ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЕ РАБОЧЕЕ КОЛЕСО
HIGHLY EFFICIENT CENTRIFUGAL IMPELLER

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Типовые варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к ротационным машинам, таким как, например, компрессоры, и, в частности, к системе для балансировки вращающегося компонента ротационной машины.
[0002] Ротационные машины обычно используются в холодильной технике и турбинных установках. Пример ротационной машины включает центробежный компрессор, имеющий рабочее колесо, прикрепленное к вращающемуся валу. Вращение рабочего колеса увеличивает давление и/или скорость жидкости или газа, протекающих через рабочее колесо. При вращении рабочего колеса может возникать дисбаланс массы из-за, например, отклонения положения рабочего колеса относительно вала ротора, погрешности изготовления во время обработки или тому подобных причин. Например, когда центральная ось массы рабочего колеса смещена относительно центра вращения вала ротора, создается центробежная сила, приводящая к динамическому дисбалансу.
[0003] Чтобы предотвратить или минимизировать этот дисбаланс и любую возникающую в результате вибрацию обычно на осевой торцевой поверхности рабочего колеса предусмотрено множество балансировочных отверстий, имеющих разную глубину, с помощью которых выполняется регулировка баланса. Эти балансировочные отверстия могут быть резьбовыми отверстиями и отдельными вентиляционными отверстиями. Механическое уравновешивание может быть выполнено путем установки грузов во множество резьбовых отверстий, а уравновешивание осевого давления может происходить через проходы, ограниченные вентиляционными отверстиями. Этот механизм механической балансировки используется для выравнивания центра масс рабочего колеса относительно оси вращения вращающегося вала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Описано использование балансировочного груза, устанавливаемого в балансировочном отверстии вращающегося компонента, состоящего из цилиндрического корпуса, имеющего желаемый вес. В части корпуса сформировано отверстие, образующее полый проход, а механизм соединяет цилиндрический корпус с внутренностью балансировочного отверстия.
[0005] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения отверстие выполнено в центре цилиндрического корпуса.
[0006] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения отверстие выполнено рядом с внешним краем цилиндрического корпуса.
[0007] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения механизм содержит множество наружных резьб, сформированных вокруг внешней поверхности цилиндрического корпуса.
[0008] В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, вращающийся компонент ротационной машины содержит ступицу, имеющую переднюю сторону и заднюю сторону. Ступица выполнена с возможностью вращения вокруг оси вращения. Множество балансировочных отверстий проходят от передней стороны до задней стороны ступицы. По меньшей мере один балансировочный груз можно принимать в одном из множества балансировочных отверстий, так что в любом из множества балансировочных отверстий обеспечивается как механическая, так и балансировка осевой нагрузки.
[0009] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество балансировочных отверстий являются по существу идентичными.
[0010] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество балансировочных отверстий расположены по окружности вокруг центральной части ступицы.
[0011] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество балансировочных отверстий расположены на одинаковом расстоянии по окружности вокруг центральной части ступицы.
[0012] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения множество балансировочных отверстий расположены на равном расстоянии радиально относительно оси вращения.
[0013] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения радиальное расстояние множества отверстий изменяется относительно оси вращения.
[0014] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах осуществления, по меньшей мере, один балансировочный груз расположен рядом с первым краем одного из множества балансировочных отверстий.
[0015] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере один балансировочный груз содержит первый балансировочный груз, расположенный рядом с первым краем одного из множества балансировочных отверстий, а второй балансировочный груз расположены рядом со вторым краем одного из множества балансировочных отверстий.
[0016] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере один балансировочный груз имеет полый проход, через который жидкость может перетекать с передней стороны на заднюю сторону ступицы.
[0017] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения полый канал сформирован в центре цилиндрического корпуса.
[0018] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения полый канал выполнен рядом с внешним краем цилиндрического корпуса.
[0019] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения по меньшей мере один балансировочный груз содержит механизм для установки балансировочного груза внутри одного из множества балансировочных отверстий.
[0020] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения механизм содержит множество наружных резьб, сформированных вокруг внешней поверхности цилиндрического корпуса.
[0021] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения вращающийся компонент представляет собой рабочее колесо.
