ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ КОМПРЕССОРЫ СО ВСТРОЕННЫМ ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
CENTRIFUGAL COMPRESSORS WITH INTEGRATED INTERCOOLING

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом относится к центробежным компрессорам. Более конкретно, изобретение относится к центробежным компрессорам с внутренним охлаждением для повышения КПД компрессора.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Известно применение компрессоров в некоторых промышленных областях в качестве машин, основная функция которых заключается в повышении давления газа. Газ, пропускаемый через компрессор, подвергается воздействию не только повышенного давления, но и повышенной температуры, за счет тепла, образующегося в газе при применении механической работы для сжатия газа. Следовательно, температура газа на стороне выпуска значительно выше, чем на стороне всасывания компрессора. Это, в частности, происходит, если компрессор представляет собой многоступенчатый компрессор, содержащий несколько последовательно расположенных рабочих колес, каждое из которых имеет соответствующий диффузор и возвратный канал. Использование многоступенчатого компрессора обеспечивает высокую степень сжатия, что связано с повышением температуры.
Из-за повышения температуры, для сжатия газа необходимо большое количество энергии. Чтобы уменьшить мощность, необходимую для достижения заданной степени сжатия, известно размещение так называемых промежуточных охладителей или промежуточных холодильников между одной ступенью сжатия и последующей. Промежуточное охлаждение снижает плотность газа и его температуру, отводя тепло от газа, доставляемого одной ступенью компрессора, перед подачей газа в его последующую ступень.
Использование одного или нескольких промежуточных устройств охлаждения повышает общий КПД компрессора. Однако охладители представляют собой сложные и громоздкие устройства, увеличивающие площадь и общий размер компрессора и его стоимость.
Кроме того, при использовании охладителей необходимо выполнить размещение сложных трубопроводов таким образом, чтобы газ, вытекающий из ступени компрессора через промежуточный охладитель, снова направлялся во вход последующей ступени компрессора.
В последнее время были предприняты усилия для разработки центробежных компрессоров с так называемым внутренним охлаждением, которые являются более простыми и более эффективными. На Фиг. 1А и 1В изображен известный центробежный компрессор с внутренним охлаждением существующего уровня техники.
В частности, на Фиг. 1А показан схематический вид в разрезе двух последовательно расположенных ступеней 101, 102 центробежного компрессора 100 с внутренним охлаждением существующего уровня техники, а на Фиг. 1В показан увеличенный вид возвратного канала и диффузор одной из ступеней 101, 102 компрессора. Как показано на Фиг. 1А и 1В, компрессор 100 содержит вал 105, установленный с возможностью вращения в корпусе 107. Рабочие колеса 108, 109 установлены на валу 105 с возможностью вращения. Диффузор 110 расположен на выходе рабочего колеса 108 и проточно соединен с соответствующим возвратным каналом 111. Возвратный канал 111 имеет лопатки или лопасти 112, соединяющие внутреннюю часть 113 диафрагмы с наружной частью 114 диафрагмы. Возвратный канал 111 проточно соединен со входом второго рабочего колеса 109. Диффузор 115 проточно соединен с выходом второго рабочего колеса 109 и со вторым возвратным каналом 117, которой также может иметь лопатки 119, соединяющие соответствующую внутреннюю часть 120 диафрагмы с наружной частью 114 диафрагмы.
Газ, поступающий к первому рабочему колесу 180, ускоряется благодаря вращению рабочего колеса, а затем замедляет свое движение в диффузоре 110, в результате чего по меньшей мере часть кинетической энергии, сообщаемой газу при вращении рабочего колеса, преобразуется в энергию давления. Частично сжатый газ поступает обратно через возвратный канал 111 ко второму рабочему колесу 109 для дальнейшего ускорения. В диффузоре 115 ускоренный поток газа, направляемый вторым рабочим колесом 109, снова замедляет движение, при этом кинетическая энергия частично преобразуется в энергию давления, и газ возвращается через возвратный канал 119 в последующую ступень компрессора ниже по потоку, которая не показана.
В целях повышения КПД компрессора, охлаждающий канал 123 соединен с первой ступенью 101 компрессора, а второй охлаждающий канал 124 соединен со второй ступенью 102 компрессора. Как показано на виде в увеличенном масштабе на Фиг. 1 В, в соответствии с текущим состоянием в уровне техники, канал 123, а также канал 124 содержат несколько труб, проходящих от наружной части диафрагмы через лопатки 112 возвратного канала во внутреннюю часть 113 диафрагмы и обратно в направлении к наружной части диафрагмы. Охлаждающая среда, например, жидкость или газ, или двухфазная текучая среда, таким образом, циркулирует по внутренней части 113 диафрагмы и лопаток 112, 119 для отвода тепла.
Известные системы отвода тепла, встроенные в известные центробежные компрессоры, не обладают эффективным КПД. В соответствии с известными вариантами выполнения, поверхность теплообмена между пропущенным газом и охлаждающей средой
Таким образом, существует необходимость в создании более эффективных охлаждающих установок для повышения КПД центробежных компрессоров с внутренним охлаждением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, предложен центробежный компрессор с внутренним охлаждением, содержащий корпус, по меньшей мере верхнее по потоку рабочее колесо и нижнее по потоку рабочее колесо, последовательно расположенные с возможностью вращения в корпусе, и неподвижную диафрагму, расположенную в корпусе и состоящую из внутренней части и наружной части. Компрессор может также содержать диффузор, расположенный выше по потоку, проточно соединенный с выходом верхнего по потоку рабочего колеса. Возвратный канал может быть проточно соединен с верхним по потоку диффузором и со входом нижнего по потоку рабочего колеса. Возвратный канал может иметь несколько лопаток, соединяющих внутреннюю часть диафрагмы с наружной частью диафрагмы. Нижний по потоку диффузор также проточно соединен с выходом нижнего по потоку рабочего колеса.
