Входной сопловой аппарат турбомашины для асимметричного потока с лопатками различной формы
TURBOMACHINE INLET NOZZLE ASSEMBLY FOR ASYMMETRIC FLOW WITH BLADES OF DIFFERENT SHAPE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение, рассматриваемое в данном документе, в целом, относится к устройству для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой и, более конкретно, к турбоустановкам, например, к центробежным компрессорам.
[0002] Обычные турбоустановки, например, центробежные компрессоры, как правило, содержат всасывающую камеру, выполненную с возможностью направления рабочего газа (например, воздуха, природного газа, углеводородов, углекислого газа или подобного им) из впускного патрубка к одному или более рабочим колесам для содействия передачи энергии от рабочих колес к рабочему газу. Внутри всасывающей камеры расположено симметрично некоторое количество входных направляющих лопаток для направления потока рабочего газа через всасывающую камеру к рабочим колесам по нужному проточному каналу. В некоторых вариантах для корректирования вихреобразования на входе компрессора, вызываемого изменением массового расхода, каждая входная направляющая лопатка может быть повернута вокруг ее оси с обеспечением тем самым повышения эффективности. Однако авторы изобретения обнаружили, что такая конструкция входных направляющих лопаток обусловливает потери во всасывающей камере, отрицательно действующие на эксплуатационные характеристики компрессора и снижающие его эффективность.
[0003] Поэтому авторы изобретения предложили усовершенствованное устройство для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В данном документе предложены варианты выполнения устройства для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой.
[0005] В некоторых вариантах выполнения всасывающая камера устройства для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой может иметь сквозное отверстие, проходящее через всасывающую камеру, и входные направляющие лопатки, расположенные вблизи периферической кромки указанного сквозного отверстия и содержащие первую группу входных направляющих лопаток, имеющих симметричный профиль, вторую группу входных направляющих лопаток и третью группу входных направляющих лопаток, при этом каждая входная направляющая лопатка второй группы и третьей группы имеет изогнутый профиль, и изогнутый профиль каждой входной направляющей лопатки третьей группы отличается от изогнутого профиля остальных лопаток третьей группы.
[0006] В некоторых вариантах выполнения устройство для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой может содержать корпус, содержащий впускной патрубок для обеспечения возможности прохождения текучей среды в корпус, всасывающую камеру, ограничивающую проточный канал, проточно сообщающийся с впускным патрубком, при этом всасывающая камера имеет сквозное отверстие, проходящее через всасывающую камеру, и входные направляющие лопатки, расположенные вблизи периферической кромки сквозного отверстия, причем указанные входные направляющие лопатки содержат первую группу входных направляющих лопаток, имеющих симметричный профиль, вторую группу входных направляющих лопаток и третью группу входных направляющих лопаток, при этом каждая входная направляющая лопатка второй группы и третьей группы имеет изогнутый профиль, при этом изогнутый профиль каждой входной направляющей лопатки третьей группы отличается от изогнутого профиля остальных входных направляющих лопаток третьей группы.
[0007] Вышеизложенные и другие свойства вариантов выполнения данного изобретения будут понятны в дальнейшем при обращении к чертежам и подробному описанию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Варианты выполнения данного изобретения, кратко изложенные выше и рассмотренные более подробно в дальнейшем, могут быть понятны при обращении к иллюстративным вариантам выполнения данного изобретения, изображенным на прилагаемых чертежах. Однако следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют лишь типичные варианты выполнения данного изобретения и поэтому их не следует рассматривать как варианты, ограничивающие объем правовой охраны, так как изобретение может допускать другие в равной степени эффективные варианты выполнения.
[0009] Фиг. 1 изображает частичный продольный разрез части иллюстративного устройства для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0010] Фиг. 2 изображает часть устройства, показанного на фиг. 1, по линии 2-2, показанной на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0011] Фиг. 3 изображает часть устройства, показанного на фиг. 1, по линии 2-2, показанной на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0012] Фиг. 4 изображает часть устройства, показанного на фиг. 1, по линии 2-2, показанной на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0013] Фиг. 5 представляет собой вид сбоку входной направляющей лопатки, подходящей для использования в устройстве, показанном на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0014] Фиг. 6 представляет собой вид сверху входной направляющей лопатки, подходящей для использования в устройстве, показанном на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0015] Фиг. 7 представляет собой вид сбоку входной направляющей лопатки, подходящей для использования в устройстве, показанном на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0016] Фиг. 8 представляет собой вид сверху входной направляющей лопатки, подходящей для использования в устройстве, показанном на фиг. 1, в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения.
