Устройство для создания динамического осевого усилия, предназначенное для уравновешивания общего осевого усилия радиальной вращающейся машины
DEVICE FOR GENERATING A DYNAMIC AXIAL THRUST TO BALANCE THE OVERALL AXIAL THRUST OF A RADIAL ROTATING MACHINE

Изобретение относится к радиальным вращающимся машинам, таким как центробежные компрессоры или одноступенчатые детандеры для текучей среды.
В целом, радиальная вращающаяся машина может представлять собой вращающуюся машину для переноса потока текучей среды, причем поток текучей среды принудительно проходит в радиальном направлении по меньшей мере вдоль части проточного тракта.
Радиальная вращающаяся машина представляет собой вращающуюся машину для переноса потока текучей среды, в которой поток текучей среды проходит в радиальном направлении, по меньшей мере вдоль части проточного тракта. Радиальная вращающаяся машина может представлять собой, например, центробежный компрессор.
Центробежные компрессоры или одноступенчатые радиальные детандеры представляют собой радиальные вращающиеся машины: они содержат рабочие колеса с лопатками, которые предназначены для принудительного пропускания потока текучей среды в радиальном направлении от оси вращающейся машины.
Эти рабочие колеса подвержены воздействию осевых сил, которые могут быть двух типов:
так называемые статические осевые силы, создаваемые за счет разницы давления текучей среды между впускной стороной и выпускной стороной колеса,
и так называемые динамические осевые силы, которые являются результатом изменения количества движения, которому подвержены текучие среды, втекающие в осевом направлении в рабочее колесо и вытекающие из колеса в радиальном направлении.
Эти осевые силы, как правило, частично уравновешиваются балансировочной барабанной системой, и частично уравновешиваются осевыми упорными подшипниками, например, масляными подшипниками.
В указанных системах по меньшей мере балансировочный барабан установлен вокруг той же самой оси, что и рабочее колесо. Балансировочный барабан имеет две проходящие в радиальном направлении поверхности, которые обращены в противоположных осевых направлениях и на которые воздействует текучая среда с различным давлением.
Эти системы обычно настроены так, чтобы уравновешивать статические осевые силы.
По своей конструкции, балансировочные барабанные системы иногда могут также уравновешивать часть динамических осевых сил. Остальная часть осевых сил затем должна быть уравновешена с помощью осевых упорных подшипников. Осевые упорные подшипники могут быть разных типов. Масляные подшипники способны выдерживать высокие нагрузки, но в них должны подаваться смазочные масла, которые могут быть помехой в случае использования под водой, из-за отсутствия доступа к системе, или в медицинских приложениях, где загрязнение маслом недопустимо.
В зависимости от максимальных осевых сил, которые может выдержать упорный подшипник, и, в зависимости от доли осевых сил, которые не уравновешены балансировочным барабаном, способность машины пропускать текучую среду должна быть ограничена до величины, как правило, ниже, чем максимальная пропускная способность, ограниченная другими параметрами радиальной вращающейся машины.
Изобретение направлено на усовершенствование рабочего колеса, обеспечивающую лучшую компенсацию осевых сил, делает, тем самым, возможным использование подшипников только магнитного типа. Другой целью настоящего изобретения является уменьшение общей длины и массы системы.
Для этого узел рабочего колеса для радиальной вращающейся машины, в соответствии с изобретением, содержит ступицу с лопатками, имеющую первую обращенную в радиально наружном направлении поверхность, отклоняющую текучую среду и имеющую криволинейный профиль, выполненный с обеспечением отклонения осевого потока текучей среды в радиальный центробежный поток. Рабочее колесо содержит отражатель, имеющий вторую обращенную в радиально наружном направлении поверхность, отклоняющую текучую среду. Указанная вторая обращенная в радиально наружном направлении поверхность имеет криволинейный профиль, выполненный с обеспечением отклонения радиального центростремительного потока текучей среды в осевой поток текучей среды и расположена в осевом направлении ниже по потоку, с учетом направления осевых потоков текучей среды от первой обращенной в радиально наружном направлении поверхности. На указанной первой поверхности расположены лопатки ступицы.
