УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ УЛИТКА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ, ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ УЛИТКУ, И СПОСОБ РАБОТЫ
IMPROVED SCROLL FOR TURBOMACHINE, TURBOMACHINE COMPRISING SUCH SCROLL AND METHOD OF OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предлагаемое изобретение относится к усовершенствованию турбомашин. В частности, предлагаемое изобретение относится к усовершенствованию улиток или спиральных камер для турбомашин, например, для центробежных компрессоров.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Компрессоры используются для различных целей в промышленности, а также в авиационной отрасли.
Обычно компрессор содержит одну ступень или группу последовательно расположенных ступеней, каждая из которых содержит вращающееся рабочее колесо и диффузор. Через рабочее колесо протекает газ, ускоряемый вращением рабочего колеса. В диффузоре происходит преобразование, по меньшей мере частично, кинетической энергии газа в энергию давления. Выходящий из диффузора газ поворачивают во впускное отверстие следующего рабочего колеса. В свою очередь, газ, выходящий из диффузора последнего рабочего колеса, подают в спиральную камеру или улитку, в которой сжатый газ собирают и передают в выпускное отверстие компрессора.
На фиг. 1 показан разрез по оси А-А вращения известного многоступенчатого центробежного компрессора 100. Данный компрессор содержит корпус 101, в котором заключен ротор 103 с возможностью вращения. Ротор 103 содержит вал 105, на котором установлены рабочие колеса 107А-107G. В свою очередь, каждое рабочее колесо 107А-107G объединено с диффузором 109A-109G. Вниз по потоку от каждого диффузора 109A-109F расположены обратные каналы 111A-111F. Каждый обратный канал 111A-111F предназначен для направления частично сжатого газа из расположенного выше по потоку диффузора 109 во впускное отверстие расположенного ниже по потоку рабочего колеса 107.
Газ, выходящий из последнего рабочего колеса 107G и последнего диффузора 109G, собирают в спиральной камере или улитке 113, откуда данный газ подают в выпускное отверстие компрессора (не изображено).
Компрессоры спроектированы для работы в расчетной или околорасчетной точке, в которой достигается максимальная эффективность. При изменении рабочих условий компрессор по-прежнему продолжает работать, например, обрабатывая меньшее или большее количество газа, но общая эффективность компрессора при этом уменьшается. Потеря эффективности при работе на удалении от расчетной точки вызвана различными факторами, частично связанными с изменением векторов скорости газового потока.
В частности, потери возникают также в спиральной камере или улитке 113, если расход газа на выходе из диффузора 109G отличается от расчетного расхода. Газ, выходящий из рабочего колеса 107G, имеет вектор скорости с тангенциальной составляющей и радиальной составляющей. Радиальная составляющая способствует действительному продвижению газа в диффузоре 107G, а тангенциальная составляющая вызывает потери. В спиральной камере или улитке 113 имеет место обратная ситуация, в которой тангенциальная составляющая способствует продвижению газа через улитку к выпускному отверстию, а осевая составляющая способствует вихреобразованию и, как следствие, потерям в потоке.
Таким образом, существует необходимость в усовершенствовании улитки или спиральной камеры турбомашины, например, центробежного компрессора, для снижения зависимости эффективности улитки от рабочих режимов турбомашины и, в частности, для снижения потерь при работе турбомашины на значительном удалении от расчетной точки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом предлагаемое изобретение относится к улитке для использования в компрессоре. Предлагаемая улитка содержит впускное отверстие для текучей среды, предназначенное для приема потока текучей среды, выпускное отверстие для текучей среды, предназначенное для выдачи потока текучей среды, и улиткообразую стенку, ограничивающую внутренний проточный объем. Указанная текучая среда может представлять собой сухой газ или влажный газ, то есть газ, содержащий жидкую фазу, например, в виде капель.
В соответствии с изобретением, улитка содержит по меньшей мере одну лопатку в своем внутреннем проточном объеме. Указанная лопатка выступает из улиткообразной стенки для корректирования направления потока текучей среды в указанном внутреннем объеме при работе улитки в нерасчетных режимах. Предпочтительно лопатка выполнена с обеспечением поддержания постоянного соотношения между осевой составляющей и тангенциальной составляющей скорости текучей среды при изменении расхода или для, по меньшей мере, уменьшения подобных изменений, вызванных изменением расхода. Таким образом, обеспечена меньшая зависимость эффективности улитки от рабочих режимов предлагаемой улитки и, следовательно, компрессора, в котором расположена данная улитка. Как станет очевидно из описания вариантов выполнения изобретения, указанная лопатка корректирует направление потока текучей среды при работе улитки в нерасчетных режимах для снижения, таким образом, отклонения направления скорости в улитке относительно направления скорости при работе в расчетной точке.