В соответствии с вариантами выполнения, раскрытыми в данном документе, во внутренней части диффузора имеется первый канал для охлаждающей среды, который проходит вокруг первого внутреннего элемента, расположенного во внутренней части диафрагмы. Первый канал для охлаждающей среды преимущественно находится в состоянии теплообмена с верхним по потоку диффузором и с возвратным каналом. Между наружной поверхностью внутренней части диафрагмы и первым внутренним элементом, расположенным в ней, сформирован узкий канал или проход для текучей среды, в котором принудительно циркулирует охлаждающая среда. Вследствие небольшого размера поперечного сечения прохода, охлаждающая среда движется с большой скоростью при теплообменном контакте с внутренней поверхностью периферийной стенки, образованной внутренней частью диафрагмы, окружающей первый внутренний элемент. Большая скорость охлаждающей среды улучшает теплоотвод конвекцией от газа, контактирующего с наружной поверхностью указанной периферийной стенки.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, в наружной части диафрагмы расположены второй и третий каналы для охлаждающей среды, разделенные вторым внутренним элементом, расположенным в наружной части диафрагмы. Второй и третий каналы для охлаждающей среды находятся в состоянии теплообмена с возвратным каналом и нижним по потоку диффузором, в результате чего охлаждающая среда, циркулирующая через второй и третий каналы для охлаждающей среды, отводит тепло конвекцией от газа через стенки наружной части диафрагмы, окружающие второй внутренний элемент. Второй и третий каналы для охлаждающей среды могут быть выполнены в виде узких проходов, в которых охлаждающая среда циркулирует с большой скоростью, улучшая, тем самым теплоотвод принудительной конвекцией.
Признаки и варианты выполнения, раскрытые ниже, также изложены в прилагаемых пунктах формулы изобретения, которые образуют неотъемлемую часть представленного описания. В приведенной выше сущности изобретения признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения изложены для лучшего понимания последующего подробного описания и для лучшей оценки вклада изобретения в область техники. Несомненно, имеются и другие признаки изобретения, которые описаны ниже и которые изложены в прилагаемых пунктах формулы изобретения. При этом, перед подробным объяснением некоторых вариантов выполнения изобретения должно быть понятно, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены относительно их применения деталями конструкции и расположениями составных частей, изложенными ниже в описании или изображенными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения, а также его применение и осуществление различными путями. Также должно быть понятно, что использованные здесь формулировки и терминология служат для целей описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.
Таким образом, специалисту должно быть понятно, что идея, на которой основано изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для достижения нескольких целей представленного изобретения. Таким образом, важно, чтобы пункты формулы изобретения расценивались как включающие такие эквивалентные конструкции, пока они не отходят от сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полная оценка изобретения и его сопутствующих преимуществ будет легко получена при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием, рассматриваемым в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1А и 1В изображают часть многоступенчатого центробежного компрессора со встроенным промежуточным охлаждением, в соответствии с существующим уровнем техники;
Фиг. 2 изображает схематический вид в разрезе иллюстративного многоступенчатого центробежного компрессора, в котором может быть воплощено изобретение, раскрытое в настоящем документе;
Фиг. 3 и 4 изображают неполные виды в разрезе двух вариантов выполнения центробежных компрессоров со встроенным промежуточным охлаждением, выполненных в соответствии с вариантами выполнения изобретения, раскрытыми в настоящем документе;
Фиг. 5 изображает неполный вид в аксонометрии наружной части диафрагмы компрессора, изображенного на Фиг. 3, с удаленными частями;
Фиг. 6 изображает неполный вид в аксонометрии лопаток возвратного канала компрессора, изображенного на Фиг. 3; и
Фиг. 7 и 8 изображают неполные виды в аксонометрии внутреннего элемента одной из внутренних частей диафрагмы компрессора, изображенного на Фиг. 3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеприведенное подробное описание иллюстративных вариантов выполнения дано со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одни и те же номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, данные чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Кроме того, нижеприведенное подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, объем изобретения определяется приложенными пунктами формулы изобретения.
Встречающиеся по всему описанию изобретения ссылки на «один из вариантов», «вариант», «некоторые варианты» означают, что конкретный признак, конструкция или свойство, описанные в отношении какого-либо варианта выполнения изобретения, включен по меньшей мере в один из вариантов выполнения раскрытого изобретения. Следовательно, фразы «в одном варианте выполнения», «в варианте выполнения», «в некоторых вариантах выполнения», встречающиеся по всему описанию изобретения, могут не относиться к одному и тому же варианту(ам) выполнения изобретения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или свойства могут быть объединены в один или несколько вариантов выполнения изобретения любым приемлемым способом.
Фиг. 2 изображает разрез многоступенчатого центробежного компрессора, в котором может быть воплощено изобретение, раскрытое в настоящем документе. Компрессор в целом обозначен номером 1 позиции. В иллюстративном варианте выполнения изобретения, изображенном на Фиг. 2, компрессор 1 содержит группы ступеней компрессора, установленных вплотную одна за другой. Компрессор 1 может содержать корпус 5 с первым газовпускным отверстием 2 и первым газовыпускным отверстием 4.
Первая группа ступеней 10А, 10В, 10С, 10D компрессора может быть расположена последовательно между газовпускным отверстием 2 и газовыпускным отверстием 4. Компрессор 1 может содержать второе газовпускное отверстие 6, проточно соединенное с первым газовыпускным отверстием 4, и второе газовыпускное отверстие 8.
Вторая группа ступеней 10Е, 10F, 10G компрессора может быть последовательно расположена между вторым газовпускным отверстием и вторым газовыпускным отверстием 8.
Каждая ступень 10A-10G компрессора может содержать соответствующее рабочее колесо 14A-14G. Рабочие колеса могут быть установлены на вращающемся валу 7 с возможностью вращения в корпусе 3. Кроме того, компрессор состоит из неподвижных диафрагм. На Фиг. 2 диафрагмы схематически показаны номерами позиций, соответственно, 12A-12G. Самая верхняя по потоку диафрагма 12А расположена между впускной камерой 2А для газа и первым рабочим колесом 14А. Диафрагма 12Е расположена между второй впускной камерой 6А для газа и первым рабочим колесом 14Е второй группы ступеней компрессора. Остальные диафрагмы расположены между двумя последовательно расположенными рабочими колесами или соответствующими ступенями компрессора.
