ЛОПАСТНОЕ КОЛЕСО С ЗАЩИТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2019 года по МПК F04D29/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты осуществления изобретения, раскрытого в настоящем документе, относятся к лопастным колесам с защитными элементами и способам защиты лопастных колес, а также к центробежным компрессорам и установкам.

Эти элементы и системы были разработаны и особенно полезны в области перекачки нефти и газа, поскольку они обеспечивают защиту, например, от эрозии под действием капель жидкости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Как известно, лопастные колеса подвержены эрозии, и в некоторых случаях или в некоторых условиях эксплуатации эрозия происходит, например, из-за твердых частиц (например, частиц песка), поступающих на вход лопастного колеса и ударяющихся о поверхности лопастного колеса; а в других случаях или других условиях эксплуатации эрозия возникает, например, из-за капель жидкости, поступающих на вход лопастного колеса и ударяющихся о поверхности лопастного колеса; естественно, существуют и другие виды эрозии.

Первым способом уменьшения эрозии является использование фильтров и/или сепараторов перед входом лопастного колеса.

Вторым способом уменьшения эрозии является выбор материала лопастного колеса таким образом, чтобы его поверхности могли выдерживать воздействие твердых частиц и/или капель жидкости.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фильтры и сепараторы являются дорогостоящими и громоздкими и требуют технического обслуживания.

Материалы, которые являются хорошими с точки зрения борьбы с эрозией, не очень хороши с точки зрения механических свойств; поэтому материал лопастного колеса выбирают как компромисс между эрозионной устойчивостью его поверхностей и механической прочностью его тела.

Следует учитывать, что в некоторых приложениях лопастное колесо работает в обычном режиме без каких-либо частиц и без каких-либо капель на входе, и только иногда оно работает с частицами и/или каплями на его входе.

Таким образом, существует общая потребность в решениях проблемы эрозии, в частности эрозии под действием капель жидкости в центробежных компрессорах.

Данная проблема эффективно решается путем использования защитных элементов, соединенных с лопатками лопастного колеса в его передней части. Это позволяет использовать различные материалы для изготовления основного тела лопастного колеса и тела или тел защитных элементов.

Первым аспектом настоящего изобретения является лопастное колесо.

Варианты осуществления лопастного колеса включают в себя основное тело с основанием, экраном и множеством лопаток, соединяющих основание и экран, при этом с лопатками соединены защитные элементы, которые образуют по меньшей мере переднюю часть лопаток.

Вторым аспектом настоящего изобретения является центробежный компрессор.

Варианты осуществления центробежного компрессора включают в себя лопастное колесо, выполненное так, как указано выше.

Третьим аспектом настоящего изобретения является компрессорная установка.

Варианты осуществления этой установки, предназначенной для сжатия входной текучей среды, содержат центробежный компрессор, выполненный так, как указано выше, для сжатия входной текучей среды.

Четвертым аспектом настоящего изобретения является способ защиты.

Варианты осуществления этого способа защиты передней стороны лопастного колеса центробежного компрессора от воздействия капель жидкости, содержащихся во входном потоке текучей среды, включают в себя постоянное расположение защитных элементов на передней стороне лопастного колеса, при этом защитные элементы выполнены из сплава на кобальтовой основе, сплава на никелевой основе, сплава на титановой основе, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящий документ и составляют его часть, иллюстрируют примеры осуществления настоящего изобретения и вместе с подробным описанием поясняют эти варианты осуществления. На чертежах:

Фиг. 1 представляет вид в перспективе центробежного лопастного колеса в соответствии с предшествующим уровнем техники,

Фиг. 2 представляет вид в перспективе детали лопастного колеса, показанного на фиг. 1, в частности, показана только одна лопатка, а также прилегающая часть основания и прилегающая часть экрана, так, как будто остальная часть лопастного колеса срезана,

Фиг. 3 представляет вид в перспективе центробежного лопастного колеса в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения,

Фиг. 4 представляет первый фрагмент лопастного колеса, показанного на фиг. 3,

Фиг. 5 представляет второй фрагмент лопастного колеса, показанного на фиг. 3,

Фиг. 6 представляет компонент, а именно - защитный элемент, лопастного колеса, показанного на фиг. 3,

Фиг. 7 представляет в увеличенном виде третий фрагмент лопастного колеса, показанного на фиг. 3,

Фиг. 8 представляет в увеличенном виде четвертый фрагмент лопастного колеса, показанного на фиг. 3, и

Фиг. 9 представляет три разных вида (фиг. 9А - вид спереди, фиг. 9В - вид сбоку, фиг. 9С - вид спереди в перспективе) единого кольцеобразного защитного тела в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее описание примеров осуществления относится к прилагаемым чертежам.