Предпочтительно, несколько лопаток расположены вдоль протяженности улитки, так что между ними образовано несколько направляющих каналов. Расположение нескольких лопаток улучшает воздействие лопаток на направление потока текучей среды.
В соответствии с другим аспектом предлагаемое изобретение относится к компрессору, например, к центробежному компрессору, имеющему улитку, снабженную одной или более лопатками, расположенными в данной улитке и образующими направляющие каналы в данной улитке, для снижения негативного воздействия на эффективность улитки, вызванного работой компрессора в нерасчетных режимах.
В соответствии с еще одним аспектом в изобретении раскрыт способ работы компрессора, включающий следующие этапы: создание потока текучей среды по меньшей мере одним вращающимся рабочим колесом, направление указанного потока текучей среды через улитку с использованием по меньшей мере одной лопатки, выступающей из улиткообразной стенки, для изменения направления потока текучей среды в улитке при работе компрессора в нерасчетных режимах с обеспечением уменьшения, таким образом, изменений соотношения между осевой составляющей и тангенциальной составляющей скорости потока, вызванных нерасчетной работой компрессора.
Признаки и варианты выполнения раскрыты в данном документе ниже и дополнительно изложены в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть данного описания. В вышеприведенном кратком описании изложены признаки различных вариантов выполнения изобретения для того, чтобы следующее подробное описание было лучше понято, а также для того, чтобы данный вклад в существующий уровень техники был лучше оценен. Существуют, конечно, другие признаки предлагаемого изобретения, описанные далее в данном документе и изложенные в формуле изобретения. В этом отношении, до того, как будет подробно раскрыт ряд вариантов выполнения изобретения, подразумевается, что различные варианты выполнения предлагаемого изобретения не ограничены подробностями конструкции и схемами расположения компонентов, изложенными в следующем описании или изображенными на чертежах. Для предлагаемого изобретения возможны другие варианты выполнения, другое практическое использование и осуществление различными путями. Также подразумевается, что фразеология и терминология используется в данном документе с целью описания и не должна рассматриваться как ограничительная.
По существу, для специалистов в данной области техники очевидно, что замысел, на котором основано предлагаемое изобретение, может быть легко использован в качестве основы для проектирования других конструкций, способов и/или систем для реализации ряда целей изобретения. Таким образом, важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как содержащая подобные эквивалентные конструкции при условии, что данные конструкции не выходят за рамки объема или сущности изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание раскрытых вариантов выполнения изобретения и его многочисленные сопутствующие преимущества легко получить, если указанные преимущества станут лучше понятны со ссылкой на следующее подробное описание, рассмотренное в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
На фиг. 1 изображен разрез известного многоступенчатого центробежного компрессора;
На фиг. 2 изображен разрез центробежного многоступенчатого компрессора, варианты выполнения которого описаны в данном описании;
На фиг. 2A изображен увеличенный вид спиральной камеры или улитки компрессора, показанного на фиг. 2;
На фиг. 3 и 4 схематично изображены два схематичных разреза альтернативных вариантов выполнения предлагаемой улитки;
На фиг. 5 изображена частичная аксонометрическая проекция участка предлагаемой улитки;
На фиг. 6 схематично изображен участок улитки с направляющими каналами с проиллюстрированными различными режимами потока в направляющих каналах и вокруг лопаток, образующих эти каналы;
На фиг. 7A, 7B и 7C изображены виды и фрагменты улитки с расположениями направляющих лопаток в соответствии с изобретением;
На фиг. 8 и 9 изображена зависимость коэффициента потерь улитки от угла потока во впускном отверстии диффузора последней компрессорной ступени с направляющими лопатками в улитке и без лопаток.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В следующем подробном описании предпочтительных вариантов выполнения изобретения ссылка сделана на прилагаемые чертежи. На разных чертежах одинаковые цифровые обозначения обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме этого, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме этого, следующее подробное описание не ограничивает предлагаемое изобретение. Напротив, объем правовой защиты изобретения определен формулой изобретения.
