РАДИАЛЬНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2018 года по МПК F04D29/46 F01D5/14 F01D17/16 

Изобретение относится к радиальному компрессору с направляющим аппаратом.

Компрессоры или сжимающие текучею среду устройства используются в различных областях промышленности для различных применений, где речь идет о компрессии или сжатии (технологических) текучих сред, особенно (технологических) газов. Известными примерами этого являются турбокомпрессоры в мобильных устройствах, таких как работающие на ОГ турбонагнетатели или реактивные двигатели, или же в стационарных устройствах, такие как редукторные компрессоры и редукторные турбокомпрессоры для разложения воздуха.

В таком турбокомпрессоре непрерывного действия повышение давления (сжатие) текучей среды происходит за счет того, что вращательный импульс текучей среды от входа к выходу повышается вращающимся, содержащим радиально проходящие лопатки рабочим колесом турбокомпрессора за счет вращения лопаток. Здесь, т.е. на такой ступени компрессора, давление и температура текучей среды возрастают, тогда как относительная скорость (потока) текучей среды в рабочем колесе падает. Чтобы достичь максимального повышения давления или сжатия текучей среды, друг за другом могут быть включены несколько таких ступеней компрессора.

По конструктивным формам турбокомпрессоров различают радиальные и осевые компрессоры.

В осевом компрессоре сжимаемая текучая среда, например, технологический газ, течет через компрессор в параллельном оси направлении (осевое направление). В радиальном компрессоре газ течет аксиально в рабочее колесо ступени компрессора, а затем отклоняется наружу (радиально, радиальное направление). В многоступенчатых радиальных компрессорах за каждой ступенью требуется, тем самым, отклонение потока.

Такой радиальный компрессор известен из http://de.wikipedia.org/wiki/Verdichter (доступно с 06.10.2014).

Комбинированные осевые и радиальные компрессоры всасывают своими осевыми ступенями большие объемные потоки, которые на последующих радиальных ступенях сжимаются до высоких давлений.

В то время как в большинстве случаев используются одновальные машины, в редукторных компрессорах отдельные ступени сгруппированы вокруг большого зубчатого колеса, причем несколько параллельных валов, несущих каждый одно или несколько, размещенных в спиральных корпусах рабочих колес, приводятся большим приводным зубчатым колесом, большим зубчатым колесом.

Такой редукторный компрессор, редукторный турбокомпрессор фирмы Сименс с обозначением STC-GC, используемый для разложения воздуха, известен из http://www.energy.siemens.com/hq/de/verdichtung-expansion-ventilation/turboverdichter/getriebeturboverdichter/stc-gc.htm (доступен 06.10.2014).

Другой, в этом случае одновальный редукторный радиальный компрессор с выступающим открытым рабочим колесом, редукторный турбокомпрессор фирмы Сименс с обозначением STC-GО, используемый для покрытия потребности металлургической, топливной и химической промышленности, известен из http://www.energy.siemens.com/hq/de/verdichtung-expansion-ventilation/turboverdichter/einstufige-verdichter/stc-go.htm (доступе с 06.10.2014).

Из публикации EP 2 241 722 A1 известен осевой компрессор, у которого первая ступень направляющей лопатки имеет точку перегиба в линии профиля. Из публикации WO 2005/059313 A2 известен турбонагнетатель, который имеет регулируемый направляющий аппарат.

С возрастанием гибкости ведения процессов возрастают также требования к гибкости регулирования и управления и/или к производительности, а у турбомашин особенно.

Известно, что для повышения к.п.д. и/или увеличения диапазона регулирования в турбомашинах оказывают влияние на их характеристические поля или вообще для регулирования турбомашин снабжают их направляющими аппаратами, как правило, регулируемыми, расположенными (аксиально перед рабочим колесом) входными направляющими аппаратами и/или расположенными (аксиально за рабочим колесом) выходными направляющими аппаратами.

Такой входной и выходной направляющий аппарат известен, например, из DE 102012216656 А1. Также редукторный турбокомпрессор STC-GC содержит входной направляющий аппарат (перед своей первой ступенью).

Из ЕР 2241722 А1 известен осевой компрессор с направляющей лопаткой направляющего аппарата, причем направляющая лопатка имеет точку перегиба на средней линии профиля или скелетной линии. В WO 2005/059313 A2, WO 2009/086959 A1 и ЕР 1790830 А1 описан соответственно турбонагнетатель с соответствующими направляющими лопатками на турбине.

