СТУПЕНЬ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2019 года по МПК F04D29/44 

Изобретение относится к ступени центробежного компрессора согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Из DE 195 02 808 C2 известно базовое устройство центробежного компрессора с, по меньшей мере, одной ступенью центробежного компрессора. В этой публикации раскрыто, что ступень центробежного компрессора или каждая ступень центробежного компрессора имеет рабочее колесо, вращающееся относительно статора, причем рабочее колесо содержит ступицу и несколько расположенных со стороны ротора лопаток рабочего колеса. Каждая лопатка рабочего колеса имеет обтекаемую входную кромку и обтекаемую выходную кромку, причем между обтекаемой входной кромкой и обтекаемой выходной кромкой каждой лопатки рабочего колеса проходит сторона всасывания, напорная сторона, а также наружная поверхность, обращенная к статору, причем наружная поверхность соответствующей лопатки рабочего колеса примыкает к статору и служит уплотнением по отношению к статору. Такое рабочее колесо центробежного компрессора, в котором наружные поверхности лопаток рабочего колеса опосредованно примыкают к статору, не имеют какой-либо бандажной ленты и называется открытым рабочим колесом. Лопатки рабочего колеса позиционированы в канале рабочего колеса для потока, который ограничен ступицей рабочего колеса и статора.

Дальше из DE 195 02 808 C2 известно, что ступень центробежного компрессора включает установленный ниже по потоку рабочего колеса диффузор, который имеет несколько расположенных со стороны статора направляющих лопаток. Каждая из направляющих лопаток диффузора имеет обтекаемую входную кромку и обтекаемую выходную кромку, причем между обтекаемой входной кромкой и обтекаемой выходной кромкой каждой из направляющих лопаток диффузора проходит сторона всасывания и напорная сторона. Направляющие лопатки расположены в канале диффузора для потока, ограниченном статором.

Из DE 195 02 802 C2 следует, что между рабочим колесом и статором показанной там ступени центробежного компрессора, именно между задней стороной рабочего колеса и статором, образовано так называемое боковое пространство колеса. Это боковое пространство колеса при этом соединено с промежуточным каналом для потока, проходящим между каналом рабочего колеса для потока и каналом диффузора для потока.

Другая ступень центробежного компрессора с таким боковым пространством колеса известнa из DE 10 2007 019 264 A1.

Из ЕР 2 014 925 А1 известна ступень центробежного компрессора с диффузором, в котором угловое расстояние обтекаемых входных кромок двух расположенных по соседству друг к другу направляющих элементов отличается от углового расстояния обтекаемых входных кромок двух других расположенных по соседству друг с другом направляющих элементов.

Из JP 2004 100 553 А известно устройство из расположенных со стороны статора направляющих лопаток, установленных с возможностью вращения вокруг оси вращения.

Из DE 41 26 907 А1 известен диффузор с первой, установленной неподвижно со стороны статора направляющей лопаткой, и второй, установленной с возможностью регулирования направляющей лопаткой.

Из WO 2009/012990 А1 известен безлопаточный диффузор с изменяющимся в радиальном направлении проточным сечением.

При работе центробежного компрессора ступени центробежного компрессора подвержены механическим возмущениям и колебаниям, которые могут причинять повреждения ступени центробежного компрессора, в частности, лопаткам рабочего колеса ступени центробежного компрессора. Причиной таких механических возмущений могут быть синхронные механизмы возмущения, а также асинхронные механизмы возмущения.

В частности, вследствие взаимодействия вращающихся и неподвижных компонентов появляются трехмерные и неустановившиеся феномены потока. При определенных условиях возникают колебания напора, которые имеют циркулирующий в направлении вращения или противоположно направлению вращения характер. Количество и скорость циркуляции этих колебаний напора любые.

Этот феномен является основанием для асинхронного возмущения открытых рабочих колес в центробежных компрессорах. До сих пор неизвестно никаких методов, с помощью которых можно целенаправленно противодействовать таким асинхронным возмущениям, чтобы избежать критического возмущения колебаний, в частности, лопаток рабочего колеса.

Отсюда существует потребность в ступени центробежного компрессора, в которой, в частности, лопатки рабочего колеса подвержены слабому возмущению колебаний, в частности, из-за таких асинхронных возмущений.

Исходя из этого, в основе настоящего изобретения лежит задача создания ступени центробежного компрессора, которая выполняет упомянутые выше требования и соответственно подвержена слабому возмущению колебаний, в частности, вследствие таких асинхронных возмущений.