Как будет описано более подробно ниже, каждая диафрагма, установленная между двумя последовательно расположенными рабочими колесами, может состоять из внутренней части и наружной части.
В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере некоторые из неподвижных диафрагм могут иметь охлаждающую систему или систему промежуточного охлаждения для отвода тепла от пропускаемого газа. Например, диафрагмы 12B-12D и 12F-12G могут быть охлаждены.
На Фиг. 3 изображен частичный вид в разрезе двух ступеней многоступенчатого центробежного компрессора 1 со встроенным промежуточным охлаждением, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения настоящего изобретения. На Фиг. 3 показаны только две ступени многоступенчатого компрессора. Понятно, что компрессор известным образом может содержать более двух ступеней. Обычно компрессор дополнительно содержит впускную камеру и выпускную камеру или выпускную улитку (не показаны). Впускное и выпускное отверстия компрессора проточно соединены с впускным коллектором и выпускным коллектором (не показаны). Ступени компрессора могут быть расположены любым известным способом. Например, компрессор может содержать рабочие колеса с так называемым расположением вплотную одно за другим, при этом рабочие колеса ступеней компрессора разделены на две группы. Общее направление потока через рабочие колеса первой группы противоположно общему направлению потока через рабочие колеса второй группы, в результате чего осевое усилие на валу компрессора, вызванное действием рабочих колес на поток газа, по меньшей мере частично, сбалансировано. Фиг. 5-8 иллюстрируют частичные виды в аксонометрии элементов второй ступени компрессора 1, показанного на Фиг. 3.
Фиг. 3 изображает два рабочих колеса, относящихся к двум соседним ступеням компрессора, с системой промежуточного охлаждения между ними. Следует понимать, что компрессор может содержать более двух рабочих колес, последовательно расположенных выше по потоку и ниже по потоку, с соответствующим промежуточным охлаждением или без промежуточного охлаждения, как схематически показано на Фиг. 2. Например, некоторые из ступеней компрессора могут иметь встроенное промежуточное охлаждение, некоторые выполнены без него. Встроенное промежуточное охлаждение может быть выполнено, например, на самых нижних по потоку ступенях компрессора, на которых достигается более высокое значение давления и, следовательно, более высокая температура газа, если не предусмотрено промежуточное охлаждение. Одна или несколько ступеней компрессора в самой верхней по потоку области может не иметь промежуточного охлаждения.
В некоторых вариантах выполнения компрессор 1 содержит наружный корпус, схематически показанный номером позиции 3, в котором находится диафрагма 5. Компрессор 1 может дополнительно содержать вал 7, расположенный с возможностью вращения в корпусе 3. Несколько рабочих колес может быть установлено на валу 7 для вращения вместе с ним. На виде в разрезе на Фиг. 3 показано одно верхнее по потоку рабочее колесо 9 и одно нижнее по потоку рабочее колесо 11, однако, компрессор 1 может содержать три или больше рабочих колес, в зависимости, например, от степени сжатия, которую должен обеспечивать компрессор.
Рабочие колеса 9 и 11 могут быть аналогичными друг другу, как показано на Фиг. 3. Их размеры могут несколько отличаться с учетом сниженного объемного расхода газа, пропускаемого двумя рабочими колесами 9, 11, расположенными последовательно вдоль компрессора 1. В обычных условиях, при которых не предусмотрены боковые потоки между двумя последовательно расположенными рабочими колесами 9, 11, нижнее по потоку рабочее колесо 11 пропускает такой же массовый поток, что и верхнее по потоку рабочее колесо 9, но с меньшим объемным расходом, вследствие сжатия газа, обеспечиваемого верхним по потоку рабочим колесом 9.
Рабочие колеса 9 и 11 могут быть аналогичными любому из рабочих колес 14A-14G, схематически изображенных на Фиг. 2.
Два последовательно расположенных выше по потоку и ниже по потоку рабочих колеса 9, 11 объединены с соответствующей неподвижной диафрагмой 5. Как будет описано далее, каждая неподвижная диафрагма 5 может содержать две части, обычно называемые внутренней частью диафрагмы и наружной частью диафрагмы. Внутренняя часть диафрагмы расположена выше по потоку от наружной частью диафрагмы относительно направления движения газа, пропускаемого компрессором.
Каждое колесо 9, 11 состоит из соответствующего диска 9А, 11А и лопаток 9В, 11В. В некоторых вариантах выполнения рабочие колеса могут иметь соответствующие покрывающие диски 9С, 11С. В других, не показанных вариантах выполнения, колеса 9, 11 могут быть открытого типа, т.е. без покрывающих дисков. Каждый покрывающий диск 9С, 11С может иметь вход 9D, взаимодействующий с соответствующим уплотнительным устройством 9Е, 11Е рабочего колеса.
Ниже по потоку от верхнего по потоку рабочего колеса 9 установлен верхний по потоку диффузор 13, проточно соединенный с выходом колеса 9. Ускоренный колесом 9 газ замедляется в диффузоре 13, в результате чего по меньшей мере часть кинетической энергии, переданной газу рабочим колесом 9, преобразуется в энергию давления. Возвратный канал 15 проточно соединен с выходом верхнего по потоку диффузора 13 и со входом нижнего по потоку рабочего колеса 11. Поток газа G возвращается через возвратный канал 15 ко входу колеса 11. Нижний по потоку диффузор 17, аналогичный верхнему по потоку диффузору 13 и лишь частично показанный на Фиг. 3, может быть расположен в проточном сообщении с выходом колеса 11, имея расположение, аналогичное расположению верхнего по потоку диффузора 13.
