ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2016 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к центробежному компрессору в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения.

Принципиальная конструкция центробежного компрессора с множеством ступеней известна из документа DE 102009019061 А1. Каждая ступень компрессора содержит крыльчатку с множеством подвижных лопастей, установленную со стороны ротора в проточной части соответствующей ступени компрессора, причем проточная часть соответствующей ступени компрессора ограничена профилем ступицы и профилем корпуса или покрывного диска, а каждая подвижная лопасть имеет относительно потока входную и выходную кромки. Профиль ступицы соответствующей проточной части каждой ступени известного компрессора является непрерывно криволинейным и вогнутым, а профиль корпуса или профиль покрывного диска соответствующей проточной части каждой ступени компрессора является непрерывным и выпуклым.

Задачей изобретения является создание нового типа центробежного компрессора с повышенной эффективностью.

Данная задача решается в центробежном компрессоре в соответствии с п. 1 формулы изобретения. Центробежный компрессор в области по меньшей мере одной ступени компрессора имеет изменение кривизны профиля ступицы соответствующей проточной части сначала от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны, а затем - изменение кривизны от выпуклой до второй вогнутой и/или изменение кривизны профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части сначала от первой выпуклой кривизны до вогнутой кривизны, а затем - изменение кривизны от вогнутой до второй выпуклой.

Посредством создания выпуклой кривизны и вышеуказанных изменений кривизны профиля ступицы обеспечивается выравнивание нагрузок на подвижных лопастях. Посредством создания вогнутой кривизны и вышеуказанных изменений кривизны профиля корпуса или покрывного диска также обеспечивается выравнивание нагрузок на подвижных лопастях. Выравнивание нагрузок на подвижных лопастях снижает опасность отрыва потока и при сохранении рабочего диапазона обеспечивает повышение эффективности.

Предпочтительно для профиля ступицы соответствующей проточной части выполняются следующие условия:

0,05<R1-N/D2<0,60,

0,05<R3-N/D2<0,80,

0,10<R2-N/D2<5,00, где

R1-N - первая вогнутая кривизна соответствующей проточной части со стороны ступицы;

R3-N - второе значение кривизны соответствующей проточной части со стороны ступицы;

R2-N - выпуклая кривизна соответствующей проточной части со стороны ступицы;

D2 - внешний диаметр соответствующей крыльчатки.

Эти параметры конструкции профиля ступицы соответствующей проточной части являются предпочтительными для выравнивания нагрузок подвижных лопастей.

В соответствии с предпочтительным дополнительным вариантом осуществления изобретения для профиля корпуса или профиля покрывного диска соответствующей проточной части выполняются следующие условия:

0,03<R1-D/D2<0,11,

0,05<R3-D/D2<0,52,

0,05<R2-D/D2<0,84, где

R1-D - радиус первой выпуклой кривизны соответствующей проточной части со стороны корпуса или покрывного диска;

R3-D - второе значение выпуклой кривизны соответствующей проточной части со стороны корпуса или покрывного диска;

R2-D - радиус вогнутой кривизны соответствующей проточной части со стороны корпуса или покрывного диска;

D2 - внешний диаметр соответствующей крыльчатки.

Эти параметры конструкции профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части являются предпочтительными для выравнивания нагрузок подвижных лопастей.

В соответствии с еще одним предпочтительным дополнительным вариантом осуществления изобретения изменение кривизны профиля ступицы соответствующей проточной части от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины профиля ступицы в меридиональной проекции, при этом изменение кривизны профиля ступицы соответствующей проточной части от выпуклой кривизны до второй вогнутой кривизны лежит в диапазоне 15,0-75,0% от длины профиля ступицы в меридиональной проекции.

Изменение кривизны профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части от первой выпуклой кривизны до вогнутой кривизны лежит в диапазоне 0,0-25% от длины профиля корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции, при этом изменение кривизны профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части от вогнутой кривизны до второй выпуклой кривизны лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины профиля корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции.

Такие изменения кривизны профиля ступицы и профиля корпуса или покрывного диска являются предпочтительными для выравнивания нагрузок подвижных лопастей.

В соответствии с еще одним предпочтительным дополнительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три, а в частности, предпочтительно по меньшей мере четыре, а наиболее предпочтительно все из нижеследующих условий выполняются для области следующей ступени компрессора:

0,15<D1/D2<0,60,

0,20<D3/D2<0,94,

0,05<L1/D2<0,35,

0,01<L2/D2<0,15,

-20°<α<+90°, где

D1 - диаметр ступицы соответствующей крыльчатки;

D3 - диаметр всасывающего отверстия соответствующей крыльчатки;

D2 - вешний диаметр соответствующей крыльчатки;

L1 - осевая длина профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части;

L2 - осевая длина выходной кромки подвижных лопастей соответствующей крыльчатки;

α - угол наклона входной кромки подвижных лопастей соответствующей крыльчатки.

