ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ РОТОР Российский патент 2022 года по МПК F04D29/22 

Настоящее изобретение относится к центробежному ротору.

Область техники, к которой относится настоящее изобретение, связана с сжатием текучей среды, жидкости или газов. Следовательно, настоящее изобретение относится к насосам, а также компрессорам, которые обеспечивают возможность подачи соответственно жидкости или газа от данного давления к более высокому давлению.

Существует множество техник повышения давления текучей среды. Общая техника состоит в центрифугировании текучей среды, на которую действует нагрузка, которая, в свою очередь, вызывает увеличение ее давления. Для реализации этой техники существует множество различных структур насосов и компрессоров, в зависимости от множества параметров, включая связанную текучую среду, внешние условия (размер и т.д.) и желаемые рабочие характеристики (степень сжатия и т.д.). Следовательно, внимание авторов настоящего изобретения сосредоточено на насосах и компрессорах, содержащих по меньшей мере один центробежный ротор, связанный с осевым диффузором.

Центробежный ротор является ротором, имеющим ось поворота. Он предназначен для сжатия текучей среды, проходящей в направлении, параллельном его оси поворота, сжатая текучая среда выходит из ротора наружу в радиальном направлении. Когда сжатая текучая среда должна проходить в осевом направлении, одно решение заключается в направлении текучей среды, выходящей из ротора, так, чтобы она изменяла направление потока. Элементом, используемым для достижения этой цели, является неподвижная часть, называемая осевым диффузором, и такая неподвижная часть имеет по меньшей мере один канал для направления сжатой текучей среды. Нижний конец канала, то есть конец, который удален от центробежного ротора, ориентирован по направлению оси в соответствии с направлением, по которому стремятся направить сжатую текучую среду. Назначение осевого диффузора состоит в том, чтобы затем повернуть примерно на 90° исходящую из центробежного ротора текучую среду для задания ей осевого направления.

В документе FR2874241 раскрыт высокоэффективный центробежный ротор, который использует усеченные лопатки с радиальным диффузором. След за лопаткой в потоке повторно закрывает диффузор и вследствие действия со следами от других смежных лопаток создает расслоенный поток, который постепенно увеличивается в диффузоре. Таким образом, авторами настоящего изобретения определено, что в этом документе раскрыт ротор, содержащий встроенный диффузор. Лопатки очень большой толщины расположены в нижней части ротора.

В документе US1447916 изображен другой вариант реализации ротора, содержащего встроенный диффузор. Последний может быть выполнен заодно с частью ротора, содержащей лопатки, или он может быть отдельной деталью, прикрепленной к части ротора, содержащей лопатки. Тем не менее, в документе отмечено, что на всех чертежах, изображающих лопасти, они проходят только над одной частью устройства (соответствующей центробежному ротору), а не к периферийному выходу устройства, и что часть, соответствующая центробежному ротору, имеет полностью радиальное выпускное отверстие, расположенное выше по потоку от диффузора.

Одна техническая проблема, которая встречается в такой конструкции, состоит в том, что сама конструкция является причиной падения давления в сжатой текучей среде. Действительно, известно, что при течении текучая среда испытывает падение давления, которое зависит от трубопровода, в котором она протекает, включая любые изменения направления, которым подвергается текучая среда.

Невозможно устранить падение давления, особенно которое относится к природе самой текучей среды (особенно ее вязкость), однако настоящее изобретение обеспечивает средство для максимального снижения этих потерь.

Таким образом, объект настоящего изобретения, для данной ступени сжатия, содержит центробежный ротор и осевой диффузор для повышения производительности этой ступени, т.е., например, получение более высокой степени сжатия при заданной мощности, или получение заданного сжатия при уменьшении механической энергии, которую необходимо приложить к ротору для совершения им поворота.

С этой целью настоящее изобретение предлагает центробежный ротор, содержащий:

- втулку, имеющую продольную ось,

- впускное отверстие для текучей среды,

- первый фланец, расположенный выше по потоку и имеющий отверстие вокруг втулки,

- второй фланец, отделенный ниже по потоку от указанного первого фланца лопастями, тем самым формируя каналы, каждый из которых ограничен первым фланцем, вторым фланцем и двумя лопастями, проходящими от впускного отверстия для текучей среды до периферийного выпускного отверстия.