[0022] В дополнение к одному или нескольким элементам, описанным выше, или в качестве альтернативы, в дополнительных вариантах реализации изобретения ротационная машина представляет собой компрессор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0023] Следующие описания никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие. Со ссылкой на прилагаемые фигуры одинаковые элементы нумеруются одинаково:
[0024] на Фиг. 1 проиллюстрирована схема поперечного сечения примера холодильной системы;
[0025] на Фиг. 2 проиллюстрирован вид спереди рабочего колеса компрессора в соответствии с вариантом реализации изобретения;
[0026] на Фиг. 3 проиллюстрировано поперечное сечение рабочего колеса компрессора в соответствии с вариантом реализации изобретения;
[0027] на Фиг. 4А проиллюстрирован вид с торца балансировочного груза, получаемого в балансировочном отверстии рабочего колеса, согласно варианту реализации изобретения;
[0028] на Фиг. 4В проиллюстрирован вид в поперечном разрезе балансировочного груза, получаемого в балансировочном отверстии рабочего колеса согласно варианту реализации изобретения; а также
[0029] на Фиг. 5 проиллюстрировано поперечное сечение рабочего колеса, содержащего балансировочный груз согласно варианту реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0030] Подробное описание одного или нескольких вариантов реализации раскрытого устройства и способа представлено здесь в качестве примера, а не ограничения со ссылкой на фигуры.
[0031] Обращаясь теперь к Фиг. 1, на котором проиллюстрирован пример холодильной системы 20. Холодильная система 20 содержит компрессорный узел 22, конденсатор 24 и испаритель 26, гидравлически связанный для образования контура. Первый трубопровод 28 проходит от соседнего выпускного отверстия 30 испарителя 26 до впускного отверстия 32 компрессорного узла 22. Выпуск 34 узла компрессора 30 соединен трубопроводом 36 с впуском 38 конденсатора 24. В одном варианте реализации изобретения конденсатор 24 содержит первую камеру 40 и вторую камеру 42, доступные только из внутренней части первой камеры 40. Поплавковый клапан 44 во второй камере 42 соединен с впуском 46 испарителя 26 другим трубопроводом 48.
[0032] В зависимости от размера холодильной системы 20 узел компрессора 22 может содержать роторный, винтовой, центробежный или поршневой компрессор для небольших систем или винтовой компрессор или центробежный компрессор для более крупных систем. Типичный узел компрессора 22 содержит корпус 50, имеющий электродвигатель 52 на одном конце и центробежный компрессор 54 на втором, противоположном конце, причем оба соединены между собой трансмиссионным узлом 56. Компрессор 54 содержит рабочее колесо 58 для ускорения паров хладагента до высокой скорости, диффузор 60 для замедления хладагента до низкой скорости в процессе преобразования кинетической энергии в энергию давления и выпускную камеру (не проиллюстрирована) в форме улитки или коллектора для сбора отработанного пара для последующей подачи в конденсатор. Рядом с впуском 32 узла компрессора 22 расположен узел впускных направляющих лопаток 62. Поскольку жидкость, протекающая из испарителя 26 в компрессор 54, должна сначала пройти через узел впускных направляющих лопаток 62 перед входом в рабочее колесо 58, узел впускных направляющих лопаток 62 может использоваться для управления потоком жидкости в компрессор 54.
[0033] Холодильный цикл в холодильной системе 20 может быть описан следующим образом. Компрессор 54 принимает пары хладагента из испарителя 26 и сжимает их до более высокой температуры и давления, при этом относительно горячий пар затем попадает в первую камеру 40 конденсатора 24, где он охлаждается и конденсируется в жидкое состояние под действием теплообменной связи с охлаждающей средой, такой как вода или воздух, например. Поскольку вторая камера 42 имеет более низкое давление, чем первая камера 40, часть жидкого хладагента испаряется, в результате чего охлаждается оставшаяся жидкость. Пары хладагента во второй камере 42 повторно конденсируются благодаря холодной теплообменной среде. Хладагент затем сливается во вторую камеру 42, расположенную между первой камерой 40 и испарителем 26. Поплавковый клапан 44 образует уплотнение для предотвращения попадания паров из второй камеры 42 в испаритель 26.