Последующее описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка по всему описанию на «один вариант осуществления» или «вариант осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены по меньшей мере в один вариант осуществления раскрытого настоящего изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте осуществления» или «в варианте осуществления» в различных местах по всему описанию не обязательно относится к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах осуществления.

Лопастное колесо, показанное на фиг. 1 (см. также фиг. 2), является центробежным лопастным рабочим колесом закрытого типа и содержит основное тело с основанием 1, экраном 2 и множеством лопаток 3, эти лопатки 3 соединяют основание 1 и экран 2. В соответствии с этим решением, имеется ступица 4, отдельная от основания 1 и соединенная с основанием 1, очень часто они образуют единую деталь, которая обычно называется просто «ступица». Основание 1, экран 2 и множество лопаток 3 задают множество каналов для потока текучей среды во время работы лопастного колеса. Текучая среда поступает в канал по существу в осевом направлении, как показано стрелкой 5 на фиг. 2, течет по каналу и выходит из канала по существу в радиальном направлении, как показано стрелкой 6 на фиг. 2. Поэтому, с учетом такого прохождения текучей среды, определяют переднюю часть лопастного колеса, включающую в себя переднюю часть 7 основания, переднюю часть 8 экрана и переднюю часть каждой лопатки, которая начинается от передней кромки 9 лопатки и заканчивается на некотором расстоянии от передней кромки 9 (см. пунктирную линию на фиг. 2), передняя часть лопастного колеса является первой частью, которая вступает в контакт с текучей средой, подаваемой на вход лопастного колеса.

Вариант осуществления улучшенного лопастного колеса будет описан ниже со ссылкой на фиг. 3-8. Следует заметить, что форма, размер и поверхности лопастного колеса на фиг. 3 соответствуют форме, размеру и поверхностям лопастного колеса, показанного на фиг. 1; в частности, его основание образует единое целое со ступицей, разница заключается в его механической конструкции и его материалах.

Это улучшенное лопастное колесо содержит защитные элементы 10, которые соединены с лопатками 3 и образуют по меньшей мере переднюю часть лопаток 3. Фиг. 3 показывает в целом множество защитных элементов 10, соединенных с соответствующим множеством лопаток; фиг. 4 показывает более детально первый конец (т.е. «экранный конец») некоторых защитных элементов 10; фиг. 5 показывает более детально второй конец (т.е. «конец основания») некоторых защитных элементов 10.

Фиг. 6 показывает один из защитных элементов 10 лопастного колеса на фиг. 3, отделенный от основного тела лопастного колеса; он представляет собой отдельное тело, т.е. он не является слоем или просто покрытием и, следовательно, он является самонесущим; и он является, в частности, единым телом. Он содержит участок 12 основания (см. также фиг. 7), экранный участок 11 (см. также фиг. 8) и лопаточный участок 13.

Защитные элементы 10 формируют также, по меньшей мере частично, переднюю часть основания 1; в этом состоит назначение участков 12 основания защитных элементов 10 (см., например, фиг. 8). Фиг. 8 показывает, что, в соответствии с этим вариантом осуществления, экранные участки 12 следующих друг за другом элементов 12 находятся на расстоянии друг от друга.

Защитные элементы 10 формируют также, по меньшей мере частично, переднюю часть экрана 2; в этом состоит назначение экранных участков 11 защитных элементов 10 (см., например, фиг. 7). Фиг. 7 показывает, что, в соответствии с этим вариантом осуществления, экранные участки 11 следующих друг за другом защитных элементов 10 полностью примыкают друг к другу, таким образом, что, внутренне, передняя часть экрана 2 целиком образована элементами 10.

В варианте осуществления на фиг. 6 защитные элементы образуют частично как основание, так и экран.

В варианте осуществления на фиг. 3 основное тело лопастного колеса выполнено из металла; оно может быть изготовлено из углеродистой стали, низколегированной стали, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали, сплава на титановой основе или сплава на никелевой основе. Эти материалы имеют высокую механическую прочность.

