Рабочее колесо центробежного компрессора с лопатками, имеющими S-образную заднюю кромку
CENTRIFUGAL COMPRESSOR IMPELLER WITH BLADES HAVING S-SHAPED TRAILING EDGE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение, раскрытое в данном документе, относится к усовершенствованию компрессоров, в частности, центробежных компрессоров.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Центробежные компрессоры преобразуют механическую энергию, создаваемую первичным движителем, таким как электродвигатель, газовая турбина, паровая турбина или подобные им, в энергию давления для повышения давления газа, проходящего через компрессор. Компрессор по существу содержит корпус, в котором расположен ротор с возможностью вращения, и диафрагменный узел. Ротор может содержать одно или более рабочих колес, приводимых во вращение первичным движителем. Рабочие колеса содержат рабочие лопатки, имеющие по существу осевую входную часть и по существу радиальную выходную часть. Проточные каналы ограничены лопатками и опорной пластиной или основным диском рабочего колеса. В некоторых компрессорах рабочее колесо содержит покрывающий диск, расположенный напротив основного диска, при этом лопатки проходят между основным диском и покрывающим диском. Газ поступает в проточные каналы каждого рабочего колеса в осевом направлении, ускоряется лопатками рабочего колеса и выходит из него в радиальном направлении или в радиально-осевом направлении в меридиональной плоскости. Ускоренный газ направляется каждым рабочим колесом через расположенный в окружном направлении диффузор, где кинетическая энергия газа по меньшей мере частично преобразуется в энергию давления с увеличением тем самым давления газа.
Количество энергии, создаваемой первичным движителем и поглощаемой компрессором, не может быть полностью преобразовано в полезную энергию давления, т.е. в прирост давления в текучей среде, вследствие явлений рассеивания различного типа, имеющихся в компрессоре в целом. Некоторые потери возникают в результате вторичных вихрей, создаваемых на протяжении всего лопаточного прохода и накапливающихся вблизи задних кромок рабочих лопаток у выпускного отверстия рабочего колеса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с первым аспектом данное изобретение относится к рабочему колесу центробежного компрессора, имеющему впускное отверстие, выпускное отверстие и диск, проходящий от впускного отверстия к выпускному отверстию. От диска отходят лопатки, каждая из которых имеет переднюю кромку, заднюю кромку, основание и концевую часть. Основание и концевая часть лопатки проходят между ее передней кромкой и задней кромкой. Каждая лопатка также имеет сторону повышенного давления и сторону пониженного давления. Задняя кромка каждой лопатки имеет S-образную форму, так что как на стороне повышенного давления, так и на стороне пониженного давления задняя кромка имеет вогнутый участок и выпуклый участок с точкой перегиба между этими двумя участками.
Таким образом, стороны повышенного давления и пониженного давления каждой лопатки образованы нелинейчатыми поверхностями, т.е. обе стороны каждой лопатки имеют пространственную криволинейную форму. При этом достигается улучшенная эффективность компрессора.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения вогнутый и выпуклый участки задней кромки каждой лопатки расположены так, что первый участок задней кромки, расположенный ближе к основанию лопатки, имеет выпуклость, обращенную к стороне повышенного давления лопатки, а второй участок задней кромки, расположенный дальше от основания лопатки, имеет выпуклость, обращенную к стороне пониженного давления лопатки.
В соответствии с еще одним аспектом изобретение относится к центробежному компрессору, содержащему по меньшей мере одно рабочее колесо, как изложено выше, и диффузор, расположенный вокруг выпускного отверстия рабочего колеса. В предпочтительных вариантах выполнения компрессор является многоступенчатым компрессором, в котором по меньшей мере одно, предпочтительно несколько, или все рабочие колеса выполнены, как изложено выше, с лопатками, имеющими S-образную заднюю кромку.