В соответствии с изобретением, радиальная вращающаяся машина для переноса текучей среды содержит одно или несколько рабочих колес, прикрепленных к одной и той же оси, причем каждое из них содержит ступицу с лопатками, а каждая указанная ступица имеет первую обращенную в радиально наружном направлении поверхность, отклоняющую текучую среду и имеющую криволинейный профиль, выполненный с обеспечением отклонения осевого потока текучей среды в радиальный центробежный поток.
Машина также содержит:
- покрывающий диск, установленный вокруг каждой ступицы с обеспечением захвата осевого потока текучей среды, который достигает ступицы с лопатками, и с обеспечением принудительного направления потока текучей среды вдоль первой, обращенной в наружном направлении поверхности,
- статор, содержащий направляющий канал для текучей среды, поступающей из пространства между покрывающими дисками и первыми, обращенными в наружном направлении поверхностями, причем за каждым рабочим колесом указанный канал содержит центробежный диффузор, за которым следует изгиб, за которым следует центростремительный обратный канал.
Машина содержит по меньшей мере дефлектор, имеющий вторую обращенную в радиально наружном направлении поверхность, отклоняющую текучую среду, вставленный в проточный канал текучей среды, вращающийся вместе с валом и имеющий криволинейный профиль, выполненный с обеспечением отклонения радиального центростремительного потока текучей среды в осевой поток текучей среды. Машина содержит такое же количество дефлектора, вставленных в проточный канал текучей среды, что и общее количество рабочих колес, прикрепленных к валу.
Дефлектор может быть размещен выше по потоку от ступицы с лопатками.
Дефлектор также может быть размещен ниже по потоку от ступицы с лопатками.
Дефлектор и ступица с лопатками могут принадлежать одному и тому же рабочему колесу.
Узел рабочего колеса может содержать вал ротора, и может содержать ступицу, ограничивающую по меньшей мере часть указанной первой поверхности, и дефлектор, ограничивающий по меньшей мере часть указанной второй поверхности, причем как ступица, так и дефлектор собраны на валу с обеспечением передачи валу как осевых, так и вращательных сил.
Вал может иметь переменное поперечное сечение, так что поверхность вала ограничивает часть либо первой, либо второй обращенной в наружном направлении поверхности.
Как первая обращенная в наружном направлении поверхность, так и вторая обращенная в наружном направлении поверхность может быть ограничена в целом вогнутой поверхностью, причем вогнутость каждой из указанных двух поверхностей обращена в противоположных осевых направлениях.
Узел рабочего колеса может содержать поверхность первого уплотнительного участка, расположенного в осевом направлении между ступицей с лопатками и дефлектором, причем указанная вторая поверхность проходит от своей самой нижней по потоку стороны до поверхности первого уплотнительного участка, посредством участков поверхности, которые все ориентированные либо радиально, либо обращены в радиально наружном направлении.
Указанная вторая поверхность может содержать центральный участок, который содержит осевой участок, либо центральный участок, который проходит по касательной к осевому направлению.
Указанная вторая поверхность может быть ограничена радиальным участком, который содержит осевой участок, или радиальным участком, который проходит по касательной к радиальной плоскости, причем вся обращенная в наружном направлении поверхность проходит в осевом направлении вниз по потоку от радиальной плоскости.
Когда дефлектор расположен выше по потоку от ступицы, полученный узел рабочего колеса может быть собран нависающим над валом в осевом направлении. Ступица с лопатками размещена рядом на валу, а дефлектор - на осевой стороне, противоположной валу.
В одном варианте выполнения по меньшей мере часть обратного канала ограничена указанной второй поверхностью.
Радиальная вращающаяся машина может содержать первое уплотнение, перекрывающее зазор между статором и рабочим колесом, причем первое уплотнение расположено в осевом положении между указанными первой и второй поверхностями, и может содержать второе уплотнение, расположенное вокруг покрывающего диска и перекрывающее зазор между покрывающим диском и статором.
В некоторых вариантах выполнения первое уплотнение расположено радиально снаружи первой обращенной в наружном направлении поверхности, вдоль периферийного наружного края узла рабочего колеса.