[0034] Когда жидкий хладагент проходит через поплавковый клапан 44, хладагент расширяется до низкотемпературного двухфазного состояния жидкость/пар, когда он проходит в испаритель 26. Испаритель 26 представляет собой теплообменник, который позволяет тепловой энергии мигрировать из теплообменной среды, такой как, например, вода, в газообразный хладагент. Когда газ возвращается в компрессор 54, хладагент имеет температуру и давление, соответствующие началу холодильного цикла.
[0035] Теперь со ссылкой на Фиг. 2 и 3 пример рабочего колеса, такого как рабочее колесо 58, например, центробежного компрессора 54, проиллюстрировано более подробно. Рабочее колесо 58 содержит ступицу или корпус 70, имеющий переднюю сторону 72 и заднюю сторону 74. Как показано, диаметр передней стороны 72 корпуса 70 обычно увеличивается по направлению к задней стороне 74, так что рабочее колесо 58 обычно имеет коническую форму. Множество лопастей или лопаток 76 проходит наружу на передней стороне 72. В варианте реализации изобретения лопатки 76 ориентированы для выпуска жидкости, проходящей через рабочее колесо 58 под углом выхода. В процессе вращения рабочего колеса 58 жидкость приближается к передней стороне 72 рабочего колеса 58 по существу в осевом направлении и протекает через проходы 78, образованные между соседними лопатками 76, в общем радиальном направлении, ориентированном по существу перпендикулярно оси вращения рабочего колеса 58.
[0036] Множество балансировочных отверстий 80, имеющих заданную осевую глубину, сформированы в центральной части ступицы 70. В варианте реализации изобретения балансировочные отверстия 80 проходят от первого конца 82 до второго противоположного конца 84 корпуса 70. Однако варианты реализации, в которых одно или несколько балансировочных отверстий 80 проходят только через часть осевой глубины ступицы 70, также рассматриваются в данном документе. Кроме того, балансировочные отверстия 80 могут проходить в целом параллельно оси вращения X или, в качестве альтернативы, могут быть расположены под углом к оси вращения, как проиллюстрировано на Фиг. 3.
[0037] Множество балансировочных отверстий 80 может содержать произвольное количество балансировочных отверстий, разнесенных по окружности вокруг ступицы 70. В варианте реализации изобретения каждое из множества балансировочных отверстий 80 равномерно распределено по окружности ступицы 70. Однако варианты реализации, в которых уравновешивающие отверстия 80 расположены неравномерно по окружности ступицы 70, также рассматриваются в данном документе. Кроме того, уравновешивающие отверстия 80 могут быть расположены в одном и том же радиальном положении или в различных радиальных положениях относительно оси X вращения ступицы 70. Например, множество балансировочных отверстий 80 может быть расположено в одном или нескольких рядах или кругах по периферии торцевой поверхности 82 ступицы 70. В проиллюстрированном не ограничивающем варианте реализации изобретения каждый из рядов балансировочных отверстий 80 имеет различный радиус.
[0038] Множество балансировочных отверстий 80 по существу одинаковы и поэтому имеют одинаковый внутренний диаметр. Вся или часть внутренней периферийной поверхности 86 множества балансировочных отверстий 80 может иметь внутреннюю резьбу, сформированную в ней, чтобы обеспечить возможность присоединения к ней балансировочного груза, имеющего комплементарную наружную резьбу. Например, первый конец 88 одного или нескольких из множества балансировочных отверстий 80, расположенных рядом с передней стороной 82 ступицы 70, может содержать внутреннюю резьбу для приема резьбового балансировочного груза. В качестве альтернативы или в дополнение, второй конец 90 одного или нескольких из множества балансировочных отверстий 80, расположенный рядом с задней стороной 74 ступицы 70, может иметь сформированную в нем внутреннюю резьбу.
[0039] Теперь со ссылкой на Фиг. 4А и 4В проиллюстрирован пример балансировочного груза 100, устанавливаемого в части одного из множества балансировочных отверстий 80. Как проиллюстрировано, балансировочный груз 100 имеет в целом цилиндрический корпус 102. Корпус 102 может быть сформирован из любого подходящего материала, имеющего желаемый вес. Балансировочный груз 100 дополнительно содержит отверстие полого прохода 104, через которое может протекать жидкость. В проиллюстрированном не ограничивающем варианте реализации изобретения отверстие или полый канал 104 проходит через центр цилиндрического корпуса 102. Однако варианты реализации изобретения, в которых проход 104 образован в другой части цилиндрического корпуса 102, такой как, например, прилегающей к его внешней периферии, также рассматриваются в рамках объема раскрытия.