В соответствии с еще одним аспектом изобретение относится к способу проектирования рабочего колеса компрессора, включающему:
определение профиля основания лопатки вдоль диска рабочего колеса и профиля концевой части лопатки в меридиональной плоскости;
определение поверхности стороны повышенного давления и поверхности стороны пониженного давления лопатки как линейчатых поверхностей, проходящих между профилем основания и профилем концевой части лопатки, причем указанные поверхности стороны повышенного давления и стороны пониженного давления проходят между прямолинейной задней кромкой и прямолинейной передней кромкой указанной лопатки;
преобразование линейчатых поверхностей в нелинейчатые поверхности путем смещения точек задней кромки в тангенциальном направлении с приданием тем самым S-образной формы указанной задней кромке, имеющей вогнутый участок, выпуклый участок и точку перегиба между ними.
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 возможности лучшего понимания нижеследующего подробного описания, а также для лучшего понимания усовершенствования существующей техники с помощью изобретения. Естественно, что имеются другие признаки изобретения, которые рассмотрены ниже в данном документе и которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении перед подробным объяснением нескольких вариантов выполнения изобретения следует уяснить, что различные варианты выполнения не ограничиваются их применением в конструкции и расположении компонентов, рассмотренных в нижеследующем описании или показанных на чертежах. Данное изобретение может иметь другие варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике или выполнены различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, применительно к данному документу, используется с описательной целью и не должна рассматриваться как ограничительная.
По существу, специалисты должны понимать, что концепция, заложенная в изобретение, может быть легко использована в качестве основополагающего принципа для создания других конструкций, способов и/или систем для осуществления нескольких целей изобретения. Соответственно, важно понимать, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую такие равнозначные конструкции в той мере, в какой они не отклоняются от сущности и объема данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание описанных вариантов выполнения изобретения, а также множества сопутствующих им преимуществ можно легко получить по мере их лучшего понимания из следующего подробного описания, рассмотренного вместе с сопроводительными чертежами, на которых
фиг. 1 изображает продольный разрез многоступенчатого центробежного компрессора, в котором могут использоваться предложенные рабочие колеса,
фиг. 1А изображает увеличенный вид лопатки рабочего колеса компрессора, показанного на фиг. 1,
фиг. 2 изображает вид в аксонометрии рабочего колеса центробежного компрессора, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 схематически изображает проекцию лопатки в меридиональной плоскости,
фиг. 4 изображает схему, показывающую угол прохождения лопатки рабочего колеса,
фиг. 5 и 6 изображают диаграммы, представляющие угол прохождения лопатки и толщину лопатки, показанной на фиг. 3, вдоль осевого направления,
фиг. 7 изображает вид в аксонометрии трехмерной лопатки в соответствии с данным изобретением,
фиг. 8 схематически изображает вид в радиальном направлении задней кромки лопатки рабочего колеса в соответствии с данным изобретением,
фиг. 9 изображает график зависимости политропного коэффициента полезного действия от коэффициента расхода известного рабочего колеса и предложенного рабочего колеса.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения сделано со ссылками на сопроводительные чертежи. Одинаковыми номерами позиции на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также, нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение, и объем правовой охраны определен в прилагаемой формуле изобретения.
Ссылка на протяжении описания на «один вариант выполнения», или «вариант выполнения», или «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении одного варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, появление формулировки «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения», или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Фиг. 1 и 1А показывают иллюстративный вариант выполнения многоступенчатого центробежного компрессора, обозначенного в целом номером 100 позиции, в котором может использоваться изобретение, рассмотренное в данном документе. Фиг. 1 иллюстрирует разрез в плоскости, в которой расположена ось А-А вращения компрессора, а фиг. 1А иллюстрирует увеличенный вид одной ступени компрессора.
Компрессор 100 имеет наружный корпус 1, выполненный с впускным коллектором 2 и выпускным коллектором 3. Внутри корпуса 1 расположено несколько компонентов, образующих ступени компрессора.
Более конкретно, в корпусе 1 расположен ротор компрессора, содержащий вал 5. Вал 5 ротора может поддерживаться двумя концевыми подшипниками 6, 7. Ротор компрессора также содержит по меньшей мере одно рабочее колесо. В некоторых вариантах выполнения, как показано на фиг. 1, ротор содержит несколько рабочих колес 9, по одному рабочему колесу на каждую ступень компрессора. Колеса 9 расположены между двумя подшипниками 6, 7.