Если ниже по потоку от колеса 11 расположено еще одно рабочее колесо, то дополнительный возвратный канал (не показан) направляет газ, поступающий из выхода нижнего по потоку диффузора 17, к входу последующего рабочего колеса. В других вариантах выполнения диффузор 17 может быть проточно соединен со спиральной камерой или улиткой, для отбора сжатого газа и доставки сжатого газа в выпускной коллектор компрессора.
В некоторых, не показанных, вариантах выполнения диффузор 13 может быть лопаточным, т.е. может иметь неподвижные лопатки или так называемые направляющие лопатки. В других вариантах выполнения, как показано на Фиг. 3, диффузор 13 может не содержать неподвижных лопаток и иметь открытую кольцевую форму, проходящую радиально от выхода 9F из верхнего по потоку рабочего колеса 9 в направлении впускного отверстия возвратного канала 15.
Возвратный канал 15 может иметь несколько неподвижных лопаток или направляющих лопаток 19. Далее неподвижные лопатки или направляющие лопатки 19 будут называться лопатками 19 возвратного канала. Лопатки 19 могут быть равномерно распределены вокруг оси вращения А-А колес 9, 11.
Между диффузором 13 и возвратным каналом 15 расположена внутренняя часть 21 диафрагмы. Внутренняя часть 21 диафрагмы может иметь по существу кольцевую форму и может быть механически соединена с наружной частью 23 диафрагмы с помощью лопаток 19 возвратного канала. Наружная часть 23 диафрагмы и внутренняя часть 21 диафрагмы образуют возвратный канал 15. В некоторых вариантах выполнения внутренняя часть 21 диафрагмы может иметь наружные поверхности 21А, 21В, 21С. Наружная поверхность 21А обращена к верхнему по потоку диффузору 13 и находится в жидкостном контакте с газом, проходящим через верхний по потоку диффузор. Наружная поверхность 21В представляет собой наружную поверхность внутренней части 21 диафрагмы, расположенную дальше всего в радиальном направлении и находящуюся в самой верхней части верхнего по потоку диффузора 13, где последний соединяется с возвратным каналом 15. Таким образом, поверхность 21В находится в жидкостном контакте с газом, протекающим из диффузора 13 к возвратному каналу 15. Третья наружная поверхность 21С проходит вдоль возвратного канала 15 и находится в жидкостном контакте с газом, проходящим через возвратный канал 15 и между лопатками 19 возвратного канала.
Верхний по потоку диффузор 13 образован внутренней частью 21 диафрагмы и наружной частью 23 диафрагмы, расположенной выше по потоку от рабочего колеса 9. Аналогичным образом, нижний по потоку диффузор 17 образован наружной частью 23 диафрагмы 5, расположенной между верхним по потоку рабочим колесом 9 и нижним по потоку рабочим колесом 11, и внутренней частью диафрагмы (не показана) следующего рабочего колеса, или улиткой или спиральной камерой компрессора (не показаны).
Внутренняя 21 и наружная 23 части диафрагмы образуют устройство охлаждения, по которому протекает охлаждающая среда, как описано более подробно ниже.
В некоторых вариантах выполнения компрессор 1 может содержать еще одну расположенную выше по потоку ступень, в которой номер 27 позиции обозначает соответствующий возвратный канал, имеющий лопатки 29. Возвратный канал 27 расположенной выше по потоку ступени компрессора образован между наружной частью 23 диафрагмы и соответствующей дополнительной внутренней частью 31 диафрагмы, механически соединенной с наружной частью 23 посредством лопаток 29 возвратного канала. Как станет очевидно из нижеследующего описания, в примере выполнения, в соответствии с Фиг. 3, между рабочим колесом 9 и расположенным выше по потоку от него рабочим колесом также расположено встроенное промежуточное охлаждение. В других вариантах выполнения можно обойтись без промежуточного охлаждения, расположенного выше по потоку от рабочего колеса 9. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения колесо 9 может представлять собой первое рабочее колесо компрессора, при этом выше по потоку от него вместо возвратного канала 27 предусмотрена впускная камера.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, внутренняя часть 21 диафрагмы может иметь уплотнительное устройство 33, взаимодействующее с валом 7. Аналогичное уплотнительное устройство 35 может быть расположено между еще одной расположенной выше по потоку внутренней частью 31 диафрагмы и валом 7.
В вариантах выполнения, раскрытых в настоящем документе, внутренняя часть 21 диафрагмы содержит внутреннюю полость 37, которая может быть закрыта крышкой или пластиной 39. Крышка или пластина 39 может быть приварена к основному корпусу 41 внутренней части 21 диафрагмы. В других вариантах выполнения соединение между основным корпусом 41 и крышкой может быть выполнено привинчиванием или любым другим подходящим способом. Как можно понять из Фиг. 3, крышка 39 может иметь кольцевую форму и проходить вокруг оси А-А вращения компрессора 1.
Внутренняя полость 37 имеет кольцевую форму вокруг оси А-А вращения. В некоторых вариантах выполнения во внутренней полости 37 расположен первый внутренний элемент 43. Внутренний элемент 43 может иметь кольцевую форму. В некоторых вариантах выполнения внутренний элемент 43 соединен посредством болтов или других подходящих средств 45 с наружной частью 23 диафрагмы. В некоторых вариантах выполнения болты 45 проходят через соответствующие лопатки 19 возвратного канала. Лопатки 19 возвратного канала совместно с болтами 45, таким образом, соединяют внутреннюю часть 21 диафрагмы с наружной частью 23 диафрагмы.
В некоторых вариантах выполнения внутренний элемент 43 и внутренняя поверхность внутренней полости 37 образуют первый канал 47 для охлаждающей среды. Как видно на Фиг. 3, в некоторых вариантах выполнения первый канал 47 в разрезе, выполненном в радиальной плоскости, то есть в плоскости, в которой лежит ось А-А вращения, имеет по существу петлеобразную форму.
Первый канал 47 может проходить вокруг и позади наружных поверхностей 21А, 21В и 21С внутренней части 21 диафрагмы. Канал 47 может иметь первую часть, находящуюся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 15, и вторую часть, находящуюся в состоянии теплообмена с диффузором 13.