[0017] Для облегчения понимания были использованы, где это возможно, одинаковые номера позиции для обозначения одинаковых элементов, которые являются общими для чертежей. Данные чертежи выполнены не в масштабе и упрощены для ясности изображения. Предполагается, что элементы и свойства одного варианта выполнения могут быть успешно использованы в других вариантах выполнения без дополнительного раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] В данном документе приведены варианты выполнения устройства для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой. Предлагаемое устройство преимущественно содержит всасывающую камеру, содержащую входные направляющие лопатки, выполненные с возможностью снижения или устранения потерь во всасывающей камере, которые в противном случае возникали бы при обычном конструктивном выполнении входных направляющих лопаток, с повышением тем самым эффективности устройства. Авторы изобретения установили, что предлагаемое устройство может быть особенно предпочтительным в компрессорах, например, таких, как центробежные компрессоры, но не ограничиваясь этим.
[0019] Фиг. 1 изображает частичный продольный разрез части иллюстративного устройства 100 для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой в соответствии с некоторыми вариантами выполнения изобретения. Устройство 100 может быть любой установкой, подходящей для содействия передаче энергии между вращающимся элементом и текучей средой, например, турбоустановкой, такой как центробежный компрессор или подобной ему.
[0020] Устройство 100 (компрессор), в целом, содержит корпус 128, ограничивающий внутреннюю полость 102, проточные каналы 104, впускной патрубок 108 и выпускной патрубок 110, причем впускной патрубок 108 и выпускной патрубок 110 проточно соединены с каналами 104. По меньшей мере частично в полости 102 расположен вращающийся вал 114, содержащий присоединенные к нему рабочие колеса 106. В некоторых вариантах выполнения вокруг корпуса 128 может быть расположен кожух 112 (показан частично).
[0021] В некоторых вариантах выполнения вращающийся вал 114 может приводиться во вращение в полости 102 с помощью двигателя 120. Двигатель 120 может быть двигателем любого типа, подходящим для обеспечения вращения вала 114 с требуемой скоростью, например, электродвигатель, гидравлический двигатель, двигатель внутреннего сгорания или подобный им.
[0022] В некоторых вариантах выполнения рабочий газ (например, воздух, природный газ, углеводороды, углекислый газ, или подобный им) направляется к рабочим колесам 106 через всасывающую камеру 118. Камера 118, как правило, содержит впускное отверстие 126, проточно соединенное с впускным патрубком 108 корпуса 128, сквозное отверстие 124, проточно соединенное с впускным отверстием 126, и криволинейную внутреннюю поверхность 130, выполненную с возможностью направления рабочего газа из впускного отверстия 126 к сквозному отверстию 124. В некоторых вариантах выполнения камера 118 может быть по меньшей мере частично образована корпусом 128, например, как показано на фиг. 1. В некоторых вариантах выполнения внутри камеры 118 может быть расположено кольцо 116, имеющее сквозное отверстие 122, концентрическое со сквозным отверстием 124 камеры 118, для дополнительного содействия прохождению рабочего газа из впускного патрубка 108 к рабочим колесам 106 в нужный проточный канал.
[0023] При иллюстративной работе компрессора 100 вал 114 и рабочие колеса 106 могут приводиться во вращение во внутренней полости 102 с помощью двигателя 120. При этом рабочий газ втягивается во впускной патрубок 108 корпуса 128 посредством силы всасывания, создаваемой вращением рабочих колес 106, и направляется к рабочим колесам 106 с помощью камеры 118. При прохождении рабочего газа через рабочие колеса 106 и каналы 104 он подвергается сжатию, а затем выпускается из корпуса 128 через выпускной патрубок 110.
[0024] Авторами изобретения было установлено, что обычные компрессоры, как правило, содержат ряд симметричных входных направляющих лопаток, расположенных внутри всасывающей камеры (например, указанной всасывающей камеры 118) для направления потока рабочего газа через всасывающую камеру к рабочим колесам (например, к указанным колесам 106) в требуемый проточный канал. В некоторых вариантах для корректирования вихреобразования на входе компрессора, создаваемого изменением массового расхода, каждая из входных направляющих лопаток может быть повернута вокруг центральной оси лопатки с обеспечением тем самым возможно повышения эффективности. Однако авторами изобретения было установлено, что такие конструктивные решения входных направляющих лопаток обусловливают потери во всасывающей камере с отрицательным воздействием на эксплуатационные характеристики компрессора и снижением его эффективности.