В других вариантах выполнения первое уплотнение и второе уплотнение проходят приблизительно на одинаковом радиальном расстоянии от оси вала. Можно считать, что первое уплотнение и второе уплотнение проходят приблизительно на одинаковом радиальном расстоянии, если средние радиусы указанных двух уплотнительных поверхностей, принадлежащих рабочему колесу и покрывающему диску, отличаются не более чем на 10%, а предпочтительно не более чем на 5%.
В радиальной вращающейся машине, если смотреть в радиальной плоскости, углы между центробежным потоком текучей среды, покидающим первую обращенную в наружном направлении поверхность, и потоком текучей среды, протекающей вдоль второй обращенной в наружном направлении поверхности, остаются меньше 180°. Чтобы достичь этого, указанные первая и вторая обращенные в наружном направлении поверхности выполнены так, что, если смотреть в радиальной плоскости, углы между выпускным касательным направлением первой обращенной в наружном направлении поверхности и впускным касательным направлением второй обращенной в наружном направлении поверхностью остаются меньшими или равными 180°. Впускное и выпускное касательные направления определяются по отношению к направлению потока текучей среды, то есть представляют собой направления в пределах радиальной плоскости, касательные к указанным поверхностям, а ориентация направлений, используемых для измерения угла, задается направлением потока текучей среды.
Для определения радиального центростремительного потока или радиального центробежного потока можно считать, что вектор скорости текучей среды может образовывать угол с осью рабочего колеса, который имеет величину в диапазоне между 60° и 90°, а предпочтительно от 80° до 90°. Для определения осевого потока текучей среды можно считать, что вектор скорости текучей среды может образовывать угол с осью рабочего колеса, который имеет величину в диапазоне между 0° и 20°, а предпочтительно от 0° до 20°.
В предпочтительном варианте выполнения узел рабочего колеса, в соответствии с изобретением, содержит первый уплотнительный участок, проходящий в окружном направлении узла рабочего колеса и расположенный в осевом направлении между первой обращенной в наружном направлении поверхностью и второй обращенной в наружном направлении поверхностью. Предпочтительно, первый уплотнительный участок расположен радиально снаружи второй обращенной в наружном направлении поверхности (т.е. первый уплотнительный участок имеет минимальный радиус, который больше или равен максимальному радиусу второй обращенной в наружном направлении поверхности). Уплотнительный участок представляет собой часть поверхности, профиль и твердость которой обеспечивает ее размещение напротив уплотнительного элемента, для, например, металлического уплотнительного элемента, собранного на статорном элементе.
В предпочтительном варианте выполнения изобретения первый уплотнительный участок расположен рядом с по меньшей мере второй радиально обращенной в наружном направлении поверхностью. В более конкретном варианте выполнения первый уплотнительный участок расположен как рядом с первой, так и рядом со второй радиально обращенной в наружном направлении поверхностью. В некоторых вариантах выполнения узел рабочего колеса может содержать по меньшей мере одну радиально проходящую поверхность, проходящую между первой обращенной в наружном направлении поверхностью и первым уплотнительным участком, или может содержать по меньшей мере одну радиально проходящую поверхность, проходящую между второй обращенной в наружном направлении поверхностью и первым уплотнительным участком. В предпочтительном варианте выполнения вторая обращенная в наружном направлении поверхность проходит от ее самого нижнего по потоку участка до поверхности первого уплотнительного участка, через участки поверхности, которые все либо ориентированы в радиальном направлении, либо обращены в радиально наружном направлении. Под радиально проходящей поверхностью понимают либо радиальную поверхность, либо поверхность, проходящую как в осевом направлении, так и в радиальном направлении. В предпочтительном варианте выполнения радиально проходящая поверхность представляет собой радиальную поверхность.
Предпочтительно, как первая, так и вторая обращенная в наружном направлении поверхность ограничены в целом вогнутой поверхностью, причем вогнутость каждой из указанных двух поверхностей обращена в осевом противоположном направлении. В предпочтительном варианте выполнения каждая из указанных первой и второй поверхностей представляет собой поверхность, ограниченную, соответственно, первым и вторым радиальными криволинейными участками. Криволинейные участки являются вогнутыми, с постоянным радиусом кривизны или с непрерывно меняющимся радиусом кривизны. В предпочтительном варианте выполнения вогнутость первой указанной поверхности обращена в направлении вверх по потоку, а вогнутость указанной второй поверхности обращена в направлении вниз по потоку. В другом варианте выполнения вогнутость указанной первой поверхности обращена в направлении вниз по потоку, а вогнутость указанной второй поверхности обращена в направлении вверх по потоку.