Эта задача решается с помощью ступени центробежного компрессора согласно пункту 1 формулы изобретения. Соответственно этому обтекаемые входные кромки расположенных со стороны статора направляющих лопаток диффузора располагаются на первом круговом контуре, именно, таким образом, что обтекаемые входные кромки всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток диффузора по отношению к обтекаемым входным кромкам соответственно соседних направляющих лопаток имеют идентичное расстояние. Обтекаемые выходные кромки расположенных со стороны статора направляющих лопаток диффузора расположены на втором круговом контуре таким образом, что, по меньшей мере, в первой позиции на ободе обтекаемая выходная кромка соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки по отношению к обтекаемой выходной кромке, по меньшей мере, одной из соседних направляющих лопаток имеет другое расстояние, чем во второй позиции на ободе. Кроме того, по меньшей мере, в третьей позиции на ободе участок проточного канала диффузора, образованный между соседними расположенными со стороны статора направляющими лопатками диффузора, имеет по отношению к участкам проточного канала диффузора, образованным в четвертых позициях на ободе, отличное проточное сечение.

В соответствии с изобретением может просто и надежно оказываться противодействие асинхронным возмущениям открытых рабочих колес в центробежных компрессорах, благодаря чему может уменьшаться колебательное возмущение, в частности, для лопаток рабочего колеса ступени центробежного компрессора.

Предпочтительные варианты усовершенствования изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и следующего ниже описания. Примеры осуществления изобретения, при этом не следует ими ограничиваться, более подробно поясняются с помощью чертежа. При этом показывают:

фиг. 1: меридиональный разрез предложенной в соответствии с изобретением ступени центробежного компрессора согласно изобретению,

фиг. 2: осевой разрез ступени центробежного компрессора на фиг. 1.

фиг. 3: осевой разрез другой ступени центробежного компрессора и

фиг. 4: меридиональный разрез другой ступени центробежного компрессора согласно третьему объекту изобретения.

Представленное здесь изобретение относится к центробежному компрессору, по меньшей мере, с одной ступенью центробежного компрессора.

Фиг. 1 показывает деталь предложенной в соответствии с изобретением ступени центробежного компрессора в меридиональном разрезе, причем фиг. 2 показывает осевой разрез ступени центробежного компрессора на фиг. 1.

Ступень центробежного компрессора на фиг. 1 имеет рабочее колесо 10 с несколькими расположенными со стороны ротора лопатками 11 рабочего колеса. Рабочее колесо 10 вращается относительно статора 12. В случае статора 12 речь может идти о корпусе или о кольце статора или тому подобном. Лопатки 11 рабочего колеса расположены в канале 13 для потока рабочего колеса, который ограничен со стороны ротора контуром 14 ступицы и контуром 15 статора. Каждая лопатка 11 рабочего колеса имеет обтекаемую входную кромку 16 и обтекаемую выходную кромку 17. Между обтекаемой входной кромкой 16 и обтекаемой выходной кромкой 17 каждой лопатки 11 рабочего колеса проходит напорная сторона, сторона всасывания, а также радиально наружу у лопатки 11 рабочего колеса, обращенная к статору 12 наружная поверхность 18 соответствующей лопатки 11 рабочего колеса. Наружная поверхность 18 лопатки 11 рабочего колеса примыкает к статору 12 и служит уплотнением по отношению к статору 12. Такое рабочее колесо 10, в котором наружные поверхности 18 лопаток 11 рабочего колеса опосредованно примыкают к статору 12, не располагает какой-либо бандажной лентой и также называется открытым рабочим колесом.

Согласно фиг. 1 ниже по потоку рабочего колеса 10 установлен расположенный со стороны статора диффузор 19. Диффузор 19 включает несколько расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20. Расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 диффузора находятся в канале 21 для потока диффузора, ограниченном статором 12, причем каждая из расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора содержит обтекаемую входную кромку 22 и обтекаемую выходную кромку 23 для потока. Между обтекаемой входной кромкой 22 и обтекаемой выходной кромкой 23 соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки 20 проходит сторона 24 всасывания и напорная сторона 25 соответствующей направляющей лопатки.

Между каналом 13 для потока рабочего колеса, в котором находятся расположенные со стороны ротора лопатки 11 рабочего колеса 10, и каналом 21для потока диффузора, в котором находятся расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 диффузора 19, проходит промежуточный канал 26 для потока, через который может течь, выходя из рабочего колеса в направлении диффузора 19, уплотненная в ступени центробежного компрессора среда. Согласно фиг. 1 между задней стороной 27 рабочего колеса 10 и статором 12 образовано боковое пространство 28 колеса, причем это боковое пространство 28 колеса согласно фиг. 1 через зазор 34 соединено с промежуточным каналом 26 для потока.