Впускное отверстие 9А первого рабочего колеса 9 проточно сообщается с впускной камерой 11, в которую через впускной коллектор 2 подается газ, который должен быть сжат. В некоторых вариантах выполнения поток газа поступает в камеру 11 в радиальном направлении, а затем подается через ряд подвижных впускных направляющих лопаток 13 и проходит в первое рабочее колесо 9 по существу в осевом направлении.
В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, показанным на фиг. 1, выпускное отверстие 9В последнего рабочего колеса 9 проточно сообщается с улиткой 15, в которой сжатый газ собирается и направляется к выпускному коллектору 3.
Между каждой парой последовательно расположенных рабочих колес 9 расположены неподвижные диафрагмы 17. Диафрагмы 17 могут быть выполнены в виде отдельных расположенных в осевом направлении компонентов. В других вариантах выполнения диафрагмы 17 могут быть выполнены из двух по существу симметричных половин. Каждая диафрагма 17 образует диффузор 18 и обратный канал 19, проходящие от радиального выпускного отверстия соответствующего верхнего по потоку колеса 9 к впускному отверстию соответствующего колеса 9, расположенного ниже по потоку. В диффузоре 18 поток газа замедляется, при этом кинетическая энергия, перенесенная от рабочего колеса к газу, преобразуется в энергию давления с увеличением тем самым давления газа.
Обратный канал 19 поворачивает поток сжатого газа от выпускного отверстия верхнего по потоку рабочего колеса к впускному отверстию нижнего по потоку рабочего колеса. В некоторых вариантах выполнения в диффузоре 18 могут быть расположены неподвижные лопатки 20. В некоторых вариантах выполнения в обратных каналах 19 могут быть выполнены неподвижные лопатки 21, предназначенные для удаления тангенциальной составляющей потока одновременно с перенаправлением сжатого газа из верхнего по потоку рабочего колеса к нижнему по потоку рабочему колесу.
Как лучше всего видно на фиг. 1А, на котором показан увеличенный вид одной из нескольких ступеней компрессора 100, и на фиг. 2, на котором показан вид в аксонометрии иллюстративного рабочего колеса, каждое рабочее колесо 9 содержит основной диск 23, образующий втулочную часть 23А. Втулочная часть 23А имеет отверстие 23В, через которое проходит роторный вал 5. Диск 23 иногда в целом также называют втулкой. От диска 23 отходят лопатки 25, ограничивающие проточные каналы, через которые проходит газ, ускоряемый лопатками 25. Каждая лопатка имеет переднюю кромку 25L и заднюю кромку 25Т, расположенные соответственно на входе и выходе лопатки. В некоторых вариантах выполнения рабочее колесо 9 может быть открытым. В некоторых вариантах выполнения рабочее колесо может быть закрыто покрывающим диском 27, расположенным напротив основным диска 23, так что между основным диском 23 и покрывающим диском 27 проходят лопатки 25.
Каждая лопатка 25 имеет концевую часть 25А, проходящую вдоль покрывающего диска 27 между передней кромкой 25L и задней кромкой 25Т. Каждая лопатка 25 дополнительно имеет основание или корневую часть 25 В, проходящую вдоль диска 23 между передней 25L и задней 25Т кромками.
Каждая лопатка 25 имеет сторону пониженного давления и сторону повышенного давления, при этом форма лопатки, выполненная так, как описано далее в данном документе, начинается от пересечения центральной линии или средней линии профиля лопатки 25, соответственно, с основным диском 23 и покрывающим диском 27. Фиг. 3 показывает проекцию типовой лопатки 25 в меридиональной плоскости, т.е. плоскости R-Z, где R является радиальным направлением, a Z является осевым направлением. L1 является проекцией лопатки на меридиональной плоскости R-Z центральной линии, т.е. средней линии профиля лопатки у основного диска 23. L2 является проекцией на той же самой меридиональной плоскости R-Z центральной линии, т.е. средней линии профиля лопатки у покрывающего диска 27.