Согласно настоящему изобретению, вблизи периферийного выпускного отверстия первый фланец имеет вогнутую область, обращенную к каналам, тогда как второй фланец имеет выпуклую область, обращенную к каналам.

Благодаря форме, таким образом заданной выпускным каналам, переход радиального потока в центробежном роторе к осевому потоку в диффузоре, расположенном выше ротора, выполнен менее резко, обеспечивая возможность ограничения потерь давления, когда текучая среда изменяет направление.

Для обеспечения простого в производстве ротора первый фланец и второй фланец предпочтительно имеют круглую форму вокруг продольной оси.

Например, предусмотрено, что поверхность, касательная к вогнутой области первого фланца, выходящая из канала, образует угол между 1° и 45°, предпочтительно между 10° и 30°, с радиальной плоскостью, перпендикулярной к продольной оси. Подобным образом предусмотрено, что поверхность, касательная к выпуклой области второго фланца, выходящая из канала, образует угол между 1° и 45°, предпочтительно между 10° и 30°, с радиальной плоскостью, перпендикулярной продольной оси.

Для лучшего направления текучей среды в центробежном роторе согласно настоящему изобретению предпочтительно обеспечивать прохождение лопастей к наружной периферийной внешней кромке первого фланца и/или второго фланца.

Для простого создания ускорения текучей среды, выходящей из центробежного ротора, первый фланец предпочтительно имеет внешнюю периферийную кромку, смежную с каналами, которая имеет больший диаметр, чем внешняя периферийная кромка, смежная с каналами, второго фланца. У кромки с большим диаметром, которая соответствует наружной стороне искривленной формы, заданной выпускному отверстию центробежного ротора, скорость таким образом выше. Это предпочтительно, потому что путь, который должен быть пройден по наружной стороне витка, больше, чем путь внутренней части витка. Таким образом, обеспечивается более равномерное распределение скорости, когда впоследствии текучая среда движется по существу в продольном направлении.

Кроме того, настоящее изобретение относится к центробежному компрессору и/или центробежному насосу, содержащему центробежный ротор согласно приведенному выше описанию.

Детали и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из представленного ниже описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 показывает центробежный ротор предшествующего уровня техники, в частности изображен вид в поперечном сечении половины ротора, установленного в компрессоре,

фиг. 2 показывает вид, подобный виду на фиг. 1, для центробежного ротора согласно первому варианту реализации настоящего изобретения,

фиг. 3 показывает вид, подобный предыдущим видам, согласно второму варианту реализации настоящего изобретения, и

фиг. 4 показывает поперечное сечение в перспективе, выполненное вдоль секущей линии IV-IV на фиг. 2.

Специалисты в данной области техники поймут, что центробежный ротор 2 на фиг. 1 установлен в корпусе 4, например корпусе компрессора, и вал 6 имеет продольную ось 8. Приведенное ниже описание будет представлено со ссылкой на воздушный компрессор (или в более общем смысле компрессор для газообразной текучей среды), но настоящее изобретение также может быть применено к насосам для жидкости.

При повороте центробежного ротора 2 валом 6, воздух (или другая газообразная текучая среда) втягивается в центробежный ротор 2 в продольном направлении относительно продольной оси 8 и вводится в смешанное потоковое движение в центробежном роторе 2 при вращении, после чего выходит радиально по отношению к продольной оси 8.

Центробежный ротор 2 выполнен в виде неразъемной детали и содержит втулку 10, первый фланец или верхний фланец 12, второй фланец или нижний фланец 14 и лопасти 16.

Втулка 10 обеспечивает возможность соединения вала 6 и центробежного ротора 2. Она имеет полностью круглую, цилиндрическую, трубчатую форму и обеспечена средством прикрепления ее к валу 6. Например, как правило, во втулке 10 и валу 6 обеспечена продольная канавка для приема продольной шпонки, или равномерно распределенные пазы, или любой другой тип соединения.