Описанные выше со ссылкой на фиг. 1 и 2 детали ступени центробежного компрессора относятся к уровню техники.

Изобретение касается только таких деталей ступени центробежного компрессора, с помощью которых может уменьшиться опасность неустановившихся феноменов потока, которые могут вести к асинхронному возмущению отрытых рабочих колес.

Согласно изобретению, все обтекаемые входные кромки 22 всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 расположены на первом круговом контуре 29.

При этом обтекаемые входные кромки 22 расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 расположены таким образом на круговом контуре 29, что обтекаемые входные кромки 22 всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 по отношению к обтекаемым входным кромкам 22 соответственно соседних направляющих лопаток 20 имеют идентичное расстояние. Обтекаемые входные кромки 22 расположенных рядом друг с другом направляющих лопаток 20 диффузора 19, если смотреть в направлении обода канала 21 диффузора для потока, соответственно, если смотреть в направлении обода, распределены равномерно, так что соответственно все обтекаемые входные кромки 22, которые лежат на первом круговом контуре 29, по отношению к соседним обтекаемым входным кромкам 22 имеют идентичные расстояния на ободе.

Согласно изобретению, дальше предусмотрено, что обтекаемые выходные кромки 23 расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 расположены на втором круговом контуре 30.

При этом обтекаемые выходные кромки 23 расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 расположены таким образом на втором круговом контуре 30, что, по меньшей мере, в одной первой позиции на ободе канала 21 диффузора для потока обтекаемая выходная кромка 23 расположенной там, соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки 20 по отношению к обтекаемой выходной кромке 23, по меньшей мере, одной соседней направляющей лопатки 20 имеет другое расстояние, чем во вторых позициях на ободе канала 21 диффузора для потока.

В области обтекаемых выходных кромок 23 соответственно, если смотреть в направлении обода канала 21 диффузора для потока, не предусмотрено никакого равномерного распределения обтекаемых выходных кромок 23, напротив, преимущественно в первых позициях на ободе равномерное распределение обтекаемых выходных кромок 23, которые все располагаются на втором круговом контуре 30, аннулировано, чтобы уменьшить опасность неустановившихся феноменов потока, которые могут привести к асинхронному возмущению открытых рабочих колес.

Согласно изобретению, в первом экстремальном случае возможно, что исключительно в одних единственных позициях на ободе канала 21 диффузора для потока соответствующая обтекаемая выходная кромка 23 имеет другое расстояние по отношению к соответствующим соседним обтекаемым выходным кромкам 23, что напротив в других позициях на ободе обтекаемые выходные кромки 23 равномерно распределены относительно их позиций на ободе.

Точно также согласно изобретению, во втором экстремальном случае возможно, во всех позициях на ободе канала 21 диффузора для потока обтекаемые выходные кромки 23 по отношению к соответственно соседним обтекаемым выходным кромкам 23 имеют соответственно различные расстояния.

Во вторых позициях на ободе канала 21 диффузора для потока соответствующие расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 диффузора 19 преимущественно все имеют идентичный, второй угол установки.

Расположенные со стороны статора, позиционированные в первой позиции на ободе или каждой первой позиции на ободе направляющие лопатки 20, наоборот имеют преимущественно первый угол установки, который отличается от второго угла установки, в частности, на ± 10^°, предпочтительно на ± 7^°, особо предпочтительно на ± 5^°, более всего предпочтительно на ± 3^°.

Согласно настоящему изобретению, соответственно предлагается для уменьшения опасности неустановившихся феноменов потока, которые могут привести к асинхронному возмущению открытых рабочих колес, смещать обтекаемые выходные кромки 23 избранных расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 в направлении обода, преимущественно при устранении соответственно разрыве обычно, если смотреть в направлении обода канала 21 диффузора для потока, равномерно распределенных обтекаемых выходных кромок 23.

В экстремальном случае обтекаемые выходные кромки 23 всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 могут иметь по отношению к соответственно соседним обтекаемым выходным кромкам 23 различные расстояния.