В предпочтительном варианте выполнения указанная вторая поверхность содержит радиально наружный участок, который содержит участок радиальной поверхности, или содержит радиальный участок, который проходит по касательной к геометрической радиальной плоскости. Можно считать, что поверхность проходит по касательной к радиальной плоскости, если направление нормали к поверхности образует угол с осевым направлением, который уменьшается при движении вдоль поверхности по направлении к ее радиально наружной части, и заканчивается на внешней периферии поверхности под углом не более чем 20°, и предпочтительно не более чем 10°, от осевого направления.
В предпочтительном варианте выполнения ступица с лопатками и дефлектор являются частями одной и той же детали.
В предпочтительном варианте выполнения указанная вторая поверхность содержит либо центральный участок, который содержит осевой участок, либо центральный участок, который проходит по касательной к осевому направлению. Можно считать, что центральный участок поверхности проходит по касательной к осевому направлению, если он проходит по касательной к направлению, образующему угол с осевым направлением не более 20°, а предпочтительно не более чем 10°.
В некоторых вариантах выполнения узел рабочего колеса может содержать вал ротора, может содержать переднюю часть ступицы, ограничивающую по меньшей мере часть указанной первой поверхности, и может содержать заднюю часть дефлектора, ограничивающую по меньшей мере часть указанной второй поверхности, причем как передняя часть ступицы, так и задняя часть дефлектора собраны на валу таким образом, чтобы передавать валу как осевые, так и вращательные силы. В предпочтительном варианте выполнения передняя часть ступицы и задняя часть дефлектора являются одной деталью. В другом варианте выполнения передняя часть ступицы и задняя часть дефлектора являются двумя различными деталями. Указанные две различные детали могут быть расположены бок о бок, или могут быть разделены третьей деталью, например, третьей деталью, содержащей первый уплотнительный участок.
В конкретном варианте выполнения вал имеет переменное поперечное сечение, так что поверхность вала ограничивает участок указанных либо первой, либо второй поверхности. В качестве альтернативы или в дополнение к этому, узел может содержать по меньшей мере дополнительное кольцо, установленное на валу, причем внешняя поверхность кольца ограничивает участок либо первой, либо второй указанной поверхности, уже не ограниченной передней частью ступицы, задней частью дефлектора или валом.
В предпочтительном варианте выполнения машина содержит направляющие лопатки для текучей среды, которые расположены в канале диффузора, проходят, по меньшей мере частично, в осевом направлении и соединяют первую стенку статора, ограничивающую одну сторону обратного канала, с перегородкой, ограничивающей участок другой стороны канала диффузора. Перегородка также ограничивает сторону диффузора и внутреннюю поверхность изгиба. Указанная вторая поверхность предпочтительно расположена таким образом, что она совмещена с одной из стенок перегородки, или таким образом, что она проходит по касательной к одной из стенок перегородки.