[0025] По существу, в соответствии с фиг. 2, в некоторых вариантах выполнения камера 118 содержит входные направляющие лопатки 206, расположенные вблизи периферической кромки 208 сквозного отверстия 124. Лопатки 206, в целом, содержат первую группу 212 лопаток, вторую группу 204 лопаток и третью группу 214 лопаток. В некоторых вариантах выполнения каждая входная направляющая лопатка первой группы 212 имеет симметричный профиль (например, такой как изложено далее в отношении фиг. 5), а каждая входная направляющая лопатка второй группы 204 и третьей группы 214 имеет изогнутый профиль (например, как изложено далее в отношении фиг. 7). В таких вариантах выполнения все входные направляющие лопатки второй группы 204 имеют одинаковый изогнутый профиль, а профиль каждой входной направляющей лопатки из третьей группы 214 отличается от профиля остальных лопаток третьей группы 214. Дополнительно, в некоторых вариантах выполнения все входные направляющие лопатки третьей группы 214 имеют различную длину (например, как изложено в дальнейшем в отношении фиг. 7). Авторами изобретения было установлено, что путем выполнения первой группы 212, второй группы 204 и третьей группы 214 входных направляющих лопаток, как предложено в данном документе, могут быть уменьшены или устранены потери в камере 118, которые возникали в противном случае при обычном конструктивном решении входных направляющих лопаток, с повышением тем самым эффективности компрессора.
[0026] Входные лопатки 206 могут быть расположены вокруг камеры 118 относительно друг друга и относительно периферической кромки 208 сквозного отверстия 124 любым способом, подходящим для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь во всасывающей камере. В некоторых вариантах выполнения размещение и ориентация лопаток 206 может зависеть от угла прохождения рабочего газа, поступающего в камеру 118 в различных местоположениях вокруг камеры 118. Например, в некоторых вариантах выполнения все лопатки 206 могут быть расположены по существу на равном расстоянии друг от друга вокруг камеры 118, как показано на фиг. 2. В другом примере в некоторых вариантах выполнения все указанные лопаток 206 могут быть расположены на кольце 116, как также показано на фиг. 2.
[0027] Первая группа 212 входных направляющих лопаток может быть расположена вокруг камеры 118 в любом местоположении, подходящем для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь в камере 118 с повышением тем самым эффективности компрессора. Например, в некоторых вариантах выполнения одна или более направляющих лопаток из первой группы 212 могут быть расположены вблизи верхней части 216 камеры 118, а также одна или более направляющих лопаток из первой группы 212 могут быть расположены вблизи нижней части 218 камеры 118, противоположной верхней части 216 камеры 118. В другом примере в некоторых вариантах выполнения две входные направляющие лопатки из первой группы 212 могут быть расположены вблизи верхней части 216 камеры 118, а пять входных направляющих лопаток из первой группы 212 могут быть расположены вблизи нижней части 218 камеры 118, как показано на фиг. 2.
[0028] Вторая группа 204 входных направляющих лопаток может быть расположена вокруг камеры 118 в любом местоположении, подходящем для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь в камере 118. Например, в некоторых вариантах выполнения одна или более направляющих лопаток из второй группы 204 могут быть расположены вблизи первой стороны 222 камеры 118, как показано на фиг. 2. Как вариант, в некоторых вариантах выполнения вторая группа 204 из входных направляющих лопаток может быть расположена вблизи второй стороны 224, противоположной первой стороне 222 камеры 118, как показано на фиг. З.
[0029] Третья группа 204 входных направляющих лопаток может быть расположена вокруг камеры 118 в любом местоположении, подходящем для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь в камере 118. Например, в некоторых вариантах выполнения одна или более направляющих лопаток из третьей группы 214 могут быть расположены вблизи второй стороны 224 камеры 118, как показано на фиг. 2. Как вариант, в некоторых вариантах выполнения третья группа 214 из входных направляющих лопаток может быть расположена вблизи первой стороны 222 камеры 118, как показано на фиг. 3.
[0030] Авторами изобретения было установлено, что избирательное размещение первой группы 212, второй группы 204 и третьей группы 214 лопаток 206, как изложено выше, может быть использовано для обеспечения угла потока рабочего газа относительно камеры 118 с максимизацией тем самым потока рабочего газа и снижения потерь в камере 118. Дополнительно, размещение каждой из первой, второй и третьей групп 212, 204, 214 может определять профиль или изогнутость профиля каждой лопатки 206.