Более конкретно, канал 47 содержит часть, расположенную позади наружной поверхности 21С внутренней части 21 диафрагмы, находящуюся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 15, и часть позади поверхности 21А, находящуюся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 13.
В некоторых вариантах выполнения поперечный размер или высота Н канала 47 довольно малы (узкий канал) по сравнению с другими размерами канала 47, в результате чего охлаждающая среда движется с высокой скоростью, что повышает термический КПД системы охлаждения, поскольку высокая скорость охлаждающей среды улучшает отвод тепла конвекцией. С целью дальнейшего улучшения теплообмена между охлаждающей средой, циркулирующей через канал 47, и наружной поверхностью стенки внутренней части 21 диафрагмы, в канале 47 могут быть предусмотрены ребра, имеющие в целом радиальную ориентацию. Последние могут дополнительно увеличивать скорость и турбулентность потока охлаждающей среды, дополнительно улучшая, тем самым, отвод тепла конвекцией через внутреннюю поверхность канала 47, обращенную к наружным поверхностям 21А, 21В, 21С.
В наружной части 23 диафрагмы на стороне возвратного канала 15 сформирован охлаждающий канал, по которому протекает охлаждающая среда вокруг части 23 диафрагмы и через канал 47.
В некоторых вариантах выполнения наружная часть 23 диафрагмы содержит второй внутренний элемент 55 и каналы для охлаждающей среды, проходящие, по меньшей мере частично, вокруг второго внутреннего элемента 55, как более подробно описано ниже в данном документе.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, предусмотрен второй канал 49 для охлаждающей среды, проходящий позади по существу кольцевой стенки 51 наружной части 23 диафрагмы. Более конкретно, второй канал 49 может проходить между кольцевой стенкой 51 и вторым внутренним элементом 55. Наружная поверхность 51А кольцевой стенки 51 образует нижнюю часть внутренней поверхности возвратного канала 15, обращенную к поверхности 21С, образованной внутренней частью 21 диафрагмы.
Третий канал 48 для охлаждающей среды может быть выполнен вокруг второго внутреннего элемента 55. Третий канал 48 проходит в целом вокруг второго внутреннего элемента 55 на стороне, противоположной второму каналу 49, т.е. вдоль стороны второго внутреннего элемента 55, обращенной к расположенному ниже по потоку возвратному каналу 17. Третий канал 48 частично проходит вокруг второго внутреннего элемента 55 в часть 48А, позади кольцевой стенки 51. Второй канал 49 и третий канал 48, 48А могут быть отделены друг от друга кольцевой кромкой 53. Кромка 53 препятствует вытеканию охлаждающей среды из части 48А третьего канала для охлаждающей среды непосредственно во второй канал 49.
По меньшей мере некоторые из лопаток 19 возвратного канала имеют соответствующие впускные каналы 19А и выпускные каналы 19В. В некоторых вариантах выполнения впускной канал 19А каждой лопатки 19 размещен радиально внутри, тогда как выпускной канал 19В размещен радиально снаружи. Каналы 19А образуют впускные каналы, проточно сообщающиеся с третьим каналом 48А, а также с первым каналом 47, выполненным во внутренней части 21 диафрагмы. Каналы 19В образуют выпускные каналы, проточно сообщающиеся с первым каналом 47 во внутренней части 21 диафрагмы и со вторым каналом 49. Конструкция такова, что охлаждающая среда протекает через третий канал 48, 48А, впускные каналы 19А, первый канал 47, выпускные каналы 19В и второй канал 49.
В некоторых вариантах выполнения третий канал 48 проходит позади третьей стенки 61, наружная поверхность 61А которой образует одну из нутренних поверхностей нижнего по потоку диффузора 17, установленного на выходе 11F из второго рабочего колеса 11. Протекающая в нем охлаждающая среда при этом отводит тепло через третью стенку 61 от газа, проходящего через нижний по потоку диффузор 17.
Охлаждающая среда, протекающая через часть 48А третьего канала, отводит тепло от самой нижней по потоку части возвратного канала 15.
Охлаждающая среда, протекающая через второй канал 49, отводит тепло от первой части возвратного канала 15 (т.е. самой верхней по потоку части, согласно направлению потока газа).
В некоторых вариантах выполнения третий канал 48 проточно сообщается с впускным отверстием 63 для охлаждающей среды, которое может содержать впускную камеру 63Р для охлаждающей среды. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, впускная камера 63Р имеет кольцевую форму и проходит вокруг оси А-А вращения. Один или несколько каналов 65 доставки охлаждающей среды могут проточно сообщаться с впускным отверстием 63 для охлаждающей среды для доставки туда охлаждающей среды. В некоторых вариантах выполнения впускная камера 63Р может иметь форму полукольца, при этом две указанные впускные камеры 63Р могут быть расположены вокруг оси А-А вращения, и каждая из них имеет по меньшей мере один канал 65 для доставки охлаждающей среды, проточно с ней сообщающийся для более равномерной доставки охлаждающей среды в камеру 63Р и в третий канал 48.
На стороне второго внутреннего элемента 55, напротив впускной камеры 63Р для охлаждающей среды, может быть предусмотрено выпускное отверстие 67 для охлаждающей среды, состоящее из выпускной камеры 67Р для охлаждающей среды, которая может иметь кольцевую форму. Вместо этого, в других вариантах выполнения могут быть предусмотрены две впускные камеры 63Р для охлаждающей среды, имеющие форму полукольца. Выпускная камера 67Р может проточно сообщаться с каналом 69 для отвода охлаждающей среды.
Как показано на Фиг. 3, путь потока охлаждающей среды, таким образом, сформирован от впускного отверстия 63 для охлаждающей среды и до выпускного отверстия 67 для охлаждающей среды. Путь потока охлаждающей среды начинается от впускной камеры 63Р и проходит позади третьей стенки 61 вдоль третьего канала 48 для охлаждающей среды радиально внутрь до промежуточной камеры 50, из которой охлаждающая среда протекает через отверстия 59 во вторую промежуточную камеру 52, а оттуда в часть 48А третьего канала для охлаждающей среды и через нее.
