и рабочее колесо, установленное в нем с возможностью вращения для переноса рабочей текучей среды из впускного устройства на вход в кольцевой диффузор, расположенный радиально, отличающийся тем, что диффузор снабжен первым внутренним кольцом с выполненными в нем первыми частями проточного направляющего канала, вторым, внешним кольцом с выполненными в нем вторыми проточными направляющими каналами, причем каждая вторая часть проточного направляющего канала имеет сопрягаемую первую часть проточного направляющего канала, а также приводным устройством, служащим для поворота первого и второго колец по отношению друг к другу между первым, открытым положением, в котором сопрягаемые первые и вторые части проточного канала совмещены для обеспечения максимального расхода текучей среды через них, и вторым, закрытым положением, в котором сопрягаемые первые и вторые проточные направляющие каналы рассогласованы для ограничения расхода текучей среды через них. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что приводное устройство выполнено с обеспечением поворота внутреннего кольца во внешнем кольце по окружности. 3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что приводное устройство выполнено с обеспечением поворота внешнего кольца вокруг внутреннего кольца по окружности. 4. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что приводное устройство снабжено средствами ограничения поворота внутреннего и внешнего колец, так что во втором, закрытом положении расход воздуха через указанные каналы составляет не менее примерно 10% от расхода воздуха через эти же каналы при нахождении диффузора в первом, открытом положении. 5. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что приводное устройство снабжено цилиндром, установленным на одинаковом расстоянии от внутреннего кольца, фланцем, расположенным радиально снаружи цилиндра, зубчатым приспособлением, находящимся в зубчатом зацеплении с фланцем и служащим для его поворота, а также двигательными средствами, служащими для приведения в движение зубчатого приспособления. 6. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что внутреннее кольцо выполнено из сплошных частей, в которых отсутствуют каналы и ширина каждой из которых меньше минимальной ширины частей проточных направляющих каналов внешнего кольца. 7. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что внутреннее кольцо выполнено толщиной, не превышающей необходимой для блокирования требуемой части расхода через проточные направляющие части каналов внешнего кольца. 8. Центробежный компрессор, содержащий корпус и рабочее колесо, установленное в нем с возможностью вращения для переноса рабочей текучей среды из впускного устройства на вход в кольцевой диффузор, расположенный радиально, отличающийся тем, что диффузор снабжен первым, внутренним кольцом с выполненными в нем первыми частями проточного направляющего канала, вторым, внешним кольцом с выполненными в нем вторыми проточными направляющими каналами, причем каждая вторая часть проточного направляющего канала имеет сопрягаемую первую часть проточного направляющего канала, а также приводным устройством, служащим для осевого перемещения первого и второго колец по отношению друг к другу.