[0031] Например, первая группа 212 лопаток, расположенная у верхней и нижней частей 216, 218 камеры 118, может иметь симметричный профиль для обеспечения уменьшенного влияния набегающего потока рабочего газа, обусловленного направлением потока у верхней и нижней частей 216, 218 камеры 118. Вторая группа 204 лопаток (например, расположенная на первой стороне 222 камеры 118, как показано на фиг. 2, или на второй стороне 224 камеры 118, как показано на фиг. 3) может иметь профиль со слабой изогнутостью по сравнению с третьей группой 214 для обеспечения малого угла потока рабочего газа относительно камеры 118. Третья группа 214 лопаток (например, расположенная на первой стороне 222 камеры 118, как показано на фиг. 3, или на второй стороне 224 камеры 118, как показано на фиг. 2) может иметь профиль с сильной изогнутостью (как изложено в дальнейшем в отношении фиг. 7) или профиль с относительно сильной изогнутостью по сравнению с третьей группой 214 для обеспечения малого угла потока рабочего газа относительно камеры 118.
[0032] В соответствии с фиг. 4 входные направляющие лопатки 206 могут быть расположены относительно центральной оси 202 камеры 118 с любой ориентацией. Дополнительно, в некоторых вариантах выполнения каждая из лопаток 206 может быть установлена с возможностью поворота вокруг оси поворота (точки поворота) (оси 404 поворота единичной входной направляющей лопатки 410, показанной на чертеже). Несмотря на то, что показана только одна ось 404 поворота, тем не менее, следует понимать, что каждая входная направляющая лопатка из указанных входных направляющих лопаток 410 имеет ось поворота, как изложено в данном документе. Лопатки 206 могут поворачиваться с помощью любого средства, подходящего для обеспечения поворота лопаток 206 с требуемой степенью точности, например, такого как общее приводное кольцо или подобного ему.
[0033] Ось 404 поворота может быть расположена в любом местоположении входной направляющей лопатки 410, подходящем для обеспечения требуемого поворота лопатки 410. Например, в некоторых вариантах выполнения ось 404 поворота может быть расположена на хордовой линии 402 лопатки 410 или вблизи нее, а дополнительно, на геометрическом центре лопатки 410 или вблизи него. В некоторых вариантах выполнения ось 404 поворота каждой лопатки из указанных лопаток 404 может быть расположена на одном и том же радиусе относительно камеры 118 для содействия перемещению лопаток 404 с помощью общего средства.
[0034] Лопатки 404 могут поворачиваться на любой угол 406 поворота, подходящий для компенсации изменений массового расхода с обеспечением тем самым содействия эффективной работе камеры 118 и, таким образом, повышению эффективности компрессора. Как определено в данном документе, угол 406 поворота может определяться углом между хордовой линией 402 лопатки 410 и осью 408 камеры 118, соединяющей центр 202 камеры 118 с осью 404 поворота лопатки 410.
[0035] Например, угол 406 поворота может составлять от приблизительно -30° до приблизительно 70°. Применительно к данному документу отрицательный угол указывает на поворот лопатки 410 от первой стороны 412 оси 408 (например, как показано на чертеже), а положительный угол указывает на поворот от второй стороны 414 оси 408. В любом из вышеупомянутых вариантов выполнения все лопатки второй группы 204 могут быть одновременно повернуты на один и тот же угол 406 поворота, или как вариант, могут иметь варьируемые углы 406 поворота.
[0036] В соответствии с фиг. 5 лопатки первой группы 212 могут иметь любые размеры, подходящие для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь во всасывающей камере, при одновременном сохранении симметричного профиля. В некоторых вариантах выполнения размеры могут определяться размером и формой всасывающей камеры. Например, в некоторых вариантах выполнения каждая входная направляющая лопатка из первой группы 212 может иметь длину 508 и ширину (поперечный размер) 602 (показанный на фиг. 6), подходящие для обеспечения возможности поворота лопаток без прохождения за наружную кромку кольца всасывающей камеры (например, кольца 116). В некоторых вариантах выполнения лопатки первой группы 212 могут иметь максимальную толщину 506, составляющую около 19% - 25% от длины 508, причем максимальная толщина 506 находится на расстоянии 504 от входной кромки 510, составляющем около 30% от длины 508.
[0037] В соответствии с фиг. 7 лопатки второй группы 212 и третьей группы 214 могут иметь любые размеры, подходящие для максимизации потока рабочего газа и снижения потерь во всасывающей камере. В некоторых вариантах выполнения размеры лопаток второй группы 204 и третьей группы 214 могут определяться углом набегающего потока рабочего газа и/или расположением входной направляющей лопатки относительно всасывающей камеры. Например, в некоторых вариантах выполнения угол 708 входной кромки (угол между тангенциальной составляющей 712 средней линии 704 контура и хордовой линией 706) и/или угол 714 выходной кромки (угол между тангенциальной составляющей 716 средней линии 704 контура и хордовой линией 706) входной направляющей лопатки может быть по существу одинаковым с углом набегающего потока. В таких вариантах выполнения угол 708 входной кромки может равняться приблизительно 20° - 80°, а угол 714 выходной кромки может равняться приблизительно 0° - -15°.