Например, в случае регулируемого входного направляющего аппарата поступающая аксиально (по отношению к оси рабочего колеса) в турбомашину (технологическая) текучая среда или её поток согласовывается или регулируется по скорости и направлению потока перед попаданием на рабочее колесо или на первую ступень рабочего колеса в зависимости от требования к мощности турбомашины посредством (угловой) регулировки перьев лопаток или лопаток лопаточного венца входного направляющего аппарата.

Однако, в частности в случае больших угловых регулировок перьев лопаток или лопаток, поток текучей среды больше не следует контуру профиля лопаток или перьев лопаток, что связано с потерями потока, потерями к.п.д. и ведет к ограничениям требований к турбомашинам (в части мощности и гибкости).

То же относится к выходным направляющим аппаратам в турбомашинах или при угловых регулировках.

В основе изобретения лежит задача устранения недостатков уровня техники, а также простым и недорогим образом реализации турбомашин, которые должны эксплуатироваться гибко с высоким к.п.д.

Эта задача решается посредством направляющего аппарата турбомашины, в частности компрессора, а также посредством турбомашины с таким направляющим аппаратом с признаками соответствующего независимого пункта формулы изобретения.

Направляющий аппарат содержит, по меньшей мере, одну лопатку с обтекаемым текучей средой пером. При этом прогиб средней линии профиля (которая называется также скелетной линией) пера лопатки имеет, по меньшей мере, одну точку перегиба.

При этом под профилем – по определению аэрогидродинамики (см. http://de.wikipedia.org/wiki/Profil (Strömungslehre), доступно с 06.10.2014) – можно понимать форму сечения тела, здесь пера лопатки, в направлении потока. Под средней линией профиля или скелетной линией (также линией прогиба) можно понимать линию, соединяющую центры окружностей, вписанных в профиль, здесь профиль пера лопатки.

За счет модификации средней линии профиля, т.е. за счет имеющего, по меньшей мере, одну точку перегиба (или, при необходимости, также несколько точек перегиба) прогиба средней линии пера брюшка лопатки, проще говоря, за счет имеющей, по меньшей мере, одну точку перегиба (или, при необходимости, также несколько точек перегиба) кривой средней линии профиля пера лопатки можно изменить поверхность профиля пера лопатки так, что уменьшаются потери потока в широком диапазоне регулировки (регулируемой) лопатки в случае регулируемого направляющего аппарата без заметного изменения в положении 0° пера лопатки/лопатки.

Таким образом, мощность или мощностные характеристики турбомашины могут быть улучшены в определенных эксплуатационных точках, например, в точке основной гарантии.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены также в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно одному предпочтительному варианту, предусмотрено, что прогиб средней линии профиля/скелетной линии пера лопатки имеет точно одну точку перегиба. Проще говоря, перо лопатки образует здесь профиль, аналогичный профилю с S-изгибом (для несущих поверхностей, например, у летающих крыльев, винглетов). Название «S-изгиб», происходит от того, что средняя линия профиля/скелетная линия в задней части профиля «s-образно» направлена вверх, благодаря чему у пера лопатки поток с завихрением (которое зависит от выраженности «s-образного контура» или «s-образно» направленной вверх задней кромки профиля) стекает с пера лопатки.

В качестве альтернативы в одном варианте может быть предусмотрено, что прогиб средней линии профиля/скелетной линии пера лопатки имеет две точки перегиба («двойной S-изгиб»), три точки перегиба («тройной S-изгиб») или еще больше точек перегиба.

Согласно другому предпочтительному варианту, предусмотрено, что число точек перегиба и/или положение, по меньшей мере, одной точки перегиба или – в случае нескольких точек перегиба – положения точек перегиба и/или также степень и/или контур прогиба, проще говоря, выраженность прогиба, зависят от аэродинамической задачи, в частности от предусматриваемых условий натекания на перо лопатки и/или на рабочее колесо. Такие другие параметры или другая геометрия профиля, такие как толщина профиля, длина хорды профиля и/или размах пера лопатки, могут быть выполнены в соответствии с этим или в зависимости от аэродинамической задачи.

При этом под положением (точки перегиба) можно понимать, как обозначено ниже, заднее положение точки перегиба, которое является расстоянием точек перегиба/по меньшей мере, одной точки перегиба или определенной точки перегиба – с проекцией на длину хорды профиля пера лопатки – от передней кромки пера лопатки. Относительным задним положением точки перегиба является заднее положение точки перегиба по отношению к длине хорды профиля или к глубине профиля.