Во всем описании ссылка на "один вариант выполнения" или "вариант выполнения" или на "некоторые варианты выполнения" означает, что отдельный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с каким-либо вариантом выполнения, содержится в, по меньшей мере, одном варианте выполнения предлагаемого изобретения. Таким образом, фраза "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" или "в некоторых вариантах выполнения" в соответствующих местах во всем описании не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (вариантам). Кроме этого, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.
На фиг. 2 схематично показан разрез по оси А-А вращения многоступенчатого центробежного компрессора 10, варианты выполнения которого описаны в предлагаемом изобретении. Данный компрессор содержит корпус 1, в котором расположен ротор 3 с возможностью вращения. Ротор 3 содержит вал 5, на котором установлены рабочие колеса 7A-7G. В свою очередь, каждое рабочее колесо 7А-7G объединено с диффузором 9A-9G. Вниз по потоку от каждого диффузора 9A-9F расположены обратные каналы 11A-11F. Каждый обратный канал 11A-11F выполнен для направления частично сжатого газа из расположенного выше по потоку диффузора 9 во впускное отверстие расположенного ниже по потоку рабочего колеса 7.
Газ, выходящий из последнего рабочего колеса 7G и последнего диффузора 9G, собирается в спиральной камере или улитке 13, откуда его подают в выпускное отверстие компрессора (не изображено).
В соответствии с предлагаемым изобретением для повышения эффективности улитки в нерасчетных рабочих режимах в улитке имеется по меньшей мере одна лопатка, расположенная и выполненная для снижения потерь вследствие изменений направления потока, вызванных варьируемым расходом через компрессор.
В соответствии с изображением компрессора на фиг. 2, в особенно предпочтительных вариантах выполнения улитка или спиральная камера 13 содержит группу лопаток 15. Данные лопатки 15 могут быть расположены с постоянным шагом. В соответствии с другими вариантами выполнения шаг лопаток может быть варьируем на протяженности улитки. Между собой лопатки 15 образуют направляющие каналы.
В ряде вариантов выполнения улитка 13 имеет впускное отверстие 17 для текучей среды (как изображено, в частности, на фиг. 2А, 3 и 4), проточно сообщающееся с диффузором 9G последней компрессорной ступени. Кроме этого, улитка 13 может дополнительно содержать улиткообразную стенку 19, ограничивающую внутренний проточный объем 21, в котором из улиткообразной стенки 19 выступают лопатки 15. Как наилучшим образом изображено на схематичном виде на фиг. 7B и 7C, внутренний объем 21 улитки 13 имеет постепенно увеличивающееся поперечное сечение для помещения увеличивающегося количества газа, поступающего в улитку из впускного отверстия 17. В других, не изображенных вариантах выполнения изобретения поперечное сечение улитки может оставаться постоянным. Внутренний объем 21 проточно сообщается с выпускным отверстием 23 для текучей среды, переходящим в выпускное отверстие компрессора или газовыпускной патрубок (не изображен).
В ряде вариантов выполнения изобретения, как показано на фиг. 7A, лопатки 15 проходят от входной кромки 15L до выходной кромки 15Т. Входная кромка 15L расположена вблизи впускного отверстия 17 для потока, а выходная кромка 15Т расположена на удалении от данного отверстия. В ряде вариантов выполнения изобретения лопатки 15 расположены вдоль участка улиткообразной стенки 19, размещенного на самой удаленной от центра в радиальном направлении зоне стенки 19, то есть на удалении от оси А-А вращения ротора 3 компрессора.
В предпочтительных вариантах выполнения лопатки 15 наклонены относительно осевого направления и тангенциального направления, которые схематично представлены стрелками A и T соответственно (фиг. 6, 7A). R обозначает радиальное направление.
Наклон лопаток 15 будет понят лучше при рассмотрении фиг. 6 и 7A. В ряде вариантов выполнения профильная средняя линия лопаток 15 образует угол α1 с тангенциальным направлением Т на входной кромке, то есть на первой кромке, на которую наталкивается газовый поток, протекающий в улитке 13. Лопатка 15 или ее профильная средняя линия образует с тангенциальным направлением T угол α2 на выходной кромке 15Т лопатки 15. Угол α2 обычно отличается от угла α1 и предпочтительно меньше, чем угол α1.