Как следует из фиг. 2, обтекаемая выходная кромка 23” (см. штриховую линию правой на фиг. 2 направляющей лопатки) может смещаться в направлении напорной стороны 25 соответствующей соседней направляющей лопатки 20 или обтекаемая выходная кромка 23’ для потока (см. штриховую линию левой на фиг. 2 направляющей лопатки) может смещаться в направлении стороны 24 всасывания соответствующей соседней направляющей лопатки 20 в направлении по ободу, а именно, таким образом, что по-прежнему все обтекаемые выходные кромки 23 будут лежать на втором круговом контуре 30.

Это соответствует изменению угла установки расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 на избранных позициях на ободе. На избранных вторых позициях на ободе диффузора 19 соответствующие расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 имеют отличающийся угол установки.

Эти избранные направляющие лопатки 20, которые в сравнении с остальными расположенными со стороны статора направляющими лопатками 20 имеют различный угол установки, отличаются тем, что их угол установки, отклоняется, в частности, на ± 10^°, особо предпочтительно на ± 5^°, от углов установки остальных направляющих лопаток 20 диффузора 19.

Упомянутые выше мероприятия представленного здесь изобретения в определенных позициях на ободе при неравномерных расстояниях на ободе направляющих лопаток 20 диффузора 19 могут сказаться в части несколько повышенной или несколько пониженной нагрузке. Опасность неустановившихся феноменов потока, которые могут привести к асинхронному возмущению открытых рабочих колес, таким образом может уменьшаться.

Согласно другому аспекту (см. фиг. 3) для уменьшения опасности неустановившихся феноменов потока, которые могут привести к асинхронному возмущению открытых рабочих колес, предлагается, что как обтекаемые входные кромки 22, позиционированные на первом круговом контуре 29, расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19, так и обтекаемые выходные кромки 23, позиционированные на втором круговом контуре 30, расположенных со стороны статора направляющих лопаток 20 диффузора 19 равномерно распределены в направлении обода, то есть имеют соответственно идентичные расстояния на ободе.

Согласно другому аспекту, тем не менее, имеет, по меньшей мере, одна расположенная со стороны статора направляющая лопатка 20 диффузора 19 между обтекаемой входной кромкой 22 и обтекаемой выходной кромкой 23 отличающуюся кривизну, именно, сторону всасывания 24’ и напорную сторону 25’ с отличающейся по отношению к другим направляющим лопаткам 20 кривизной. Это на фиг. 3 показано с помощью штриховой линией для средней направляющей лопатки 20.

Согласно другому аспекту в первом экстремальном случае возможно, что исключительно одна единственная расположенная со стороны статора направляющая лопатка 20 диффузора 19 имеет отличающуюся кривизну, что, наоборот, все другие расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 диффузора 19 имеют идентичную кривизну.

Точно также согласно другому аспекту во втором экстремальном случае возможно, что все расположенные со стороны статора направляющие лопатки 20 диффузора 19 имеют отличающуюся друг от друга кривизну.

Другие признаки предложенного изобретения следуют со ссылкой на фиг. 4.

Согласно изобретению для уменьшения опасности неустановившихся феноменов потока, которые могут привести к асинхронному возмущению открытых рабочих колес, предлагается, по меньшей мере, в третьей позиции на ободе канала 21 диффузора для потока участок 33 канала диффузора для потока, образованный между соседними расположенными со стороны статора направляющими лопатками 20 диффузора 19, изменить таким образом, что этот участок по сравнению с участками канала диффузора для потока, образованными в четвертых позициях на ободе имеет отличающееся поперечное сечение для потока.

Так на фигуре 4 можно видеть, что в третьей позиции на ободе диффузора 19 между соседними расположенными со стороны статора направляющими лопатками 20 соответствующий участок 33 канала диффузора для потока имеет уменьшенное поперечное сечение для потока, именно благодаря тому, что расположенные со стороны статора боковые стенки 31, 32, ограничивающие соответствующий участок 33 канала диффузора для потока, изогнуты по направлению внутрь при уменьшении поперечного сечения для потока соответствующего участка 33 канала диффузора для потока. Следует указать на то, что может быть изогнута по направлению внутрь в соответствующий участок 33 канала диффузора для потока также только одна из этих расположенных со стороны статора боковых стенок 31, 32, ограничивающих соответствующий участок 33 канала диффузора для потока. Точно также возможно в избранных позициях на ободе расширение соответствующего участка канала диффузора для потока относительно его поперечного сечения для потока, причем тогда, по меньшей мере, одна из этих боковых стенок 31, 32 изогнута наружу по направлению к статору 12.