В варианте осуществления на фиг. 3 защитные элементы 10 выполнены из металла; они могут быть изготовлены из сплава на кобальтовой основе, сплава на никелевой основе, сплава на титановой основе, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали. Эти материалы имеют высокую эрозионную устойчивость, в частности устойчивость к эрозии под воздействием капель жидкости; соответственно, эти элементы обеспечивают защиту от ударов капель жидкости, так как они способны выдерживать эти столкновения, и одновременно обеспечивают защиту для остальной части лопастного колеса, т.е. основного тела.

Если используется сплав на кобальтовой основе, предпочтительно обеспечить содержание хрома более 20%.

Если используется сплав на никелевой основе, предпочтительно также обеспечить содержание хрома более 12%.

Оба эти вида материалов, особенно когда они содержат хром, в особенности полезны для использования в применениях с высоким риском работы в условиях наличия влаги и/или с высоким уровнем влаги, хотя и кратковременным.

Как правило, материал защитных элементов отличается от материала основного тела лопастного колеса, но оба они являются металлическими материалами.

Существует два предпочтительных способа изготовления таких защитных элементов:

- аддитивная технология (наращивание),

- порошковая металлургия, в частности горячее изостатическое прессование.

Эти производственные процессы, в частности второй, могут использоваться для производства также основного тела.

Защитные элементы постоянно прикреплены к основному телу лопастного колеса; фактически, поскольку большую часть времени работы лопастного колеса капель или частиц на входе этого лопастного колеса нет (или их очень мало), соответствующий выбор материала защитных элементов достаточен для обеспечения очень большого срока службы этих защитных элементов, и, следовательно, очень большого срока службы всего лопастного колеса.

Защитные элементы могут быть прикреплены к лопаткам, и/или основанию, и/или экрану основного тела лопастного колеса. Существуют различные возможности для такого крепления: пайка, сварка, склейка, горячая запрессовка. Более того, для одного и того же лопастного колеса может быть использовано более одного способа крепления, например, лопаточная часть защитных элементов может быть прикреплена к лопаткам основного тела путем горячей запрессовки, часть основания защитного элемента может быть прикреплена к основанию основного тела с помощью сварки, а экранная часть защитного элемента может быть прикреплена к экрану основного тела сваркой.

В варианте осуществления, описанном здесь, основное тело, в частности, его лопатки, включает выступы для облегчения прикрепления защитных элементов, в частности их лопаточных частей, к основному телу; фиг. 7 показывает поперечное сечение лопаточной части 13 защитного элемента, прикрепленного к лопатке основного тела благодаря выступу 14 основного тела и впадине защитного элемента. Ситуация может быть обратной, т.е. можно использовать выступ защитных элементов и впадины основного тела. Кроме того, может быть использована комбинация этих двух возможностей, например, в разных частях защитных элементов и основного тела.

В варианте осуществления на фиг. 3 и фиг. 6 каждый из защитных элементов 10 представляет собой отдельное тело.

Альтернативно, защитные элементы могут быть сгруппированы в несколько отдельных тел; например, если лопастное колесо содержит 24 лопатки, то будут использованы 24 защитных элемента, и 12 отдельных тел, если 2 защитных элемента образуют отдельное тело, или 8 отдельных тел, если 3 защитных элемента образуют отдельное тело, или 6 отдельных тел, если 4 защитные элемента образуют отдельное тело, и т.д.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 9, все защитные элементы образуют кольцеобразное единое защитное тело 15. Тело 15 включает в себя часть основания, экранную часть и множество лопаточных частей, соединяющих часть основания и экранную часть.

Тело 15 прикреплено к передней стороне основного тела лопастного колеса.

Такое крепление предпочтительно является постоянным (т.е. не съемным или сменным) по уже изложенным причинам.

Такое крепление может быть реализовано так, как описано выше. Так или иначе, в случае кольцеобразного единого защитного тела может быть использовано крепление посредством гаек и болтов; в таком случае, например, гайки и болты могут использоваться для прикрепления экранной части защитного тела к экранной части основного тела лопастного колеса, и/или части основания защитного тела к части основания основного тела лопастного колеса.

Лопастные колеса с защитными элементами, как правило, используются в центробежных компрессорах.

Исходя из назначения защитных элементов, если компрессор содержит множество каскадно расположенных лопастных колес, защитные элементы преимущественно используются по меньшей мере или только в первом лопастном колесе, где наиболее вероятно возникновение эрозии.