В других вариантах выполнения лопатки 15 могут быть прямолинейными, и в этом случае они образуют одинаковый угол с тангенциальным направлением Т как на выходной кромке, так и на входной кромке.
Как можно видеть на фиг. 3 и 4, лопатки 15 могут быть предназначены для различных конструкций улитки. На фиг. 3 изображена внутренняя улитка, а на фиг. 4 - внешняя улитка. В обоих случаях лопатки 15 расположены вдоль самого удаленного от оси в радиальном направлении участка стенки 19, проходящего от входной кромки 15L по соседству с впускным отверстием 17 или вблизи него к выходной кромке 15Т еще дальше от впускного отверстия 17.
В ряде вариантов выполнения, как изображено, например на фиг. 6, лопатки 15 могут иметь переменную толщину вдоль своей протяженности от входной кромки до выходной кромки. В других вариантах выполнения толщина лопаток 15 может быть постоянной вдоль всей их протяженности.
На фиг. 6 графически проиллюстрирована функция и эффективность лопаток 15, расположенных вдоль тангенциальной протяженности улитки 13. Функция лопаток 15 состоит в поддержании постоянного отношения между осевой и тангенциальной составляющими скорости газа во впускном отверстии улитки в любом рабочем режиме (или по меньшей мере в частичном снижении изменений этого отношения). В результате снижены потери вследствие изменения направления потока относительно расчетной точки при работе компрессора в нерасчетных режимах, например, с более высоким или более низким расходом.
На фиг. 6 изображены три лопатки 15 и соответствующие направляющие каналы, образованные между ними. Каждая лопатка 15 окружена линиями FL, представляющими поток текучей среды, поступающий в улитку 13 во впускном отверстии 17. Промежуточная лопатка 15 показана в расчетном режиме потока, то есть при работе компрессора в расчетном режиме, и расход соответствует расчетному расходу компрессора. Поток текучей среды, выходящий из диффузора 9G, имеет скорость с радиальной составляющей и тангенциальной составляющей. При поступлении в улитку 13 происходит отклонение потока текучей среды во внутренний объем 21 таким образом, что этот поток имеет скорость с тангенциальной составляющей и осевой составляющей. Тангенциальная составляющая скорости текучей среды в диффузоре не способствует подаче потока, а радиальная составляющая способствует продвижению газа через компрессор.
В спиральной камере или улитке 13, наоборот, тангенциальная составляющая скорости текучей среды способствует продвижению потока текучей среды по внутреннему объему 21 к выпускному отверстию 23 улитки 13.
Компрессор спроектирован таким образом, что при расчетных рабочих режимах улитка 13 точно совпадает с направлением потока, схематично представленным линией FL, относительно тангенциального направления Т, что в результате обеспечивает минимум потерь в улитке 13.
В ряде вариантов выполнения, если лопатки 15 имеют несимметричный аэродинамический профиль, то они способствуют отклонению потока, поступающего в спиральную камеру или улитку 13, таким образом, что происходит увеличение тангенциальной составляющей скорости потока относительно расчетной точки. В ряде вариантов выполнения лопатки могут иметь такую форму, что они не обеспечивают какое-либо отклонение при работе компрессора в расчетной точке.
При работе компрессора в нерасчетных режимах с расходом, более высоким, чем расчетный расход, тангенциальная составляющая скорости текучей среды уменьшена, а радиальная составляющая скорости текучей среды в диффузоре и, как следствие, осевая составляющая скорости текучей среды в впускном отверстии спиральной камеры или улитки 13 увеличиваются. Данный режим с большим расходом представлен справа на фиг. 6, причем линии FL, представляющие течение потока текучей среды, ориентированы в осевом направлении больше, чем в расчетных режимах. При этом, как схематично изображено справа на фиг. 6, наличие лопаток 15 вызывает отклонение потока, поступающего во внутренний объем 21 улитки 13, таким образом, что поток, выходящий из каналов между лопатками 15, направлен по существу в том же направлении, то есть с той же ориентацией скоростей, что и в расчетных режимах.
При работе компрессора с расходом, более низким относительно расчетных режимов, поток текучей среды, поступающий в улитку 13, имеет более высокую тангенциальную составляющую скорости, чем в расчетных режимах. Режим с малым расходом схематично представлен слева на фиг. 6.