Нижний фланец 14 соединен непосредственно со втулкой 10 и проходит радиально по отношению к продольной оси 8. Направление выше по потоку/ниже по потоку определяется относительно направления потока воздуха в центробежном роторе 2. Действительно, на фиг. 1 (а также на других фигурах) воздух затягивается справа ротора и затем перемещается в продольном направлении влево до перевода его в радиальное направление, в котором воздух движется до выхода из центробежного ротора 2, после чего направляется в продольном направлении назад влево на чертеже. Таким образом, элементы выше по потоку на чертежах расположены справа по отношению к элементам ниже по потоку.

Верхний фланец 12 обращен к нижнему фланцу 14 и присоединен к нему лопастями 16, тем самым определяя каналы для воздуха между двумя фланцами. Воздух, таким образом, вводится между внутренними поверхностями фланцев и лопастей центробежно в радиальном направлении.

Верхний фланец 12 не доходит до втулки 10, а остается на расстоянии от нее. Уплотняющая опора 18 обращена ко втулке 10 спереди. По направлению к внутренней части центробежного ротора 2 передняя уплотняющая опора 18 совместно со втулкой 10 определяет камеру 20 всасывания с кольцевым отверстием 22, расположенным выше по потоку относительно камеры 20 всасывания. По направлению к внешней стороне передняя герметичная опора 18 имеет механическую обработку, позволяющую ей создавать уплотнение центробежного ротора 2 при повороте в корпусе 4. Например, может быть использовано уплотнение, такое как, например, лабиринтное кольцо 24, в качестве контактной поверхности между центробежным ротором 2 и корпусом 4. Согласно изображениям на чертежах, центробежный ротор 2 также содержит дополнительную уплотняющую опору 18 на стороне ниже по потоку, или заднюю уплотняющую опору, которая проходит от нижнего фланца 14 и принимает другое лабиринтное кольцо 24.

Каждый из каналов, проводящих воздух между верхним фланцем 12 и нижним фланцем 14, имеет выпускное отверстие 26 (фиг. 1), ориентированное в радиальном направлении у самого большого диаметра фланцев. Затем воздух поступает в диффузор 28, в котором он направляется таким образом, чтобы поток воздуха был более продольным, чем радиальным. Каналы 30 в диффузоре 28 также позволяют преобразовать спиральное движение потока воздуха по существу в прямолинейное движение.

На фиг. 2 и 4 изображен первый вариант реализации центробежного ротора согласно настоящему изобретению. Согласно изображениям на чертежах, общая конструкция по существу одинакова на фиг. 1 и фиг. 2-4. Таким образом, ссылочные номера, указанные на фиг. 1, используются на фиг. 2-4 для обозначения подобных элементов. Так, определено, что центробежный ротор 2 установлен в корпусе 4 с возможностью поворота вокруг вала 6, имеющего продольную ось 8. Центробежный ротор 2 имеет герметичное соединение с корпусом 4, обеспеченное, в частности, посредством уплотняющих опор 18, функционирующих совместно с лабиринтными кольцами 24 (или другим типом уплотнения). Втулка 10 обеспечивает возможность соединения между ротором и валом 6, например, посредством шлицевого соединения, которое не показано. Кроме того, центробежный ротор 2 содержит верхний фланец 12 и нижний фланец 14, соединенные лопастями 16. Верхний фланец 12 имеет уплотняющую опору 18, которая совместно со втулкой 10 определяет камеру 20 всасывания кольцевого отверстия 22. И в этом случае, когда центробежный ротор 2 поворачивается вокруг продольной оси 8, воздух (или другая текучая среда) всасывается через отверстие 22 (продольное всасывание) для сжатия при спирально-центробежном движении, и затем вновь становится ориентированным в продольном направлении в диффузоре 28, необязательно обеспеченном каналами.

Различия между ротором предшествующего уровня техники и центробежным ротором 2 согласно настоящему изобретению по существу сосредоточены у выходов 26, то есть в области, имеющей самый большой диаметр верхнего фланца 12, нижнего фланца 14 и лопасти 16.

