КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области устройств для динамического сжатия больших объемов газов и может применено в металлургии для нагнетания кислорода в конверторы, в нефтехимии на установках каталитического крекинга, на газоперекачивающих станциях магистральных трубопроводов при транспортировке природного газа.
Известно устройство, содержащее неподвижный корпус с торцевыми и радиальными лабиринтными уплотнениями, входные направляющие лопатки диагональной ступени сжатия, лопаточное рабочее колесо диагональной ступени предварительного центробежно-осевого сжатия, выходные направляющие лопатки диагональной ступени сжатия, основную осевую ступень сжатия, выходные направляющие лопатки осевой ступени сжатия, привод диагональной и осевой ступеней сжатия (см. описание турбореактивного двигателя Хейнкель-Хирт HeS-011 http://lib.rus.ec/b/463854/read).
Недостатки известного устройства:
1. Большие потери мощности привода на трение сжимаемого потока газа на лопатках осевой ступени сжатия.
2. Большие потери мощности привода на многократный разрыв сжимаемого потока газа при движении его на лопатках осевой ступени сжатия.
3. Потери давления сжимаемого газа в радиальных зазорах между вращающимися лопатками осевой ступени и неподвижным корпусом.
Указанные недостатки устранены в заявляемой конструкции, которая направлена на решение задачи снижения потерь мощности и давления на сжатие газа. Задача решается путем применения принципа вихревого объемного динамического сжатия за счет центростремительного, а затем центробежного ускорения газа при движении его по спиралевидному непрерывно вращающемуся каналу с сужающимся поперечным сечением и с закруткой части объема сжимаемого газа по спирали Архимеда в периферийные основные и дополнительные вихри.
Конструкция заявляемого устройства показана на фиг. 1-3, где позициями обозначены следующие элементы:
1 - неподвижный корпус с торцевыми и радиальными лабиринтными уплотнениями, 2 - входные направляющие лопатки диагональной ступени сжатия, 3 - лопаточное рабочее колесо диагональной ступени предварительного центробежно-осевого сжатия, 4 - вал диагональной ступени сжатия, 5 - выходные направляющие лопатки диагональной ступени сжатия, 6 - спирально геликоидные каналы основной осевой ступени сжатия, 7 - ротор осевой ступени сжатия, 8 - выходные направляющие лопатки осевой ступени сжатия, 9 - привод осевой ступени сжатия, 10 - привод диагональной ступени сжатия, 11 - основной выступ геликоидного канала, 12 - дополнительные выступы геликоидного канала, 13 - направление вращения основного периферийного вихря, 14 - направление вращения дополнительного периферийного вихря, 15 - направление закрутки геликоидных каналов по гиперболической поверхности, 16 - гиперболическая поверхность, 17 - направление вращения ротора осевой ступени.
На фиг. 1 показан продольный разрез проточной части заявляемого устройства. Подшипники, лабиринтные торцевые и радиальные уплотнения, симметричные элементы устройства, крепления валов и приводов, технологические элементы сборки ротора спирально геликоидных каналов позициями на фиг. 1 не обозначены.
На фиг. 2 показано в увеличенном масштабе поперечное сечение спирального геликоидального канала осевой ступени сжатия с направлениями крутки периферийных вихрей пристенных объемов сжимаемого газа.
На фиг. 3 показано расположение входных участков спирально геликоидальных каналов, направления вращения ротора спирально осевой ступени и направления закрутки спирально геликоидных каналов по гиперболической поверхности. Направление вращения вала диагональной ступени 4 совпадает с направлением вращения ротора осевой ступени. Частоты их вращения от приводов 9 и 10 различны.
Назначение и взаимодействие элементов следующее.
Неподвижный корпус 1 с торцевыми и радиальными лабиринтными уплотнениями служит для крепления всех подвижных и неподвижных элементов проточной части. Неподвижные входные направляющие лопатки 2 служат для предварительного направления всасываемого потока газа на лопаточное диагональное рабочее колесо 3, которое при вращении за счет центробежно-осевых сил производит предварительное сжатие газа при кинетическом движении его в межлопаточных каналах рабочего колеса (лопатки диагонального рабочего колеса и покрывной диск на фиг. 1 позициями не обозначены).
Вал 4 диагональной ступени служит для передачи механической вращательной энергии от привода 10 рабочему колесу 3. Неподвижные выходные направляющие лопатки 5 диагональной ступени служат для подготовки предварительно сжатого газа к всасыванию спирально геликоидными каналами 6 под оптимальным углом.
Каналы 6 (фиг. 1, 3) служат для динамического сжатия газа вначале за счет центростремительных сил, затем за счет центробежных сил. При работе заявляемого устройства каналы 6 вращаются по общей оси при помощи привода 9, соединенного с ротором 7. В поперечном сечении форма каналов по всей длине является геликоидом. Эти каналы являются сужающимися в поперечном сечении по всей длине и выполнены в продольном направлении как сверления сложной геликоидальной формы в роторе 7 по спирали в количестве от 6 до 24 штук в зависимости от требуемой производительности и давления осевой ступени сжатия. По сравнению с известным устройством, в котором осевая ступень сжатия образуется межлопаточным каналом и имеются потери мощности и давления на перетекание сжимаемого газа и разрывы потока между лопатками, в заявляемом устройстве эти потери устраняются за счет замкнутой в поперечном сечении формы геликоидных каналов.