В рассматриваемом случае лопатки 15 также отклоняют входящий поток текучей среды таким образом, что на выходной кромке лопаток 15 скорость текучей среды направлена по существу в том же направлении, что и в расчетных режимах потока.
При сравнении трех режимов потока, схематично представленных на фиг. 6, можно понять, что наличие лопаток 15, распределенных вдоль тангенциальной протяженности улитки 13, уменьшает изменение в направлении скорости текучей среды, когда рабочий режим компрессора изменяется и становится отличным от расчетных режимов потока.
В результате обеспечено снижение потерь потока вследствие возрастания расхода свыше расчетного расхода или уменьшения расхода ниже расчетного расхода соответственно.
Числовые модели потерь потока в различных центробежных компрессорах при варьируемых режимах расхода показаны на фиг. 8 и 9 с использованием и без использования лопаток, описанных выше. На фиг. 8 изображен первый график, на котором угол потока во впускном отверстии диффузора в последней компрессорной ступени отложен по горизонтальной оси. По вертикальной оси отложен коэффициент потерь. Кривые C1 и C2 представляют коэффициент потерь в зависимости от угла потока во выпускном отверстии диффузора соответственно без лопаток 15 и с лопатками 15. Угол α0 представляет собой угол потока во впускном отверстии диффузора в расчетных режимах. Значения угла потока и коэффициента потерь, отложенные по осям X и Y данного графика, относятся к примерным вариантам выполнения и не должны рассматриваться как ограничивающие объем правовой охраны изобретения.
Коэффициент потерь минимизирован при работе компрессора с углом α0 потока. Кривая С1 показывает крутое возрастание коэффициента потерь при отклонении рабочих режимов от расчетного угла α0 потока как к более низкому, так и более высокому значению угла потока.
Кривая С2 показывает аналогичный характер, но с менее крутым возрастанием коэффициента потерь при отклонении от режима расчетного угла α0 потока к более низкому или более высокому значению угла потока соответственно. Минимальный коэффициент потерь при расчетных условиях (α0) для кривой C2 несколько выше, что учитывает тот факт, что лопатки 15 вводят определенную величину потерь на трение в улитке 13, которые отсутствуют, если лопатки 15 не используются. Однако, при отклонении рабочих режимов от расчетных к более высокому расходу или к более низкому расходу преимущество лопаток, перенаправляющих поток в улитке 13, превосходит недостаток, вызванный более высоким трением, и, таким образом, снижает коэффициент потерь.
На модели с фиг. 9 показана аналогичная ситуация, в которой минимальный коэффициент потерь получен без лопаток 15 с углом α0 потока в впускном отверстии диффузора. Резкое возрастание коэффициента потерь вызвано сразу при отклонении режимов потока от расчетных режимов α0 (кривая C1). И наоборот, при использовании лопаток 15 (кривая C2) коэффициент потерь поддерживается при существенно более низких значениях при работе на удалении от расчетных режимов. Вблизи расчетных режимов малое и почти пренебрежимое возрастание коэффициента потерь также вызвано появлением трения на поверхности лопаток 15.
В раскрытых выше вариантах выполнения лопатки 15 выполнены неподвижными относительно улитки. В других вариантах выполнения одна, несколько или все лопатки 15 могут быть выполнены с возможностью перемещения. Так, в ряде вариантов выполнения лопатки 15 могут быть шарнирно закреплены на улитке с обеспечением возможности регулирования их наклона, например, в зависимости от расхода.
Раскрытые варианты выполнения описанного в данном документе изобретения изображены на чертежах и полностью описаны выше, со спецификой и подробностями, в связи с рядом предпочтительных вариантов выполнения. Тем не менее, для специалистов средней квалификации очевидно, что возможны многочисленные модификации, изменения и допущения без существенного отклонения от идей новизны, принципов и замыслов, изложенных в данном документе, а также от преимуществ объекта изобретения, указанного в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, правильный объем раскрытых инноваций должен быть определен только путем самого широкого толкования прилагаемой формулы изобретения так, чтобы охватывать все подобные модификации, изменения и допущения. Кроме этого, различные признаки, структуры и технические средства из различных вариантов выполнения изобретения могут быть скомбинированы друг с другом различным образом.