По сравнению с центробежными роторами компрессора (или насоса), известными в уровне техники, настоящее изобретение предлагает обеспечить в центробежном роторе выпускное отверстие для потока воздуха (или другой текучей среды), обладающего повышенным вектором скорости для входа в продольный диффузор. Для достижения этого предполагается, что каналы для воздуха будут немного загнуты (образованы фланцами и лопастями) в центробежном роторе 2 вблизи выпускных отверстий 26. Таким образом, у выхода центробежного ротора образована изогнутость, которая позволяет увеличивать скорость воздуха за пределы изогнутости.

Несмотря на то, что в варианте реализации, представленном на фиг. 1, отмечено, что внутренняя поверхность верхнего фланца 12 и поверхность нижнего фланца 14 являются по существу плоскими (и немного сходящимися), тем не менее, внутренняя поверхность верхнего фланца 12 имеет около выхода 26 вогнутую область 32, и внутренняя поверхность нижнего фланца 14 имеет около выпускного отверстия 26, напротив вогнутой области 32, выпуклую область 34.

Таким образом, если считать поверхность 36 касательной к внутренней поверхности нижнего фланца 14 у выпускного отверстия 26, то эта поверхность является по существу конусной (конусная ось к продольной оси 8), и формирует с радиальной плоскостью, изображенной пунктиром, угол a. В варианте реализации на фиг. 2 этот угол составляет примерно 15°, и примерно 30° - в варианте реализации на фиг. 3. Предпочтительно этот угол будет находиться между 10° и 45°. В центробежных роторах предшествующего уровня техники, как изображено на фиг. 1, этот угол является по существу нулевым.

Во избежание загромождения изображений на чертежах поверхность, касательная к внутренней поверхности верхнего фланца 12, не была изображена. И в этом случае также получается по существу конусная поверхность вокруг продольной оси 8, которая формирует с изображенной радиальной плоскостью угол, который предпочтительно равен менее 45°, например между 10 и 45°.

На фиг. 4 изображены лопасти 16, проходящие в выпуклую область 34 нижнего фланца 14. Разумеется, в вогнутую зону 32 верхнего фланца 12 они проходят подобным образом. Предпочтительно, как изображено на этой фиг. 4, лопасти 16 проходят к периферийной кромке верхнего фланца 12 и нижнего фланца 14, то есть вплоть до выхода 26 ротора.

На фиг. 3 символом H указана линия, имеющая самый большой диаметр внутренней поверхности нижнего фланца 14, и символом S указана линия, имеющая самый большой диаметр внутренней поверхности верхнего фланца 12. Линии, обозначенные символами S и H, представляют собой окружности, центры которых лежат на продольной оси 8, с радиусами R_S и R_H соответственно. Как видно на фиг. 3 (и также видно на фиг. 2, но менее отчетливо), R_S > R_H. Таким образом, для одной и той же средней скорости по поверхности воздуховыпускного отверстия за пределами центробежного ротора 2 окружная скорость воздуха около точки S больше, чем окружная скорость воздуха около точки H. Это также применимо к абсолютной тангенциальной составляющей скорости. Воздух ускоряется от стороны выше по потоку (внешняя сторона выходящего «витка» ротора), тем самым обеспечивая более равномерную скорость на входе по существу продольного сечения диффузора. Поэтому потери давления, если их учитывать только в диффузоре, снижаются и, следовательно, позволяют повысить производительность устройства.

Таким образом, форма центробежного ротора согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность более постепенного перехода от радиального потока воздуха к продольному потоку. Распределение скоростей потока текучей среды через проходное сечение диффузора является более равномерным и постоянным. Таким образом, падения давления ограничиваются, и достигается повышение производительности в то время, когда текучая среда проходит от по существу радиального потока до осевого потока при прохождении ее в осевой диффузор.

Следует отметить, что каналы в центробежном роторе 2 имеют проход, в котором поток является по существу радиальным. Каждая из внутренних поверхностей верхнего фланца и нижнего фланца имеет инверсию изогнутости. Внутренняя поверхность верхнего фланца 12 имеет выпуклую область около камеры 20 всасывания, и затем она продолжается от втулки 10 после изогнутой области; указанная внутренняя поверхность имеет вогнутую область согласно приведенному выше описанию. Внутренняя поверхность верхнего фланца 14 имеет выпуклую область около камеры 20 всасывания, и затем она продолжается от втулки 10 после изогнутой области; указанная внутренняя поверхность имеет вогнутую область согласно приведенному выше описанию. Траектория текучей среды в каналах определена фланцами и лопастями в центробежном роторе 2 и, таким образом, имеет изгиб.