Из части 48А третьего канала 48 охлаждающая среда протекает через несколько впускных каналов 19А, через лопатки 19 возвратного канала в первый канал 47 во внутренней части 21 диафрагмы. При этом охлаждающая среда протекает вокруг первого внутреннего элемента 43, позади поверхностей 21А, 21В и 21С внутренней части 21В диафрагмы. Затем охлаждающая среда протекает через выпускные каналы 19В во второй канал 49 и, наконец, собирается в выпускной камере 67Р и выходит через каналы 69 для отвода охлаждающей среды.
Уже описанный путь потока охлаждающей среды выполнен таким образом, что эффективно охлаждается почти вся неподвижная поверхность диафрагмы, контактирующая с газом, выходящим из выхода 9F рабочего колеса, вплоть до верхней части второго диффузора 17. Узкие каналы для охлаждающей среды, образованные во внутренней части 21 диафрагмы и наружной части 23 диафрагмы, способствуют созданию высокоскоростного потока охлаждающей среды непосредственно позади тонких стенок, отделяющих камеру 49 охлаждения и канал 47 для охлаждающей среды от соответствующих наружных поверхностей частей 21 и 23 диафрагмы.
В некоторых вариантах выполнения, в соответствии с изобретением, раскрытым в настоящем документе, как внутренняя часть 21 диафрагмы, так и наружная часть 23 диафрагмы, имеет соответствующие обшивки, за которыми, между ними и внутренними элементами 43, 55 образован охлаждающий проход. В охлаждающем проходе охлаждающая среда протекает с высокой скоростью, при этом эффективно отводя тепло от почти всей поверхности возвратного канала 15 диффузора и диффузоров 13, 17, контактирующих с пропускаемым газом.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, наружная часть 23 диафрагмы, расположенная вокруг верхнего по потоку рабочего колеса 11, дополнительно содержит соответствующие третий и второй каналы для охлаждающей среды, соответственно, 71С, 71В и 71А, по существу, имеющие форму третьих каналов 48 и 49 для охлаждающей среды.
Впускная камера 73Р для охлаждающей среды, образующая часть впускного отверстия 73 для охлаждающей среды, проточно сообщается с третьим каналом 71С для охлаждающей среды. Последний через проходы 73 проточно сообщается с частью, причем кольцевые промежуточные камеры 75 и 77 расположены у впускного и выпускного отверстий проходов 73.
Третий канал 71 В и второй канал 71А проточно сообщаются с первым каналом 79 для охлаждающей среды, расположенным во внутренней части 31 диафрагмы, находящейся выше по потоку от верхнего по потоку рабочего колеса 9, и имеющим по существу те же форму и функции, что и канал 47 для охлаждающей среды, расположенный во внутренней части 21 диафрагмы. Канал 79 внутренней части 31 диафрагмы проточно соединен посредством каналов, выполненных в лопатках 23 возвратного канала, с третьим каналом 71В и вторым каналом 71А таким же способом, как это обеспечивается впускным и выпускным каналами 19А и 19В для канала 47.
В некоторых вариантах выполнения второй канал 71А дополнительно имеет выпускное отверстие 81 для охлаждающей среды, состоящее из выпускной камеры 81Р для охлаждающей среды, проточно сообщающейся с выходными каналами 83.
Третий канал 71С для охлаждающей среды проходит позади стенки 85, наружная поверхность 85А которой ограничивает верхний по потоку диффузор 13 рабочего колеса 9. Таким образом, третий канал 71С для охлаждающей среды обеспечивает отвод тепла через стенку 85 от газа, протекающего через верхний по потоку диффузор 13 и вдоль него.
Фиг. 4 изображает вид в разрезе еще одного варианта выполнения изобретения, раскрытого в настоящем документе. Одни и те же номера позиций обозначают одинаковые или аналогичные части компонентов.
На разрезе на Фиг. 4 показаны три рабочих колеса 8, 9 и 11, принадлежащие трем последовательно расположенным ступеням в компрессоре 1.
Рабочие колеса 8, 9 и 11 могут быть практически аналогичными друг другу, как показано на Фиг. 3. Их размеры могут слегка отличаться с учетом уменьшенного объемного расхода газа, пропускаемого двумя рабочими колесами 9,11, последовательно расположенными в компрессоре 1.
Два рабочих колеса 9, 11, последовательно расположенные выше и ниже по потоку, соединены с соответствующей неподвижной диафрагмой 5. Каждое рабочее колесо 9, 11 состоит из соответствующего диска 9А, 11А и нескольких лопаток 9В, 11В. В некоторых вариантах выполнения рабочие колеса могут иметь соответствующий покрывающий диск 9С, 11С. В других, не показанных вариантах выполнения, рабочие колеса 9, 11 могут быть открытого типа, т.е. выполнены без покрывающего диска. Каждый покрывающий диск 9С, 11С может иметь вход 9D, взаимодействующий с соответствующим уплотнительным устройством 9Е, 11Е рабочего колеса.
Ниже по потоку от рабочего колеса 9 установлен верхний по потоку диффузор 13, проточно соединенный с выходом верхнего по потоку рабочего колеса 9. Ускоренный рабочим колесом 9 газ замедляется в диффузоре 13, в результате чего по меньшей мере часть кинетической энергии, передаваемой газу рабочим колесом 9, преобразуется в энергию давления. Возвратный канал 15 проточно соединен с выходом верхнего по потоку диффузора 13 и со входом нижнего по потоку рабочего колеса 11. Поток G газа возвращается через возвратный канал 15 ко входу колеса 11. Нижний по потоку диффузор 17, аналогичный верхнему по потоку диффузору 13 и лишь частично показанный на Фиг. 3, может проточно сообщаться с выходом рабочего колеса 11 и иметь конструкцию, аналогичную верхнему по потоку диффузору 13.