Таким образом, линии L1 и L2 являются проекциями профилей лопатки на плоскости R-Z (меридиональной плоскости) у основного диска и покрывающего диска, т.е., соответственно, у основания лопатки и у концевой части лопатки. На фиг. 3 также показаны проекции задней кромки 25Т и передней кромки 25L лопатки.
Как отмечено выше, рабочее колесо 9 может быть выполнено с покрывающим диском, как показано на чертежах в иллюстративном варианте выполнения. Однако в других вариантах выполнения, не показанных, рабочее колесо 9 является открытым, так что покрывающий диск 27 отсутствует. В этом случае линия L2 является просто проекцией средней линии или центральной линии профиля лопатки на меридиональной плоскости R-Z у концевой части 25А лопатки.
Эти линии L1 и L2 являются исходными точками для проектирования трехмерных поверхностей сторон пониженного и повышенного давления лопатки, как изложено ниже.
Начинаясь от двух линий L1 и L2, фактическая форма противоположных поверхностей лопатки 25, образующих стороны пониженного и повышенного давления лопатки, определяется двумя дополнительными параметрами, а именно толщиной лопатки и (геометрическим) углом прохождения лопатки. Оба параметра определены для множества положений вдоль каждой линии L1 и L2. В некоторых вариантах выполнения угол прохождения лопатки и ее толщина могут иметь различные значения для линий L1 и L2.
Угол β прохождения лопатки в каждой точке рассматриваемой линии L1 или L2 определяется как угол между касательной к линии L1 или L2 и меридиональным направлением (М), как показано на фиг.4, схематически иллюстрирующей вид спереди рабочего колеса, при этом L является основной центральной линией. Стрелкой F обозначено направление вращения рабочего колеса. Как правило, знак угла β находится в соответствии с направлением вращения рабочего колеса. Таким образом, в примере, показанном на фиг. 4, угол β является отрицательным, так как он измеряется от меридионального направления М и является противоположным направлению (по стрелке F) вращения рабочего колеса.
Толщина (th) лопатки определяется как расстояние между поверхностью стороны пониженного давления и поверхностью стороны повышенного давления лопатки от средней линии (т.е. центральной линии) профиля лопатки у каждой точки рассматриваемой кривой L1 или L2. Фиг. 5 и 6 схематически показывают распределение угла (β) прохождения и толщины (th) иллюстративной лопатки. На горизонтальной оси графиков, изображенных на фиг. 5 и 6, показана нормализованная координата вдоль меридионального направления. Координата «0» обозначает положение передней кромки, а координата «1» обозначает положение задней кромки лопатки.
Сочетание определенных выше параметров обеспечивает профиль лопатки у концевой части 25А и основания 25В лопатки. Следующим этапом определения поверхности стороны повышенного давления и стороны пониженного давления лопатки теперь является создание двух противоположных линейчатых поверхностей, начинающихся от двух профилей лопаток у концевой части 25А и основания 25В лопатки, как определено выше. Линейчатые поверхности создают путем соединения каждой точки профиля концевой части лопатки с соответствующей точкой профиля основания лопатки прямолинейной (неизогнутой) линией.
Геометрия лопатки еще не полностью определена, так как кривые L1 и L2 и соответствующие профили концевой части и основания лопатки обычно смещены, т.е. смещены друг относительно друга в тангенциальном направлении, поворачивая профиль концевой части и профиль основания лопатки, один относительно другого, вокруг оси вращения рабочего колеса. Таким образом, появляется еще одна степень свободы для полного определения геометрии лопатки, задаваемая возможным тангенциальным смещением двух кривых L1 и L2. В известных рабочих колесах две кривые L1 и L2 смещены в тангенциальном направлении, т.е. повернуты одна относительно другой вокруг оси рабочего колеса, так что задняя кромка 25Т наклонена относительно осевого направления (для рабочего колеса с полностью радиальным выпуском) с сохранением ее прямолинейной (неизогнутой) формы. Наклон задней кромки относительно осевого направления, называемый углом наклона, определяет вместе с вышеупомянутыми параметрами полную геометрию лопатки.