[0040] Наружный диаметр балансировочного груза 100 обычно равен внутреннему диаметру множества балансировочных отверстий 80. В одном варианте реализации изобретения множество наружных резьб 106 образованы вокруг внешней поверхности 108 балансировочного груза 100. Резьбы 106 комплементарны и выполнены с возможностью вращательного соединения с множеством внутренних резьб, образованных вокруг внутренней периферийной поверхности 86 любого из множества балансировочных отверстий 80, для соединения балансировочного груза 100 со ступицей рабочего колеса 70 в нужном положении. Следует понимать, что множество резьб 106, проиллюстрированных и описанных в данном документе в отношении установки балансировочного груза 100 внутри балансировочного отверстия 80, рассматриваются только в качестве примера, и что в других вариантах реализации изобретения могут использоваться другие механизмы или крепежные элементы для установки балансировочного груза 100.
[0041] Любое количество балансировочных грузов 100 может быть установлено во множестве балансировочных отверстий 80, сформированных в ступице 70 рабочего колеса, чтобы сбалансировать центр масс ступицы 70 с осью вращения X. В вариантах реализации изобретения, в которых используются несколько балансировочных грузов 100, вес каждого из балансировочных грузов 100, установленных на ступице 70, может варьироваться. Во время вращения рабочего колеса 58, имеющего один или несколько балансировочных грузов 100, установленных внутри одного или нескольких балансировочных отверстий 80, жидкость, всасываемая рабочим колесом 58, будет течь в осевом направлении над передней стороной 72 рабочего колеса 58. Как лучше всего проиллюстрировано на Фиг. 5, полый канал 104 для одного или нескольких балансировочных грузов 100 находится в гидравлической связи с каждым балансировочным отверстием 80, так что жидкость может проходить от задней стороны 74 ступицы к передней стороне 82 через балансировочное отверстие 80 и полый канал 104, сформированный в балансировочном грузе 100.
[0042] Соответственно, ступица рабочего колеса 70, как описано здесь, больше не требует отдельных и различных отверстий для установки грузов и отверстий, которые позволяют жидкости проходить через них. Скорее, одно балансировочное отверстие 80 выполнено с возможностью реализации обеих функций с использованием балансировочного груза 100, который содержит открытый проход 104, когда он установлен внутри балансировочного отверстия 80. Посредством уменьшения общего количества отверстий, образованных в ступице рабочего колеса 70, диаметр ступицы рабочего колеса и соответствующего кожуха может быть уменьшен, тем самым увеличивая эффективность компрессора.
[0043] Термин «примерно» предназначен для включения степени погрешности, связанной с измерением конкретного количества на основе оборудования, доступного на момент подачи заявки.
[0044] Используемая здесь терминология предназначена только для описания конкретных вариантов реализации и не предназначена для ограничения настоящего раскрытия. Используемые в настоящем документе формы единственного числа «а», «an» и «the» предназначены также для включения форм множественного числа, если контекст явно не указывает на иное. Далее будет понятно, что термины «содержит» и/или «содержащий», когда используются в данном описании, определяют наличие заявленных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавление одного или нескольких других признаков, целых чисел, этапов, операций, компонентов элементов и/или их групп.
[0045] Хотя настоящее раскрытие было описано со ссылкой на типовой вариант реализации или варианты реализации изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть сделаны различные изменения и их эквиваленты могут быть заменены без отступления от объема настоящего раскрытия. Кроме того, может быть выполнено много модификаций, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям настоящего раскрытия, не выходя за его существенный объем. Следовательно, предполагается, что настоящее раскрытие не ограничивается конкретным вариантом реализации изобретения, раскрытым в качестве наилучшего режима, предполагаемого для осуществления этого настоящего раскрытия, но что настоящее раскрытие будет включать в себя все варианты реализации, попадающие в объем формулы изобретения.