Радиальная вращающаяся машина может содержать «n» ступеней с рабочим колесом, в которых по меньшей мере «n-1» узлов рабочего колеса имеют первую и вторую обращенные в наружном направлении поверхности, и может содержать расположенный выше по потоку дефлектор, установленный на валу выше по потоку от первого рабочего колеса. Расположенный выше по потоку дефлектор может иметь третью обращенную в радиально наружном направлении поверхность, отклоняющую текучую среду и имеющую криволинейный профиль, выполненный с обеспечением отклонения радиального центростремительного потока в осевой поток текучей среды, направляемый на вход первого рабочего колеса. Указанная третья обращенная в радиально наружном направлении поверхность имеет ту же форму и выполняет ту же функцию, что и указанная вторая поверхность, но образована частью, которая не является выпускной стороной рабочего колеса. Под первым рабочим колесом понимается самое верхнее по потоку рабочее колесо. В предпочтительном варианте выполнения все «n» рабочих колес имеют указанную первую поверхность, и по меньшей мере «n-1» рабочих колес имеют указанную вторую поверхность, т.е. все рабочие колеса, за исключением самого нижнего по потоку рабочего колеса. Самое нижнее по потоку рабочее колесо может иметь, а может и не иметь указанную вторую поверхность, причем указанная поверхность может быть включена, а может и не быть включена в проточный тракт для текучей среды. В этом предпочтительном варианте выполнения размеры и форма третьей отклоняющей поверхности, размеры и форма «n» первых обращенных в наружном направлении поверхностей и «n-1» вторых обращенных в наружном направлении поверхностей выполнены таким образом, чтобы уравновешивать суммарные динамические осевые усилия, приложенные текучими средами к «n» рабочим колесам и к расположенному выше по потоку дефлектору, например, так, что суммарные динамические осевые силы меньше чем 20% от всех динамических осевых сил, действующих на «n» первые обращенные в наружном направлении поверхности, и предпочтительно менее чем 10% от всех динамических осевых сил, действующих на «n» первые обращенные в наружном направлении поверхности. В одном варианте выполнения осевые силы, действующие со стороны текучих сред на расположенный выше по потоку дефлектор, в целом уравновешивают силы, действующие на указанную первую поверхность непосредственно ниже по потоку от дефлектора. В другом варианте выполнения осевые силы, действующие со стороны текучей среды на расположенный выше по потоку дефлектор, в основном уравновешивают силы, действующие на самую нижнюю по потоку первую обращенную в наружном направлении поверхность. В еще одном варианте выполнения осевые силы, действующие со стороны текучих сред на расположенный выше по потоку дефлектор, уравновешивают разность между осевыми нижними по потоку динамическими усилиями, действующими со стороны текучих сред на «n» первые, обращенные в наружном направлении поверхности, и осевыми верхними по потоку динамическими усилиями, действующими со стороны текучих сред на «n-1» вторые обращенные в наружном направлении поверхности.
В одном варианте выполнения самый верхний по потоку дефлектор расположен выше по потоку от первой ступицы с лопатками и не образует часть обратного канала. Вторая обращенная в радиально наружном направлении поверхность дефлектора может, таким образом, быть поверхностью, расходящейся в сторону первого осевого конца дефлектора, удаленного от ступицы, с тем, чтобы достичь или прийти по касательной к радиальной плоскости. Предпочтительно, вторая обращенная в радиально наружном направлении поверхность дефлектора также может быть поверхностью, сходящейся таким образом, чтобы прийти касательной ко второму осевому концу рядом со ступицей, по направлению к первой обращенной в радиально наружном направлении поверхности ступицы.
Дефлектор может содержать обращенную в радиально внутреннем направлении поверхность, непрерывно радиально расходящуюся в направлении от ступицы, вдоль по меньшей мере половины осевой длины дефлектора. Обращенная во внутреннем направлении поверхность ограничивает полую область в осевом центре дефлектора.
В этом случае радиальная толщина дефлектора предпочтительно максимальна рядом со ступицей. Толщина означает здесь толщину материала детали, за исключением радиальных размеров полых областей. Максимальная толщина дефлектора может быть, как минимум, в три раза больше минимальной радиальной толщины дефлектора.
Узел ротора может содержать балансировочный барабан, установленный на валу и представляющий собой часть, отдельную от узла рабочего колеса.
Узел ротора может содержать балансировочный барабан, интегрированный в ступицу с лопатками. Ступица может содержать, например, кольцевой уплотнительный выступ, проходящий в осевом направлении от ступицы на стороне колеса, противоположной дефлектору, причем кольцевой уплотнительный выступ обращен к уплотнению, установленному на статоре.
Дефлектор может содержать обращенную в радиально внутреннем направлении поверхность, расходящуюся радиально в осевом направлении от ступицы и расположенную таким образом, что, когда роторный узел используется, она подвергается воздействию газа с таким же давлением, что и давление газа, действующее на первую, обращенную в наружном направлении поверхность.