[0038] В некоторых вариантах выполнения длина 710 и ширина 802 (показанная на фиг. 8) каждой лопатки второй группы 204 и третьей группы 214 могут быть любой величины, подходящей для обеспечения возможности поворота входной направляющей лопатки без выхода за наружную кромку кольца всасывающей камеры (например, кольца 116). В таких вариантах выполнения длина 710 каждой входной направляющей лопатки может быть изменена в соответствии с углом 708 входной кромки и углом 714 выходной кромки (например, в третьей группе 214, в которой все лопатки имеют различный профиль). В некоторых вариантах выполнения толщина 722 входной направляющей лопатки может изменяться по ее длине 710. Например, данная толщина может увеличиваться от входной кромки 718 до максимальной толщины, равной приблизительно 30%-40% от длины хордовой линии 706, а затем уменьшаться по мере приближения к выходной кромке 720.
[0039] Дополнительно, лопатки второй группы 204 и третьей группы 214 имеют профиль с положительной или отрицательной изогнутостью (отрицательная изогнутость показана номером 702 позиции). Применительно к данному документу входная направляющая лопатка, с отрицательной изогнутостью профиля (увеличенной изогнутостью) рассматривается как имеющая «более сильную» изогнутость по сравнению с входной направляющей лопаткой с отрицательной изогнутостью, имеющей меньшую величину (например, «более слабая» изогнутость). Изогнутость профиля может быть любого типа, известного в данной области техники, например, линейная изогнутость, s-образная изогнутость, их сочетание или подобная им.
[0040] Таким образом, в данном документе были предложены варианты выполнения устройства для передачи энергии между вращающимся элементом и текучей средой. По меньшей мере в одном варианте выполнения предлагаемое устройство преимущественно снижает или устраняет потери во всасывающей камере устройства, которые в противном случае возникали при обычном конструктивном решении входных направляющих лопаток, с повышением тем самым эффективности устройства.
[0041] Приведенные в данном документе диапазоны значений являются включительными и сочетаемыми (например, диапазоны «приблизительно от 0° до приблизительно - 15°» включают граничные точки и все промежуточные значения диапазонов от «приблизительно 0° до приблизительно - 15°» и т.д.). Термин «сочетание» включает смеси, композиции, сплавы, продукты реакции и подобные им. Кроме того, применительно к данному документу термины «первый», «второй» и подобные им не указывают на какой-либо порядок, количество или важность, а используются для отличия одного элемента от другого, при этом упоминание элементов в единственном числе в данном документе не указывают на ограничение количества, а указывают на наличие по меньшей мере одного элемента, на который делается ссылка. Слово «приблизительно», используемое в сочетании с количественным показателем, определяет заданную величину включительно и имеет значение, обусловленное контекстом (например, учитывает степень погрешности, связанную с измерением конкретного количественного показателя). Упоминание элементов в единственном и множественном числе с применением скобок в данном документе указывает как на единственное, так и на множественное число определяемого термина, и, соответственно, включает не менее одного термина (например, термин цвет (цвета) включает один или более цветов). Ссылка на протяжении описания на «один вариант выполнения», «некоторые варианты выполнения», «другой вариант выполнения», «вариант выполнения» и т.д. означает, что конкретный элемент (например, деталь, конструкция и/или характеристика) рассмотренный в отношении варианта выполнения, включен по меньшей мере в один вариант выполнения, рассмотренный в данном документе, и может иметься или не иметься в других вариантах выполнения. Дополнительно, следует понимать, что рассмотренные элементы могут быть объединены любым подходящим способом в различных вариантах выполнения.
[0042] Несмотря на то, что данное изобретение описано со ссылкой на иллюстративные варианты выполнения, тем не менее, следует понимать, что специалистами могут быть внесены различные изменения, а также заменены элементы изобретения на равноценные элементы без отклонения от объема правовой охраны изобретения. Кроме того, возможно внесение различных модификаций, приспосабливающих конкретную ситуацию или материал к идеям и принципам данного изобретения без отклонения от сущности объема его правовой охраны. Таким образом, подразумевается, что изобретение не ограничивается конкретным вариантом выполнения, приведенным в качестве его предпочтительного варианта выполнения, а охватывает все варианты выполнения, подпадающие под объем правовой охраны, определенный в прилагаемой формуле изобретения.