В первом экстремальном случае возможно, что исключительно в одной единственной позиции на ободе канала 21 диффузора для потока соответствующий участок 33 канала диффузора для потока имеет отличающееся поперечное сечение для потока, что, наоборот, все другие участки 33 канала диффузора для потока имеют идентичные поперечные сечения для потока.

Точно также во втором экстремальном случае возможно, что во всех позициях на ободе канала 21 диффузора для потока участки 33 канала диффузора для потока имеют соответственно различные поперечные сечения для потока.

Ступень центробежного компрессора, имеющая рабочее колесо (10), вращающееся относительно статора (12), с несколькими расположенными со стороны ротора лопатками (11) рабочего колеса и установленный ниже по потоку рабочего колеса (10) диффузор (19). Между рабочим колесом (10) и статором (12) образовано боковое пространство (28) колеса, при этом обтекаемые входные кромки (22) расположенных со стороны статора направляющих лопаток (20) расположены на первом круговом контуре (29) таким образом, что обтекаемые входные кромки (22) всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток по отношению к обтекаемым входным кромкам (22) соответственно соседних направляющих лопаток (20) имеют идентичное расстояние, а выходные кромки (23) расположенных со стороны статора направляющих лопаток (20) расположены на втором круговом контуре (30) таким образом, что по меньшей мере в первой позиции на ободе обтекаемая выходная кромка (23) соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки (20) по отношении к обтекаемой выходной кромке (23) по меньшей мере соседних направляющих лопаток (20) имеет другое расстояние, чем во вторых позициях на ободе. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ступень центробежного компрессора, имеющая статор (12), рабочее колесо (10), вращающееся относительно статора (12), с несколькими расположенными со стороны ротора лопатками (11) рабочего колеса и установленный в направлении потока ниже по потоку рабочего колеса (10) диффузор (19) с несколькими расположенными со стороны статора направляющими лопатками (20), причем каждая расположенная со стороны статора направляющая лопатка (20) имеет обтекаемую входную кромку (22) и обтекаемую выходную кромку (23), при этом между обтекаемой входной кромкой (22) и обтекаемой выходной кромкой (23) соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки (20) проходит сторона (24) всасывания и напорная сторона (25) соответствующей направляющей лопатки, а между рабочим колесом (10) и статором (12) образовано боковое пространство (28) колеса, отличающаяся тем, что все обтекаемые входные кромки (22) расположенных со стороны статора направляющих лопаток (20) располагаются на первом круговом контуре (29) таким образом, что обтекаемые входные кромки (22) всех расположенных со стороны статора направляющих лопаток (20) по отношению к обтекаемым входным кромкам (22) соответственно соседних направляющих лопаток (20) имеют идентичное расстояние, а все обтекаемые выходные кромки (23) расположенных со стороны статора направляющих лопаток (20) расположены на втором круговом контуре (30) таким образом, что по меньшей мере в одной первой позиции на ободе обтекаемая выходная кромка (23) соответствующей расположенной со стороны статора направляющей лопатки (20) по отношении к обтекаемой выходной кромке (23) по меньшей мере соседних направляющих лопаток (20) имеет другое расстояние, чем во вторых позициях на ободе, при этом по меньшей мере в третьей позиции на ободе участок (33) проточного канала диффузора, образованный между соседними расположенными со стороны статора направляющими лопатками (20), имеет проточное сечение, отличное от сечений участков проточного канала диффузора, образованных в четвертых позициях на ободе.

2. Ступень центробежного компрессора по п. 1, отличающаяся тем, что во вторых позициях на ободе соответствующие лежащие со стороны статора направляющие лопатки (20) все имеют идентичный второй угол установки, а в первых позициях на ободе или каждой первой позиции на ободе соответствующие расположенные со стороны статора направляющие лопатки (20) имеют первый угол установки, который отличается от второго угла установки.

3. Ступень центробежного компрессора по п. 2, отличающаяся тем, что первый угол установки отличается от второго угла установки на ± 10^°, предпочтительно на ± 7^°, особо предпочтительно на ± 5^°.

4. Ступень центробежного компрессора по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что по отношению к четвертым позициям на ободе в третьей позиции на ободе или каждой третьей позиции на ободе между соседними расположенными со стороны статора направляющими лопатками (20) по меньшей мере одна боковая стенка (31, 32), ограничивающая участок (33) проточного канала диффузора, при уменьшении проточного сечения изогнута внутрь в направлении участка (33) проточного канала диффузора и/или при увеличении проточного сечения изогнута наружу в направлении статора (12).