Для лучшего направления текучей среды в изогнутом роторе лопасти 16 проходят в изогнутую область (то есть до вогнутой области внутренней поверхности верхнего фланца и до выпуклой области внутренней поверхности нижнего фланца) и направляют текучую среду предпочтительно к выпускному отверстию 26. Таким образом, лопатки 16 также изогнуты. Они предпочтительно проходят от камеры 20 всасывания до линии H и линии S, или, например, близко к этим линиям (по меньшей мере 10 мм до этих линий).

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается предпочтительными вариантами реализации, представленными в приведенном выше описании в качестве неограничивающих примеров, однако оно также относится к вариантам в досягаемости специалистов в данной области техники.

Кроме того, настоящее изобретение относится к разновидностям варианта реализации, которые будут выявлены специалистами в данной области техники в пределах объема представленной ниже формулы изобретения.

Предлагаемый центробежный ротор (2) содержит втулку (10), имеющую продольную ось (8); впускное отверстие (20) для текучей среды; первый фланец, называемый фланцем (12) выше по потоку и имеющий отверстие (22) вокруг втулки (10); второй фланец, называемый фланцем (14) ниже по потоку, отделенный от первого фланца лопатками (16), тем самым формируя каналы, каждый из которых ограничен первым фланцем (12), вторым фланцем (14) и двумя лопатками (16) и проходит от впускного отверстия (20) для текучей среды к периферийному выпускному отверстию (26); причем около периферийного выпускного отверстия (26) первый фланец (12) имеет вогнутую зону (32), обращенную к каналам, тогда как второй фланец (14) имеет выпуклую зону (34), обращенную к каналам. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ступень сжатия, содержащая осевой диффузор (28), и центробежный ротор (2), содержащий:

- втулку (10), имеющую продольную ось (8),

- впуск (20) для текучей среды,

- первый фланец, расположенный выше по потоку (12) и имеющий отверстие (22) вокруг втулки (10),

- второй фланец (14), отделенный ниже по потоку от указанного первого фланца лопастями (16), тем самым формируя каналы, каждый из которых ограничен первым фланцем (12), вторым фланцем (14) и двумя лопастями (16), проходящими от впуска (20) для текучей среды до периферийного выпуска (26), причем вблизи периферийного выпуска (26) первый фланец (12) имеет вогнутую область (32), обращенную к каналам, тогда как второй фланец (14) имеет выпуклую область (34), обращенную к каналам, при этом поверхность, касательная (36) к вогнутой области первого фланца, на выходе из канала, образует угол между 1° и 45°, предпочтительно между 10° и 30° с радиальной плоскостью, перпендикулярной продольной оси.

2. Ступень сжатия по п. 1, отличающаяся тем, что первый фланец (12) и второй фланец (14) имеют круглую форму вокруг продольной оси.

3. Ступень сжатия по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что поверхность, касательная (36) к выпуклой области (34) второго фланца (14), на выходе из канала, образует угол между 1° и 45° с радиальной плоскостью, перпендикулярной продольной оси (8).

4. Ступень сжатия по п. 3, отличающаяся тем, что поверхность, касательная (36) к выпуклой области (34) второго фланца (14), на выходе из канала, образует угол между 10° и 30° с радиальной плоскостью, перпендикулярной продольной оси (8).

5. Ступень сжатия по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти (16) проходят до периферийной кромки (H, S) наружу от первого фланца (12) и/или второго фланца (14).

6. Ступень сжатия по п. 1, отличающаяся тем, что первый фланец (12) имеет наружную периферийную (S) кромку, смежную с каналами, которая имеет больший диаметр (R_S), чем диаметр (R_H) наружной периферийной кромки (H), смежной с каналами второго фланца (14).

7. Центробежный компрессор, отличающийся тем, что содержит ступень сжатия согласно пп. 1-6.

8. Центробежный насос, отличающийся тем, что содержит ступень сжатия согласно одному из пп. 1-6.