Для достижения хорошей защиты защитные элементы предпочтительно имеют такую форму и так расположены, чтобы принимать весь входной поток текучей среды от входа компрессора.

Такой компрессор используется в установке для сжатия текучей среды, подаваемой на ее вход.

Благодаря элементам защиты вход установки может быть непосредственно соединен с входом компрессора; другим словами, в установке может быть обеспечено преимущество, состоящее в возможности отсутствия в ней фильтров и сепараторов.

На основании раскрытых вариантов осуществления, способ защиты передней стороны лопастного колеса центробежного компрессора от ударов капель жидкости, содержащихся во входном потоке текучей среды, включает постоянное расположение защитных элементов на передней стороне лопастного колеса. Как правило, как уже было сказано, защитные элементы выполнены из сплава на кобальтовой основе, сплава на никелевой основе, сплава на титановой основе, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали.

Лопастное колесо содержит основное тело с основанием (1), экраном (2) и множеством лопаток (3), соединяющих основание и экран; защитные элементы (10) соединены с лопатками (3) и образуют по меньшей мере переднюю часть лопаток (3); защитные элементы (3) могут состоять из отдельных тел или могут быть сгруппированы вместе для формирования одного или более защитных тел; материал защитных элементов предпочтительно отличается от материала основного тела и может быть, например, сплавом на кобальтовой основе, имеющим содержание хрома более 20%, или сплавом на никелевой основе, имеющим содержание хрома более 12%. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Лопастное колесо, содержащее основное тело с основанием (1), экраном (2) и множеством лопаток (3), соединяющих основание и экран, при этом с лопатками (3) соединены защитные элементы (10), которые образуют по меньшей мере переднюю часть каждой из множества лопаток (3), по меньшей мере частично переднюю часть основания (1) и по меньшей мере частично переднюю часть экрана (2).

2. Лопастное колесо по п. 1, в котором упомянутое основное тело выполнено из металла, в частности из углеродистой стали, низколегированной стали, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали, сплава на титановой основе или сплава на никелевой основе.

3. Лопастное колесо по п. 1, в котором упомянутые защитные элементы (10) выполнены из металла, в частности сплава на кобальтовой основе, сплава на никелевой основе, сплава на титановой основе, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали, мартенситной нержавеющей стали.

4. Лопастное колесо по п. 1, в котором упомянутые защитные элементы сформированы с помощью аддитивной технологии.

5. Лопастное колесо по п. 1, в котором по меньшей мере упомянутые защитные элементы сформированы с помощью порошковой металлургии, в частности горячим изостатическим прессованием.

6. Лопастное колесо по п. 1, в котором все упомянутые защитные элементы образуют единое кольцеобразное защитное тело (15).

7. Лопастное колесо по п. 1, в котором упомянутые защитные элементы постоянно прикреплены к упомянутому основному телу.

8. Лопастное колесо по п. 1, в котором защитные элементы (10) содержат выступы или впадины для прикрепления к лопастям.

9. Центробежный компрессор, содержащий лопастное колесо по любому из пп. 1-8.

10. Центробежный компрессор по п. 9, содержащий множество каскадно расположенных лопастных колес, при этом по меньшей мере первое лопастное колесо или только первое лопастное колесо выполнено по любому из пп. 1-8.

11. Центробежный компрессор по п. 9, в котором упомянутые защитные элементы расположены по меньшей мере так, чтобы принимать весь входной поток текучей среды от входа компрессора.

12. Установка для сжатия текучей среды, поступающей на ее вход, содержащая центробежный компрессор по любому из пп. 9-11 для сжатия упомянутой текучей среды.

13. Установка по п. 12, вход которой непосредственно соединен с входом центробежного компрессора.

14. Способ защиты передней стороны лопастного колеса центробежного компрессора от ударов капель жидкости, содержащихся во входном потоке текучей среды, при этом способ включает постоянное расположение защитных элементов (10) на передней стороне каждого лопастного колеса, причем материал упомянутых защитных элементов (10) имеет высокую эрозионную устойчивость, а материал упомянутого лопастного колеса имеет высокую механическую прочность.

15. Способ по п. 14, в котором упомянутые защитные элементы (10) выполнены из сплава на кобальтовой основе, сплава на никелевой основе, сплава на титановой основе, дисперсионно-твердеющей нержавеющей стали или мартенситной нержавеющей стали.

16. Способ по п. 14, в котором защитные элементы (10) содержат выступы или впадины для прикрепления к лопастям.