Каналы 6 расположены по окружности вокруг общей оси и одновременно закручены в зависимости от типа сжимаемого газа, его давления и расхода на 2,6…4,2 оборота на всей длине по гиперболической поверхности 16, которая вначале на участке 0,5…0,85 от всей осевой длины гиперболической поверхности 16 сужается в 1,5…2 раза по отношению к ее начальному диаметру, затем на оставшейся длине расширяется в 3,5…4,8 раза по отношению к диаметру сужения. Закрутка выполняется для дополнительного ускорения движения газа за счет вихревого эффекта.
Сужение геликоидального канала вначале в 1,5…2 раза на участке 0,5…0,85 от всей осевой длины ротора необходимо для выделения в канале высокоскоростного потока, который на втором гиперболическом участке преобразуется за счет центробежного ускорения в высокое динамическое давление сжимаемого газа.
Форма геликоида канала 6 имеет соотношение малой и большой осей 0,47…0,75 и имеет внутренний плавный выступ 11 (фиг. 2) по геометрической поверхности второго порядка с узкого конца геликоида.
Внутренний плавный выступ 11 вторично закручен вокруг продольной оси геликоида с шагом 0,4…0,6 от шага первичной закрутки самого геликоида 6 вокруг гиперболической поверхности 16.
Вторичная закрутка выступа 11 выполнена в противоположную сторону первичной закрутке самого геликоида. Назначение выступа 11 создать из части сжимаемого газа непрерывно вращающийся пристенный периферийный вихрь 13 (см. фиг. 2), который выполняет роль газового подшипника по отношению к центральному основному динамическому потоку и тем самым устраняются потери мощности привода 9 на трение сжимаемого газа о стенки геликоидального канала 6.
С расширенного конца по внутренней поверхности геликоида (см. фиг. 2) в зависимости от состава сжимаемого газа имеется от 3 до 6 небольших плавных выступов 12 для третичной закрутки части сжимаемого газа для создания дополнительного периферийного вихря 14.
Выступы 12 закручены вокруг продольной оси геликоида с шагом 0,2…0,5 от шага вторичной закрутки, причем третичная закрутка выполнена в противоположную сторону вторичной закрутке внутреннего выступа 11.
Назначение третичной закрутки выступов получить из части сжимаемого газа третий дополнительный периферийный вихрь 14, который является газовым подшипником для основного периферийного вихря 13 и за счет этого уменьшить потери механической энергии привода 9 на трение основного потока сжимаемого газа. При наличии третичного дополнительного периферийный вихря 14 во вторичном вихре 13 устраняются потери на трение вихря 13 от стенки геликоида 6.
Направление вращения 17 ротора 7 осевой ступени (см. фиг. 3) от привода 9 является противоположным направлению первичной закрутки 15 (см. фиг. 3) каждого из геликоидных каналов 6. Этим самым достигается дополнительное динамическое сжатие объемов газа по геликоидальному каналу 6 и уменьшается удельный расход мощности на сжатие газа по сравнению с известным устройством.
Площадь поперечного проходного сечения геликоида на первом участке закрутки геликоидных каналов по гиперболической поверхности 16 уменьшается до 0,3…0,5 от первоначальной площади поперечного проходного сечения с сохранением первоначального соотношения малой и большой осей и с сохранением пропорций внутреннего основного 11 и дополнительных 12 плавных выступов и направлений их закрутки при плавном увеличении шага первичной навивки 15 геликоидов в 1,5 раза.
На втором участке закрутки геликоидных каналов 6 по возрастающему диаметру гиперболической поверхности 16 площади поперечного проходного сечения геликоида уменьшаются до 0,15…0,3 от первоначальной площади поперечного проходного сечения геликоида при одновременном плавном увеличении шага закрутки геликоида в 3…4 раза (см. фиг. 1).
Это необходимо для спрямления потока сжимаемого газа и возрастания центробежного ускорения и придания тангенциального условия выхода высокоскоростной основной струи сжимаемого газа.
Ротор 7 (см. фиг. 1) служит для передачи вращательного движения от привода 9. Изображение ротора 7 (см. фиг. 1) условное, так как в реальных условиях исполнения ротор представляет собой набор стянутых между собой пустотелых дисков, в которых литейным способом и последующим прецезионным фрезерованием, шлифованием и многократной притиркой выполнены по окружности спиральные геликоидные каналы 6 по всей длине ротора 7.
Ротор 7, также как и вал 4 установлены в подшипниках качения, которые на фиг. 1 не показаны.
Выходные направляющие лопатки осевой ступени сжатия 8 служат для превращения динамического давления высокоскоростной струи газа после геликоидных каналов 6 в статическое давление, а также служат для спрямления выходной струи газа после геликоидных каналов 6.
Приводы 9, 10 могут быть паротурбинными, газотурбинными, электрическими, механическими от двигателей внутреннего сгорания и изображение их на фиг. 1 условное. Частоты вращения приводов 9, 10 различные и по величине зависят от состава сжимаемого газа.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Запуск устройства производится от приводов 9, 10 при закрытых вентилях (на фиг. 1-3 не показаны) на трубопроводах всасывания и нагнетания и открытом байпасе (на фиг. 1-3 не показан). Байпас служит для сбрасывания давления нагнетания на всасывание во входной направляющий аппарат 2. На низких частотах вращения вначале приводится во вращение ротор 7, затем при наборе числа частоты вращения приводится во вращение вал 4 диагональной ступени сжатия. При наборе числа оборотов открываются всасывающий и нагнетательный клапаны и закрывается байпас.