Эти параметры конструкции соответствующей ступени компрессора являются предпочтительными для выравнивания нагрузок подвижных лопастей.

Дополнительные особенности и преимущества изобретения будут понятны из дальнейшего подробного описания вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.

На фиг. 1 показана часть центробежного компрессора в соответствии с изобретением, вид в меридиональном сечении для пояснения параметров конструкции центробежного компрессора;

на фиг. 2 представлен вид, дополнительные поясняющий параметры конструкции центробежного компрессора.

Изобретение относится к центробежному компрессору с по меньшей мере одной ступенью. На фиг. 1 и 2 в меридиональном сечении показана часть центробежного компрессора в области ступени компрессора в соответствии с изобретением. Данная или каждая ступень центробежного компрессора в соответствии с изобретением содержит крыльчатку 10 с множеством подвижных лопастей 12 со стороны ротора, установленную в проточной части 11 соответствующей ступени компрессора. Проточная часть 11 соответствующей ступени компрессора ограничена профилем 13 ступицы со стороны ротора и профилем 14 корпуса со стороны статора или профилем 14 покрывного диска со стороны ротора. Каждая подвижная лопасть 12 имеет входную кромку 15 и выходную кромку 16 относительно потока.

На фиг. 1 и 2 показаны различные параметры конструкции ступени компрессора, а именно диаметр D1 ступицы соответствующей крыльчатки 10, диаметр D3 всасывающего отверстия соответствующей крыльчатки 10, вешний диаметр D2 соответствующей крыльчатки 10, осевая длина L1 профиля корпуса или профиля 14 покрывного диска соответствующей проточной части 11, осевая длина L2 выходной кромки 16 подвижных лопастей соответствующей крыльчатки 10 и угол α наклона входной кромки 15 подвижных лопастей 12 соответствующей крыльчатки 10 относительно радиального направления крыльчатки.

Кроме того, на фиг. 1 показаны такие параметры конструкции ступени 10 компрессора, как радиус R1-N первой вогнутой кривизны, радиус R2-N выпуклой кривизны и радиус R3-N второй вогнутой кривизны профиля 13 ступицы соответствующей проточной части 11.

На фиг. 2 дополнительно показаны радиус R1-D первой выпуклой кривизны, радиус R2-D вогнутой кривизны и радиус R3-D второй выпуклой кривизны профиля корпуса или профиля 14 покрывного диска соответствующей проточной части 11.

В терминах изобретения изменение кривизны сначала от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны, а затем изменение данной кривизны от выпуклой до второй вогнутой происходит в области по меньшей мере одной ступени компрессора на профиле 13 ступицы соответствующей проточной части 11 со стороны ротора, если смотреть в направлении сквозного движения потока в соответствующей проточной части 11. В альтернативном и в предпочтительном дополнительном вариантах изменение кривизны сначала от первой выпуклой до вогнутой, а затем изменение данной кривизны от вогнутой до второй выпуклой происходит на профиле корпуса или профиле 14 покрывного диска соответствующей проточной части 11, если смотреть в направлении сквозного движения потока в соответствующей проточной части 11. Посредством вышеуказанных изменений кривизны профиля 13 ступицы и/или профиля 14 корпуса или покрывного диска обеспечивается выравнивание нагрузок на подвижные лопасти соответствующей крыльчатки 10. Выравнивание нагрузок на подвижные лопасти соответствующей крыльчатки снижает опасность отрыва потока и при сохранении рабочего диапазона обеспечивает повышение эффективности.

Изменение кривизны профиля 13 ступицы соответствующей проточной части 11 от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины L-N профиля ступицы в меридиональной проекции, при этом изменение кривизны профиля 13 ступицы соответствующей проточной части 11 от выпуклой кривизны до второй вогнутой кривизны лежит в диапазоне 15,0-75,0% от длины L-N профиля ступицы в меридиональной проекции.

0% длины L-N профиля 13 ступицы в меридиональной проекции лежит выше по потоку от входной кромки 15 подвижных лопастей 12, а 100% длины L-N профиля 13 ступицы в меридиональной проекции лежит в области выходной кромки 16 подвижных лопастей 12 соответствующей крыльчатки.