Возвратный канал 15 может иметь несколько неподвижных лопаток или направляющих лопаток 19. Далее неподвижные лопатки или направляющие лопатки 19 будут называться лопатками 19 возвратного канала. Лопатки 19 возвратного канала могут быть равномерно распределены вокруг оси вращения А-А рабочих колес 9, 11.
Между диффузором 13 и возвратным каналом 15 расположена внутренняя часть 21 диафрагмы. Внутренняя часть 21 диафрагмы может иметь по существу кольцевую форму и может быть механически соединена с наружной частью 23 диафрагмы с помощью лопаток 19 возвратного канала. Наружная часть 23 диафрагмы и внутренняя часть 21 диафрагмы образуют возвратный канал 15. В некоторых вариантах выполнения внутренняя часть 21 диафрагмы может иметь наружные поверхности 21А, 21В, 21С. Наружная поверхность 21А обращена к верхнему по потоку диффузору 13 и находится в жидкостном контакте с газом, проходящим через верхний по потоку диффузор. Наружная поверхность 21В представляет собой самую наружную в радиальном направлении наружную поверхность внутренней части 21 диафрагмы и находится в самой верхней части верхнего по потоку диффузора 13, где последний соединяется с возвратным каналом 15. Таким образом, поверхность 21В находится в жидкостном контакте с газом, проходящим из диффузора 13 к возвратному каналу 15. Третья наружная поверхность 21С проходит вдоль возвратного канала 15 и находится в жидкостном контакте с газом, проходящим через возвратный канал 15 и между лопатками 19 возвратного канала.
Верхний по потоку диффузор 13 образован внутренней частью 21 диафрагмы и наружной частью 23 диафрагмы, расположенной выше по потоку от рабочего колеса 9. Аналогичным образом, нижний по потоку диффузор 17 образован наружной частью 23 диафрагмы 5, установленной между верхним по потоку рабочим колесом 9 и нижним по потоку рабочим колесом 11, и внутренней частью диафрагмы (не показана) последующего рабочего колеса или спиральной камерой или улиткой компрессора (не показаны).
Внутренняя часть 21 диафрагмы и наружная часть 23 диафрагмы формируют устройство охлаждения, по которому протекает охлаждающая среда, как описано более подробно ниже в настоящем документе.
Номер 27 позиции обозначает соответствующий возвратный канал последующей расположенной выше по потоку ступени компрессора, имеющей лопатки 29. Возвратный канал 27 расположенной выше по потоку ступени компрессора образован между наружной частью 23 диафрагмы и соответствующей следующей внутренней частью 31 диафрагмы, механически соединенной с наружной частью 23 диафрагмы посредством лопаток 29 возвратного канала. Как станет очевидно из последующего описания, в иллюстративном варианте выполнения, в соответствии с Фиг. 3, встроенное промежуточное охлаждение также предусмотрено между рабочим колесом 9 и расположенным выше по потоку от него рабочим колесом. В других вариантах выполнения можно обойтись без промежуточного охлаждения выше по потоку от рабочего колеса 9. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения рабочее колесо 9 может представлять собой первое рабочее колесо компрессора, при этом выше по потоку от него вместо возвратного канала 27 установлена впускная камера.
В вариантах выполнения, раскрытых в настоящем документе, внутренняя часть 21 диафрагмы содержит внутреннюю полость 37, которая может быть закрыта крышкой или пластиной 39. Крышка или пластина 39 может быть приварена к основному корпусу 41 внутренней части 21 диафрагмы. В других вариантах выполнения соединение между основным корпусом 41 и крышкой может быть выполнено привинчиванием или любым другим подходящим способом. Как можно понять из Фиг. 3, крышка 39 может иметь кольцевую форму и проходить вокруг оси А-А вращения компрессора 1.
Внутренняя полость 37 имеет кольцевую форму вокруг оси А-А вращения. В некоторых вариантах выполнения во внутренней полости 37 расположен первый внутренний элемент 43. Внутренний элемент 43 может иметь кольцевую форму. В некоторых вариантах выполнения внутренний элемент 43 соединен с наружной частью 23 диафрагмы посредством болтов или других подходящих средств 45. В некоторых вариантах выполнения болты 45 проходят через соответствующие лопатки 19 возвратного канала. Лопатки 19 возвратного канала вместе с болтами 45, таким образом, соединяют внутреннюю часть 21 диафрагмы с наружной частью 23 диафрагмы.
В некоторых вариантах выполнения внутренний элемент 43 и внутренняя поверхность внутренней полости 37 образуют первый канал 47 для охлаждающей среды. Как видно из Фиг. 3, в некоторых вариантах выполнения первый канал 47 для охлаждающей среды в разрезе, выполненном в радиальной плоскости, то есть в плоскости, в которой лежит ось А-А вращения, имеет по существу петлеобразную форму.
Первый канал 47 для охлаждающей среды может проходить вокруг и позади наружных поверхностей 21А, 21В и 21С внутренней части 21 диафрагмы. Канал 47 для охлаждающей среды может иметь первую часть, находящуюся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 15, и вторую часть, находящуюся в состоянии теплообмена с диффузором 13.
Более конкретно, часть канала 47 для охлаждающей среды расположена позади наружной поверхности 21С внутренней части 21 диафрагмы, находящейся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 15, а часть канала расположена позади поверхности 21А, находящейся в состоянии теплообмена с возвратным каналом 13.
В некоторых вариантах выполнения наружная часть 23 диафрагмы содержит второй внутренний элемент 55 и каналы для охлаждающей среды, проходящие, по меньшей мере частично, вокруг второго внутреннего элемента 55, как более подробно описано далее в настоящем документе.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, имеется второй канал 49 для охлаждающей среды, проходящий позади по существу кольцевой стенки 51 наружной части 23 диафрагмы. Более конкретно, второй канал 49 для охлаждающей среды может проходить между кольцевой стенкой 51 и вторым внутренним элементом 55. Наружная поверхность 51А второй кольцевой стенки 51 образует нижнюю часть внутренней поверхности возвратного канала 15, обращенную к поверхности 21С, образованной внутренней частью 21 диафрагмы.