Так, например, проще говоря, для эксплуатационной или расчетной точки машины с текучей средой, для которой предусмотрен направляющий аппарат, например в виде входного направляющего аппарата, угол регулировки которого установлен, и тогда для условий потока (натекание на перо лопатки под углом регулировки) можно оптимизировать профиль пера лопатки или выраженность прогиба пера лопатки, а также число точек перегиба, степень прогиба и/или контур прогиба таким образом, что поток стекает с пера лопатки – при занятом угле регулировки – с определенным предусмотренным завихрением (к рабочему колесу), причем, однако, обтекание пера лопатки (при занятом угле регулировки) происходит без срыва потока.

Согласно другому предпочтительному варианту, предусмотрено, что перо лопатки выполнено таким образом, что длина хорды его профиля изменяется по его длине (протяженность пера лопатки от ножки пера лопатки до свободного конца пера лопатки). Проще говоря, перо лопатки изменяет длину хорды своего профиля между своими ножкой и свободным концом. Например, такое перо лопатки может быть выполнено по своим внешним габаритам приблизительно трапециевидным.

Также в качестве варианта может быть предусмотрено, что перо лопатки выполнено таким образом, что с изменяющейся по его длине длиной хорды профиля изменяется и толщина профиля (соответственно также максимальная толщина профиля).

В частности, здесь может быть предусмотрено, что толщина профиля изменяется в соответствии с изменением длины хорды профиля.

Проще говоря, перо лопатки масштабируется здесь (по длине) в соответствии с длиной хорды его профиля (по длине). Относительная максимальная толщина профиля (здесь максимальная толщина профиля по отношению к его длине хорды), а также максимальная выпуклость профиля и относительная максимальная выпуклость профиля (здесь максимальная выпуклость профиля по отношению к его длине хорды) могут оставаться в этом случае неизменными (по длине).

В другом варианте может быть также предусмотрено, что несколько или большое число лопаток расположены в виде венца. Проще говоря, лопатки образуют здесь направляющий венец.

Далее в другом предпочтительном варианте также может быть предусмотрено регулировочное устройство для регулировки лопатки или в случае нескольких лопаток, расположенных, в частности, в виде направляющего венца, – такое регулировочное устройство для их регулировки. Для этого может быть предусмотрен (регулировочный) механизм, который по предписанной кинематике может регулировать одну лопатку или все лопатки направляющего венца. Для самой регулировки может использоваться также моторный блок, такой как электродвигатель.

Далее в одном варианте может быть предусмотрено, что направляющим аппаратом является входной направляющий аппарат (также размещаемый или размещенный на входе машины с текучей средой) или выходной направляющий аппарат (также размещаемый или размещенный на выходе машины с текучей средой). Он может быть тогда расположен, в частности, соответственно на входе или выходе машины с текучей средой так, что затекание в машину или вытекание из нее происходит аксиально (через входной/выходной направляющий аппарат).

Проще говоря, направляющий аппарат расположен в осевом продолжении вала рабочего колеса машины с текучей средой, или в осевом продолжении вала рабочего колеса расположена средняя ось направляющего венца.

Особенно предпочтительно направляющий аппарат может использоваться в турбомашине, в частности в компрессоре, таком как одно- или многоступенчатый радиальный компрессор, или в многоступенчатом редукторном компрессоре или в турбине. Иначе говоря, турбомашина, в частности компрессор или турбина, содержит направляющий аппарат (например, также в его вариантах).

Приведенное выше описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения содержит многочисленные признаки, которые отражены в отдельных зависимых пунктах формулы изобретения, частично в нескольких комбинациях. Эти признаки специалист может, однако, рассматривать целесообразно также по отдельности и объединять в целесообразные другие комбинации.

Описанные выше свойства, признаки и преимущества изобретения, а также то как они достигаются, становятся более ясными и заметно более понятными в связи с нижеследующим описанием одного или нескольких примеров осуществления изобретения, который/которые более подробно поясняется/поясняются в связи с чертежами.

Однако изобретение не ограничено приведенной в примере или примерах комбинацией признаков, также не в отношении функциональных признаков. Так, для этого подходящие признаки каждого примера могут рассматриваться также изолированно, исключены из примера или включены в другой пример для его дополнения.

Функционально/конструктивно одинаковые или идентичные элементы или компоненты обозначены в примерах и на чертежах одинаковыми ссылочными позициями.

На чертежах изображают:

- фиг. 1: схему входного направляющего аппарата турбомашины;

- фиг. 2: схему регулируемой лопатки входного направляющего аппарата;

- фиг. 3: схему профиля регулируемой лопатки входного направляющего аппарата (разрез III-III).