Предпочтительно, изменение кривизны от первой вогнутой до выпуклой лежит в диапазоне 16,0-46,0% от длины профиля 13 ступицы в меридиональной проекции, а изменение кривизны от выпуклой до второй вогнутой лежит в диапазоне 30,0-65,0% от длины профиля ступицы в меридиональной проекции. Эти параметры конструкции являются предпочтительными, в частности, когда соответствующая проточная часть 11 ограничена профилем 13 ступицы со стороны ротора и профилем 14 покрывного диска со стороны ротора, т.е. в случае так называемых центробежных компрессоров закрытого типа.

Изменение кривизны профиля корпуса или профиля 14 покрывного диска соответствующей проточной части 11 от первой выпуклой кривизны до вогнутой кривизны лежит в диапазоне 0,0-25% от длины L-D профиля корпуса или профиля 14 покрывного диска в меридиональной проекции, при этом изменение кривизны профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части 11 от вогнутой до второй выпуклой лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины L-D профиля 14 корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции.

0% длины L-D профиля корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции лежит выше по потоку от входной кромки 15 подвижных лопастей 12, а 100% длины L-D профиля 14 корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции лежит в области выходной кромки 16 подвижных лопастей 12 соответствующей крыльчатки.

Предпочтительно, изменение кривизны от первой выпуклой до вогнутой лежит в диапазоне 5,0-9,0% от длины профиля 14 корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции, а изменение кривизны от вогнутой до второй выпуклой лежит в диапазоне 21,0-35,0% от длины профиля корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции. Эти параметры конструкции являются предпочтительными для так называемых центробежных компрессоров закрытого типа.

Для профиля 13 ступицы соответствующей проточной части 11 соответствующей крыльчатки 10 со стороны ротора выполняются следующие условия:

0,05<R1-N/D2<0,60,

0,05<R3-N/D2<0,80,

0,10<R2-N/D2<5,00.

Предпочтительно, для так называемых центробежных компрессоров закрытого типа для профиля 13 ступицы соответствующей проточной части 11 соответствующей крыльчатки 10 со стороны ротора выполняются следующие условия:

0,08<R1-N/D2<0,53,

0,15<R3-N/D2<0,39,

0,75<R2-N/D2<3,35.

Для профиля 14 корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части 11 соответствующей крыльчатки 10 со стороны статора выполняются следующие условия:

0,03<R1-D/D2<0,11,

0,05<R3-D/D2<0,52,

0,05<R2-D/D2<0,84.

Предпочтительно, для так называемых центробежных компрессоров закрытого типа для профиля 14 корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части 11 соответствующей крыльчатки 10 со стороны статора выполняются следующие условия:

0,06<R1-D/D2<0,09,

0,15<R3-D/D2<0,25,

0,34<R2-D/D2<0,56.

В области соответствующей ступени 10 компрессора выполняются по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три, и, в частности, предпочтительно по меньшей мере четыре, а наиболее предпочтительно все из нижеследующих условий:

0,15<D1/D2<0,60,

0,20<D3/D2<0,94,

0,05<L1/D2<0,35,

0,01<L2/D2<0,15,

-20°<α<+90°.

Предпочтительно, для так называемых центробежных компрессоров закрытого типа в области соответствующей ступени 10 компрессора выполняются по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три, а в частности, предпочтительно по меньшей мере четыре, а наиболее предпочтительно все из нижеследующих условий:

0,23<D1/D2<0,50,

0,47<D3/D2<0,94,

0,11<L1/D2<0,23,

0,04<L2/D2<0,09,

0°<α<+70°.

Внешний диаметр D2 крыльчатки 10 соответствующей ступени компрессора составляет 30-2500 мм.

Посредством создания выпуклой кривизны и вышеуказанных изменений кривизны профиля 13 ступицы и/или создания вогнутой кривизны и вышеуказанных изменений кривизны профиля корпуса или покрывного диска также обеспечивается выравнивание нагрузок на подвижных лопастях. Выравнивание нагрузок на подвижных лопастях снижает опасность отрыва потока и при сохранении рабочего диапазона обеспечивает повышение эффективности.

На профиле 13 ступицы выпуклая кривизна, с целью уменьшения поперечного сечения проточной части 11, изогнута внутрь проточной части 13. На профиле корпуса или покрывного диска вогнутая кривизна, с целью увеличения поперечного сечения проточной части 11, изогнута наружу от проточной части 13.