В другом варианте выполнения дефлектор может быть обращен к уплотнительной системе вдоль линии, которая разделяет область, содержащую первую обращенную в наружном направлении поверхность, от области, содержащей обращенную в радиально внутреннем направлении поверхность. Затем обращенная во внутреннем направлении поверхность, когда ротор используется, подвергается воздействию газа с другим давлением, чем давление газа, действующее на обращенную в наружном направлении поверхность.
Как дефлектор, так и ступица могут содержать, соответственно, первую радиальную поверхность и вторую радиальную поверхность, которые обращены, соответственно, к первому вкладышу первого осевого упорного подшипника и ко второму вкладышу второго осевого упорного подшипника.
Дефлектор может содержать участок поверхности, проходящий в радиальном направлении и расположенный таким образом, что он подвергается воздействию газа с давлением, отличным от давления газа, действующего на первую, обращенную в наружном направлении поверхность.
В предпочтительном варианте выполнения радиальная вращающаяся машина не содержит никаких других осевых упорных подшипников, кроме первого осевого упорного подшипника и второго осевого упорного подшипника.
Благодаря автоматической балансировке динамических осевых сил внутри машины, вал может поддерживаться аксиально внутри статора с помощью магнитных осевых упорных подшипников, без использования осевых подшипников дополнительных видов.
Некоторые дополнительные цели, преимущества и другие признаки настоящего изобретения будут изложены в описании, которое следует далее.
Далее, со ссылкой на прилагаемые чертежи, описан предпочтительный, но не ограничивающий вариант выполнения, причем на чертежах:
- Фиг. 1 представляет собой упрощенный вид в разрезе части вращающейся машины, выполненной в соответствии с изобретением;
- Фиг. 2 представляет собой упрощенный вид в разрезе части еще одного варианта выполнения вращающейся машины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг. 1 показана часть 1 центробежного компрессора, выполненного в соответствии с изобретением. Компрессор содержит вал 9, вращающийся вокруг оси Х-Х'. Рабочее колесо 2 установлено вокруг вала 9 с обеспечением вращения вокруг оси Х-Х' вместе с валом 9 и передачи валу осевых сил, сообщаемых текучими средами рабочему колесу 2. В описании «текучая среда» или «текучие среды» относится к текучим средам, пропускаемым через радиальную вращающуюся машину.
В описании под «радиальной поверхностью» понимается поверхность, созданная рядом радиальных линий, то есть поверхность, перпендикулярная оси Х-Х' вращающейся машины 1.
Под «осевой поверхностью» понимается поверхность, созданная рядом осевых линий, т.е. часть цилиндрической поверхности с осью, параллельной оси Х-Х'.
Рабочее колесо 2 содержит ступицу 4 с лопатками и отражатель 3, расположенный ниже по потоку от ступицы 4 с лопатками.
Под расположением ниже по потоку понимается расположение ниже по потоку вдоль проточного тракта для текучих сред, циркулирующих в машине 1. Как ступица 4 с лопатками, так и дефлектор 3 находятся в контакте с потоком текучей среды, и они способствуют направлению потока текучей среды.
Ступица с лопатками содержит первую обращенную в радиально наружном направлении поверхность 11, на которой установлены лопатки рабочего колеса (не видны на чертежах), распределенные между внутренней линией 21а и наружной линией 21b.
Ступица с лопатками покрыта, на своей радиально наружной стороне, покрывающим диском 8. Таким образом, канал для текучей среды ограничен между ступицей и покрывающим диском. Канал для текучей среды выполнен таким образом, чтобы отклонять входящий осевой поток 25 текучей среды в выходящий радиальный центробежный поток 27.
Дефлектор 3 расположен ниже по потоку от ступицы 4 и имеет вторую обращенную в радиально наружном направлении поверхность 12. Как первая обращенная в наружном направлении поверхность 11, так и вторая обращенная в наружном направлении поверхность 12 проходят, по меньшей мере частично, в радиальном направлении и, по меньшей мере частично, в осевом направлении. Поверхности 11 и 12 обращены в противоположных осевых направлениях. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, рабочее колесо имеет первую радиальную поверхность 37 на осевом конце первой поверхности 11 и вторую радиальную поверхность 38 на осевом конце второй поверхности 12.