Третий канал 48 для охлаждающей среды может быть расположен вокруг второго внутреннего элемента 55. Третий канал 48 для охлаждающей среды проходит вокруг второго внутреннего элемента 55 на стороне, противоположной второму каналу 49, т.е. вдоль стороны второго внутреннего элемента 55, обращенной к расположенному ниже по потоку возвратному каналу 17. Третий канал 48 для охлаждающей среды проточно соединен с впускными каналами 19А, проходящими через по меньшей мере некоторые из лопаток 19. Проходы 59 соединяют третий канал 48 для охлаждающей среды с впускными каналами 19А лопаток 19 возвратного канала. Выпускные каналы 19В, проходящие через лопатки 19 возвратного канала, проточно сообщаются со вторым каналом 49. Предусмотрена такая конфигурация, что охлаждающая среда проходит через третий канал 48 для охлаждающей среды, проходы 59, впускные каналы 19А, первый канал 47 для охлаждающей среды, выпускные каналы 19В и второй канал 49.
В некоторых вариантах выполнения третий канал 48 проходит позади третьей стенки 61, наружная поверхность 61А которой образует одну из внутренних поверхностей нижнего по потоку диффузора 17, на выходе 11F из второго рабочего колеса 11. Протекающая в нем охлаждающая среда, при этом, отводит тепло через третью стенку 61 от газа, проходящего через верхний по потоку диффузор 17. Охлаждающая среда, протекающая через второй канал 49, отводит тепло от первой части (т.е. самой верхней по потоку, в соответствии с направлением потока газа) возвратного канала 15.
В некоторых вариантах выполнения третий канал 48 проточно сообщается с впускным отверстием 63 для охлаждающей среды, которое может содержать впускную камеру 63Р для охлаждающей среды. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, впускная камера 63Р имеет кольцевую форму и проходит вокруг оси А-А вращения. Один или нескольких каналов 65 для доставки охлаждающей среды могут проточно сообщаться с впускным отверстием 63 с целью доставки в него охлаждающей среды. В некоторых вариантах выполнения впускная камера 63Р может иметь форму полукольца, при этом две указанные впускные камеры 63Р могут быть расположены вокруг оси А-А вращения, причем каждая из них имеет по меньшей мере один соединенный с ней канал 65 для доставки охлаждающей среды, для более равномерной доставки охлаждающей среды во впускную камеру 63Р и в третий канал 48 для охлаждающей среды.
На стороне второго внутреннего элемента 55, противоположной впускной камере 63Р для охлаждающей среды, может быть предусмотрено выпускное отверстие 67 для охлаждающей среды, состоящее из выпускной камеры 67Р для охлаждающей среды, которое может иметь кольцевую форму. В других вариантах выполнения вместо этого могут быть предусмотрены две полукольцевые впускные камеры 63Р для охлаждающей среды. Выпускная камера 67Р для охлаждающей среды может проточно сообщаться с каналом 69 для отвода охлаждающей среды.
Уже описанный путь потока охлаждающей среды выполнен таким образом, что эффективно охлаждается почти вся неподвижная поверхность диафрагмы, контактирующая с газом, выходящим из выхода 9F из рабочего колеса до самой верхней части второго диффузора 17. Узкие каналы для охлаждающей среды, образованные во внутренней части 21 диафрагмы и в наружной части 23 диафрагмы, способствуют созданию высокоскоростного потока охлаждающей среды непосредственно позади тонких стенок, отделяющих камеру 49 охлаждения и канал 47 для охлаждающей среды от соответствующих наружных поверхностей частей 21 и 23 диафрагмы.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, наружная часть 23 диафрагмы, расположенная вокруг верхнего по потоку рабочего колеса 11, дополнительно содержит соответствующие третий и второй каналы для охлаждающей среды, соответственно, 71С и 71А, по существу, имеющие форму третьих каналов 48 и 49 для охлаждающей среды. Впускная камера 73Р для охлаждающей среды, образующая часть впускного отверстия 73 для охлаждающей среды, проточно сообщается с третьим каналом 71С для охлаждающей среды. Последний проточно сообщается посредством проходов 73 с частью, причем кольцевые промежуточные камеры 75 и 77 расположены у впускного и выпускного отверстий проходов 73.
Третий канал 71С и второй канал 71А проточно сообщаются с первым каналом 79, расположенным во внутренней части 31 диафрагмы, расположенной перед верхним по потоку рабочим колесом 9, и имеющим по существу такую же форму и функции, что и канал 47, выполненный во внутренней части 21 диафрагмы. Канал 79 внутренней части 31 диафрагмы проточно соединен посредством каналов, образованных в лопатках 29 возвратного канала, с третьим каналом 71С и вторым каналом 71А для охлаждающей среды таким же способом, как это обеспечивается впускным и выпускным каналами 19А и 19В для канала 47.
В некоторых вариантах выполнения второй канал 71А для охлаждающей среды дополнительно имеет выпускное отверстие 81 для охлаждающей среды, состоящее из выпускной камеры 81Р для охлаждающей среды, проточно сообщающейся с выпускными каналами 83.
Третий канал 71С для охлаждающей среды проходит позади стенки 85, наружная поверхность 85А которой ограничивает верхний по потоку диффузор 13 рабочего колеса 9. Таким образом, третий канал 71С для охлаждающей среды обеспечивает отвод тепла через стенку 85 от газа, протекающего через верхний по потоку диффузор 13 и вдоль него.
Несмотря на то, что раскрытые варианты выполнения изобретения, описанные в настоящем документе, показаны на чертежах и полностью подробно описаны выше в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам должно быть понятно, что могут быть выполнены различные модификации, изменения и исключения без существенного отхода от изобретательских идей, принципов и концепций, изложенных в настоящем документе, а также должны быть понятны преимущества, присущие изобретению и перечисленные в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем раскрытых усовершенствований должен быть определен только самым полным толкованием прилагаемой формулы изобретения, чтобы охватить все модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любого процесса или этапов способа может быть изменен или повторно задан в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.