Наоборот, в соответствии с изобретением, раскрытым в данном документе, профиль концевой части и профиль основания лопатки, а также промежуточные профили между концевой частью и основанием лопатки, смещены в тангенциальном направлении так, что задняя кромка 25Т оказывается нелинейной и, более конкретно, ее профиль становится S-образным, как показано на фиг. 7 на виде в аксонометрии и на фиг. 8 на виде сбоку. Более конкретно, фиг. 7 иллюстрирует в аксонометрии одну лопатку 25, у которой задняя кромка 25Т обращена к смотрящему на чертеж.
D
S
D
S
Задняя кромка 25Т имеет первый участок 25T и второй участок 25T. Первый участок 25Т расположен ближе к основному диску 23, а второй участок 25T расположен ближе к покрывающему диску 27 (см. в частности на фиг. 8).
D
S
В некоторых иллюстративных вариантах выполнения первый участок 25Т задней кромки, расположенный ближе к основному диску 23, имеет выпуклость, обращенную к стороне PS повышенного давления лопатки, и вогнутость, обращенную к стороне SS пониженного давления лопатки. Сторона PS повышенного давления лопатки является передней стороной относительно направления F вращения, а сторона SS пониженного давления лопатки является задней стороной относительно направления F вращения, т.е. стороной, противоположной стороне пониженного давления. Второй участок 25T задней кромки 25Т имеет противоположное построение, т.е. сторона повышенного давления является вогнутой, а сторона пониженного давления является выпуклой.
Не исключена обратная конфигурация, когда выпуклость обращена к стороне пониженного давления около основного диска и обращена к стороне повышенного давления около покрывающего диска.
В некоторых вариантах выполнения первый и второй участки задней кромки соединены друг с другом в точке перегиба, так что вся задняя кромка является криволинейной без прямолинейных участков.
S-образная форма задней кромки получена путем создания соответствующего принципа смещения каждой точки задней кромки в тангенциальном направлении, т.е. вокруг оси вращения рабочего колеса. В действительности может быть получена форма, например, начинающаяся от профиля основания лопатки (или от профиля концевой части), путем тангенциального смещения множества точек вдоль задней кромки и соединения указанных точек путем интерполяции. Сдвиг различных точек задней кромки в тангенциальном направлении вызывает жесткое смещение остальных точек поверхности стороны повышенного давления и поверхности стороны пониженного давления, предварительно созданных в виде линейчатых поверхностей, начинающихся от профиля основания лопатки и профиля концевой части, полученных из линий L1, L2 и распределенных вдоль них толщины лопатки и угла ее прохождения.
В конечном результате полные поверхности как стороны повышенного давления, так и стороны пониженного давления лопатки рабочего колеса становятся нелинейчатыми поверхностями, имеющими двойную кривизну.
Двойная S-образная кривизна задней кромки 25Т лопатки снижает потери, улучшая политропный коэффициент полезного действия компрессора, что может быть очевидным из фиг. 9, иллюстрирующей зависимость политропного коэффициента полезного действия от коэффициента расхода ступени компрессора, в которой используется рабочее колесо с S-образной задней кромкой (кривая С1), и ступени компрессора, в которой используется рабочее колесо с прямолинейной задней кромкой (кривая С2). В нерасчетных режимах (когда коэффициент расхода меньше или больше 100) политропный коэффициент полезного действия рабочего колеса с лопатками, имеющими S-образные задние кромки 25Т, значительно повышается по сравнению с известными конструкциями с прямолинейными задними кромками у лопаток.
Несмотря на то, что раскрытые в данном документе варианты выполнения изобретения показаны на чертежах и полностью описаны выше в частности и подробно в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, тем не менее, специалистам следует понимать, что возможно внесение множества модификаций, изменений и осуществление изъятий по существу без отклонения от новаторских основных идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения. Соответственно, надлежащий объем правовой охраны раскрытых нововведений следует определять только самым широким толкованием прилагаемой формулы изобретения для охвата всех подобных модификаций, изменений и изъятий. Различные признаки, конструкции и средства различных вариантов выполнения могут быть объединены иначе.