Рабочее колесо проходит в осевом направлении между первой радиальной поверхностью 37 и второй радиальной поверхностью 38. В некоторых вариантах выполнения поверхность 37 и/или поверхность 38 может быть сведена к линии окружности.
Ступица 4 и дефлектор 3 могут быть образованы двумя отдельными деталями. Они могут, в предпочтительном варианте выполнения, быть образованы одной и той же деталью. В этом случае между двумя деталями может быть задан произвольный осевой предел, с помощью любой радиальной плоскости 39, которая проходит между поверхностями 11 и 12, не перекрывая ни одну из двух поверхностей. Такая радиальная геометрическая плоскость 39 может быть образована также в тех случаях, когда первая и вторая, обращенные в наружном направлении поверхности принадлежат двум различным деталям.
В некоторых вариантах выполнения первая и вторая, обращенные в наружном направлении поверхности могут быть в целом получены путем вращения вокруг оси Х-Х' некоторых линий сечения рабочего колеса, таких как линии, определяющие контур рабочего колеса 2 на Фиг. 1 или на Фиг. 2.
В других вариантах выполнения первая и вторая, обращенные в наружном направлении поверхности могут и не являться в точности поверхностями вращения. Они могут, например, быть получены путем периодического вращения вокруг оси Х-Х', набора начальных генерирующих поверхность участков.
Рабочее колесо 2, вал 9 и покрывающий диск 8 окружены частями статора, такими как впускная крышка 5, стенка 7 диффузора, перегородка 6 и стенка 10 обратного канала. Впускная крышка 5 способствует направлению входящего осевого потока 25 текучей среды. Входящий осевой поток 25 текучей среды достигает входа в рабочее колесо, ограниченного радиальным отверстием между покрывающим диском 8 и рабочим колесом 2. В некоторых вариантах выполнения, например, на Фиг. 2, впускная крышка 5 может, вместе с расположенной выше по потоку статорной стенкой 18 впускного отверстия, ограничивать, по меньшей мере частично, впускной канал 15, направляющий центростремительный поток 29 в направлении входа в рабочее колесо, и отклоняющий поток текучей среды в осевой поток перед его поступлением во вход рабочего колеса.
Возвращаясь к Фиг. 1, радиальный центробежный поток 27 покидает рабочее колесо 2, затем направляется в канал 16 диффузора, ограниченный между стенкой 7 диффузора и перегородкой 6. Затем он достигает изгиба 40 канала. Изгиб 40 канала ограничен участком стенки 7 диффузора, участком стенки 10 обратного канала и перегородкой 6. Он также может быть ограничен только стенкой обратного канала и перегородкой. После изгиба 40 текучие среды направляются через обратный канал 17, следуя по направлению центростремительного потока, в направлении второй отклоняющей поверхности 12, расположенной позади (т.е. на выпускной стороне) рабочего колеса 2. Расположенный выше по потоку участок обратного канала 17 ограничен в осевом пространстве между перегородкой 6 и стенкой 10 обратного канала. Перегородка 6 может удерживаться лопатками 22 обратного канала, перекрывающими осевой зазор между перегородкой 6 и стенкой 10 обратного канала. Расположенный ниже по потоку участок обратного канала 17 ограничен между стенкой 10 и второй поверхностью 12. Этот расположенный ниже по потоку участок обратного канала изогнут таким образом, чтобы отклонять центростремительный поток 28 текучей среды в осевой поток 26 текучей среды. Осевой поток 26 текучей среды затем может поступить во вход второго рабочего колеса 42, расположенного ниже по потоку от первого рабочего колеса 2, как показано на Фиг. 2. Рабочее колесо 2 и рабочее колесо 42 принадлежат одной и той же многоступенчатой машине, например, двухступенчатой машине, как в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2. Многоступенчатая машина может содержать более двух ступеней, и в этом случае все рабочие колеса машины, за исключением самых нижних по потоку рабочих колес, могут иметь как первую обращенную в наружном направлении поверхность, так и вторую обращенную в наружном направлении поверхность в обратном канале, связанном с колесом, как описано выше. В некоторых вариантах выполнения самое нижнее по потоку рабочее колесо может и не иметь расположенную ниже по потоку отклоняющую поверхность, т.е. не иметь второй обращенной в наружном направлении поверхности. В других вариантах выполнения, самое нижнее по потоку рабочее колесо может иметь ту же форму, что и расположенные выше по потоку рабочие колеса, причем вторая обращенная в наружном направлении поверхность просто не вставлена в проточный тракт вращающейся машины.