Пример: профилирование направляющих лопаток направляющих аппаратов турбомашин, в частности входных направляющих аппаратов компрессоров

На фиг. 1 изображен фрагмент многовального редукторного компрессора 10, например, для разложения воздуха, с расположенной в спиральном корпусе 14 (первой) ступенью 15.

Аксиально перед этой (первой) ступенью 15 компрессора или ее рабочим колесом 27 на осевом входе 16 этого спирального корпуса 14 расположен входной направляющий аппарат 1 (ELA или I(nlet)G(uide)V(ane)).

Входной направляющий аппарат 1 имеет большое число расположенных в виде венца, регулируемых, имеющих профилированные перья 3 направляющих лопаток 4 (направляющий венец 13, входное рабочее колесо 13) (фиг. 2, 3).

Регулирование редукторного компрессора 10 осуществляется, в том числе, посредством регулируемого входного направляющего аппарата 1, т.е. за счет регулировки лопаток 4 или их перьев 3 (посредством регулировочного механизма 12), в результате чего в зависимости от угла регулировки лопаток 4 или перьев 3 лопаток входного рабочего колеса 13) изменяются натекание рабочего газа 2 на перья 3 лопаток, их обтекание и стекание с них и вследствие этого приток рабочего газа 2 к (первой) ступени 15 компрессора или ее рабочему колесу 27 или натекание на (первую) ступень 15 компрессора или ее рабочее колесо 27.

Чтобы даже при больших углах регулировки, например, более 15°, или в широком диапазоне регулировки лопаток 4 или их перьев 3 избежать потерь потока (из-за не следующего больше контуру 17 профиля перьев 3 лопаток потока текучей среды/потока рабочего газа или из-за срыва потока текучей среды/потока рабочего газа с перьев 3 лопаток), перья 3 лопаток имеют, как показано, в частности, на фиг. 3, особое профилирование 23, т.е. профиль 23 с S-изгибом (с одинарным «S-изгибом»).

На фиг. 2, представляя все (соответственно выполненные) лопатки 4 входного направляющего колеса 13 входного направляющего аппарата 1 изображена регулируемая лопатка 4 входного направляющего колеса 13 входного направляющего аппарата 1 редукторного компрессора 10.

Как видно на фиг. 2, регулируемая лопатка 4 имеет профилированное перо 3, которое регулируется (по углу) посредством регулировочного механизма 12 – здесь лишь обозначено присоединительным валом 18 или цапфой 24 и тарелкой 25.

Как видно далее на фиг. 2, перо 3 выполнено по своим наружным размерам, в основном, трепециевидным, т.е. длина хорды 8 профиля непрерывно уменьшается по длине 9 пера 3 (протяженность пер 3 от его ножки 19 до его свободного конца 20).

Проще говоря, перо 3 изменяет, здесь уменьшает, длину хорды 8 своего профиля между своей ножкой 19 и своим свободным концом 20 или по своей длине 9.

В соответствии с этой уменьшающейся (от ножки 19 пера к его свободному концу 20 или по длине 9) длиной хорды 8 профиля всё перо 3 масштабируется со своим профилем 23 (с S-изгибом) или по своему профилю 23 (с S-изгибом).

Это значит, что толщина 11 профиля (соответственно также максимальная толщина профиля) (также) уменьшается по длине 9 пера 3 в соответствии с уменьшением длины хорды 8 профиля. Относительная максимальная толщина профиля (здесь максимальная толщина профиля по отношению к длине хорды 8 профиля), а также максимальная выпуклость профиля и относительная максимальная выпуклость профиля (здесь максимальная выпуклость профиля по отношению к длине хорды 8 профиля) остаются неизменными по длине 9 пера 3.

На фиг. 3 изображен разрез III-III из фиг. 2 профиля (линий потока) через перо 3 лопатки 4 направляющего колеса 13 входного направляющего аппарата 1, проще говоря, профиль 23 пера 3.

Как видно на фиг. 3, перо 3 или его профиль 23 образует профиль 23 с S-изгибом (с одинарным «S-изгибом») – с (одинарно) «s-образно» искривленной средней линией 6 профиля или скелетной линией 6.

Это значит, что («s-образный») прогиб 5 средней линии профиля/скелетной линии 6 пера 3 имеет в этом случае ровно одну точку 7 перегиба, причем средняя линия профиля/скелетная линия 6 в передней части профиля 23, т.е. в зоне передней кромки 21 пера 3, направлена «s-образно» вниз, а в задней части профиля 23, т.е. в зоне задней кромки 22 пера 3, – «s-образно» вверх.