Ссылочные обозначения

10 - крыльчатка

11 - проточная часть

12 - подвижная лопасть

13 - профиль ступицы

14 - профиль корпуса или покрывного диска

15 - кромка входа потока

16 - кромка выхода потока

Центробежный компрессор с по меньшей мере одной ступенью, в котором указанная или каждая ступень компрессора содержит крыльчатку с множеством подвижных лопастей, которая установлена в проточной части соответствующей ступени компрессора, причем проточная часть соответствующей ступени компрессора ограничена профилем ступицы и профилем корпуса или покрывного диска. В области по меньшей мере одной ступени компрессора профиль ступицы соответствующей проточной части сначала изменяется по кривизне от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны, а затем - от выпуклой кривизны до второй вогнутой кривизны; и/или профиль корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части сначала изменяется по кривизне от первой выпуклой кривизны до вогнутой кривизны, а затем - от вогнутой кривизны до второй выпуклой кривизны. Изобретение направлено на повышение эффективности компрессора. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Центробежный компрессор по меньшей мере с одной ступенью, в котором указанная или каждая ступень компрессора содержит крыльчатку (10) с множеством подвижных лопастей (12) со стороны ротора, которая установлена в проточной части (11) соответствующей ступени компрессора, причем проточная часть (11) соответствующей ступени компрессора ограничена профилем (13) ступицы и профилем (14) корпуса или покрывного диска, а каждая подвижная лопасть (12) имеет входную кромку (15) и выходную кромку (16), отличающийся тем, что в области по меньшей мере одной ступени компрессора профиль (13) ступицы соответствующей проточной части (11) сначала изменяется по кривизне от первой вогнутой кривизны до выпуклой кривизны, а затем - от выпуклой кривизны до второй вогнутой кривизны; и/или кривизна профиля (14) корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) сначала изменяется от первой выпуклой до вогнутой, а затем - от вогнутой до второй выпуклой.

2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что для радиуса R1-N первой вогнутой кривизны и радиуса R3-N второй вогнутой кривизны профиля (13) ступицы соответствующей проточной части (11) при внешнем диаметре D2 крыльчатки (10) в каждом случае выполняются следующие условия:
0,05<R1-N/D2<0,60,
0,05<R3-N/D2<0,80.

3. Компрессор по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что для радиуса R2-N выпуклой кривизны профиля (13) ступицы соответствующей проточной части (11) при внешнем диаметре D2 крыльчатки (10) выполняется следующее условие:
0,10<R2-N/D2<5,00.

4. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что изменение кривизны профиля (13) ступицы соответствующей проточной части (11) от первой вогнутой до выпуклой лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины профиля (13) ступицы в меридиональной проекции, а изменение кривизны профиля (13) ступицы соответствующей проточной части (11) от выпуклой до второй вогнутой лежит в диапазоне 15,0-75,0% от длины профиля (13) ступицы в меридиональной проекции.

5. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что для радиуса R1-D первой выпуклой кривизны и радиуса R3-D второй выпуклой кривизны профиля (14) корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) при внешнем диаметре D2 крыльчатки (10) в каждом случае выполняются следующие условия:
0,03<R1-D/D2<0,11,
0,05<R3-D/D2<0,52.

6. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что для радиуса R2-D вогнутой кривизны профиля (14) корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) при внешнем диаметре D2 крыльчатки (10) выполняется следующее условие:
0,05<R2-D/D2<0,84.

7. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что изменение кривизны профиля (14) корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) от первой выпуклой кривизны до вогнутой кривизны лежит в диапазоне 0,0-25,0% от длины профиля (14) корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции, при этом изменение кривизны профиля корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) от вогнутой до второй выпуклой лежит в диапазоне 10,0-60,0% от длины профиля корпуса или покрывного диска в меридиональной проекции.

8. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что в области соответствующей ступени компрессора выполняются по меньшей мере два, а предпочтительно по меньшей мере три, а, в частности предпочтительно по меньшей мере четыре, а наиболее предпочтительно все из нижеследующих условий:
0,15<D1/D2<0,60,
0,20<D3/D2<0,94,
0,05<L1/D2<0,35,
0,01<L2/D2<0,15,
-20°<α<+90°,
где D1 - диаметр ступицы соответствующей крыльчатки (10),
D3 - диаметр всасывающего отверстия соответствующей крыльчатки (10),
D2 - внешний диаметр соответствующей крыльчатки (10),
L1 - осевая длина профиля (14) корпуса или покрывного диска соответствующей проточной части (11) со стороны статора,
L2 - осевая длина кромки (16) выхода потока подвижных лопастей (12) соответствующей крыльчатки (10) и
α - угол наклона кромки (15) входа потока подвижных лопастей (12) соответствующей крыльчатки (10).

9. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что внешний диаметр D2 крыльчатки (10) соответствующей ступени компрессора составляет 30-2500 мм.