При этом обтекание профиля 23 зависит также от (или находится, в частности, также под влиянием) выраженности «s-образного контура» или «S-изгиба» профиля 23, т.е., в том числе, от контура и от степени прогиба 5, а также от положения точки 7 перегиба (здесь одной точки 7 перегиба в случае нескольких точек перегиба) (обратное положение 28 точки перегиба (расстояние точки 7 перегиба с проекцией на хорду 26 профиля пера 3 (хордой 26 профиля является линия соединения между передней 21 и задней 22 кромками профиля 23) от передней кромки 21 пера 3).

При этом выраженность профиля 23 пера 3 с «S-изгибом» (которая влияет на условия потока у пера 3) зависит от аэродинамической задачи входного направляющего аппарата 1 (оптимизация на аэродинамическую задачу (или на рабочую точку)), в частности предусматриваемых условий натекания на перо 3 и рабочее колесо 27 (первой) ступени 15 компрессора (у рабочей точки).

Если, как в данном примере, для рабочей или расчетной точки компрессора 10 предусмотрен (расчетный) угол регулировки лопаток 4 входного направляющего аппарата 1 около 15°, то тогда профиль 23 с «S-изгибом» или его выраженность для условий потока (натекание на перо 3 под этим (расчетным) углом регулировки) оптимизирован таким образом, что при этом установленном (расчетном) угле регулировки поток стекает с пера 3 с определенным предусмотренным завихрением (к рабочему колесу 27), причем, однако, обтекание пера 3 (при этом установленном (расчетном) угле регулировки) происходит без срыва потока или при меньших потерях потока.

Как видно на фиг. 3, здесь при названных аспектах профиль 23 имеет только один слабый «S-изгиб» (т.е. только одну точку 7 перегиба при слабом прогибе 5 («вверх и вниз»)) при малой толщине 11. Обратное положение 28 точки 7 перегиба «S-изгиба» или у профиля 23 пера 3 лежит слегка сзади середины хорды 26 профиля, т.е. в направлении задней кромки 22 профиля.

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано примером/предпочтительными примерами его осуществления, оно не ограничено ими, и специалист может вывести из них другие варианты, не выходя за рамки объема охраны изобретения.

Радиальный компрессор (10) с направляющим аппаратом (1), выполненным в виде входного направляющего аппарата (1), в частности, для компрессора (10), с по меньшей мере одной лопаткой (4), имеющей обтекаемое текучей средой (2) перо (3) лопатки, с регулировочным устройством (12) для регулировки лопатки (4), отличающийся тем, что прогиб (5) средней линии (6) профиля пера (3) лопатки имеет точку (7) перегиба, причем перо (3) лопатки выполнено таким образом, что длина хорды (8) профиля пера лопатки изменяется по его длине (9), причем перо (3) лопатки выполнено таким образом, что изменяется также толщина (11) профиля с изменяющейся длиной хорды (8) профиля пера (3) лопатки по длине (9) пера (3) лопатки, что соответственно изменению длины хорды профиля также изменяется толщина (11) профиля. Достигается уменьшение гидравлических потерь в расширенном диапазоне регулирования направляющего аппарата, удерживая низкими гидравлические потери в установленном на нулевой градус пере лопатки направляющего аппарата. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиальный компрессор (10) с направляющим аппаратом (1), выполненным в виде входного направляющего аппарата (1), в частности, для компрессора (10), с по меньшей мере одной лопаткой (4), имеющей обтекаемое текучей средой (2) перо (3) лопатки, с регулировочным устройством (12) для регулировки лопатки (4), отличающийся тем, что прогиб (5) средней линии (6) профиля пера (3) лопатки имеет точку (7) перегиба, причем перо (3) лопатки выполнено таким образом, что длина хорды (8) профиля пера лопатки изменяется по его длине (9), причем перо (3) лопатки выполнено таким образом, что изменяется также толщина (11) профиля с изменяющейся длиной хорды (8) профиля пера (3) лопатки по длине (9) пера (3) лопатки, что соответственно изменению длины хорды профиля также изменяется толщина (11) профиля.

2. Радиальный компрессор (1) по п. 1, отличающийся тем, что прогиб (5) средней линии (6) профиля пера (3) лопатки имеет точку (7) перегиба, профиль с S-изгибом.

3. Радиальный компрессор (10) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что положение точки (7) перегиба и/или степень и/или контур прогиба (5) зависит/зависят от аэродинамической задачи, в частности от предусматриваемых условий натекания на перо (3) лопатки.

4. Радиальный компрессор (10) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что имеется множество лопаток (4), расположенных в виде венца.