Возвращаясь к Фиг. 1, на стенке 7 диффузора установлено уплотнение 19 входа в рабочее колесо. Уплотнение 19 контактирует с покрывающим диском 8 так, чтобы не допускать протечки входящего потока 25 текучей среды и не допускать эту протечку непосредственно в канал 16 диффузора, без прохождения канала для текучей среды, ограниченного между покрывающим диском 8 и ступицей 4.
Вторая поверхность 12 содержит отклоняющую поверхность с достаточной радиальной и осевой протяженностью и с адекватной кривизной, с тем, чтобы превратить радиальный центростремительный поток 28 в дефлекторе 3 в осевой поток 26, выходящий из обратного канала 17.
Таким образом, суммарные динамические осевые силы, действующие со стороны текучих сред на вторую поверхность 12, противоположны по направлению и по амплитуде суммарным динамическим осевым силам, действующим со стороны текучих сред на первую поверхность 11.
Вращающаяся машина может представлять собой одноступенчатую машину или многоступенчатую машину.
Чтобы отклонить осевой поток текучей среды в радиальный поток текучей среды, первая поверхность 11 может быть завершена участком 24 поверхности дефлектора, принадлежащим валу 9, как показано на Фиг. 1, или первая поверхность 11 может быть завершена участком поверхности дефлектора, принадлежащим кольцу, установленном на валу (не показан на чертежах), или же первая поверхность 11 может быть завершена участком поверхности дефлектора, принадлежащем другому дефлектору 14, установленному выше по потоку от колеса 2, как показано на Фиг. 2. В этом случае первая поверхность 11 может быть расположена рядом с радиальной поверхностью 37, ограничивающей в осевом направлении верхний по потоку предел рабочего колеса 2.
Вторая поверхность 12 проходит в радиальном направлении достаточно далеко от оси Х-Х' вращающейся машины. Вторая поверхность 12 проходит предпочтительно в радиальном направлении дальше, чем внутренний радиус покрывающего диска 8; внутренний радиус считается как минимальное расстояние между осью Х-Х' и внутренней поверхностью покрывающего диска 8. В предпочтительном варианте выполнения разность между максимальным диаметром по меньшей мере второй поверхности 12 и минимальным диаметром первой поверхности 11, следующей за ней, составляет более 150% от радиального расстояния между внутренним диаметром покрывающего диска, покрывающего первую обращенную в наружном направлении поверхность, и минимальным диаметром первой поверхности 11.
Таким образом, текучими средами в обратном канале 17 обеспечиваются достаточные силы осевого изгиба, при этом выходная сторона рабочего колеса 2 подвергается воздействию достаточных осевых отклоняющих сил, чтобы сбалансировать отклоняющие силы, приложенные к входной стороне рабочего колеса.
Предпочтительно, вторая поверхность 12 содержит участок 34, который содержит участок радиальной поверхности, или содержит участок радиально наружной поверхности, проходящий по касательной к геометрической радиальной плоскости.
В некоторых вариантах выполнения вторая поверхность 12 может и не проходить точно по касательной к радиальной плоскости, но она содержит периферийный участок 34, что обеспечивает предельный угол А с радиальной плоскостью не более чем 10° и, предпочтительно, не более чем 5°. Предельный угол А может, например, измеряться как угол между осевым направлением и направлением, проходящим по нормали ко второй поверхности 12. На обоих чертежах - Фиг. 1 и Фиг. 2, амплитуда предельного угла А преувеличена, поскольку соответствующий поверхностный угол очень близок к нулю.
Как можно видеть из Фиг. 2, можно представить себе отклонение потока текучей среды между радиальным центробежным направлением потока 27 текучей среды, покидающей входную сторону рабочего колеса 2, и центростремительным потоком текучей среды в верхней по потоку части обратного канала 17, которое может достигать угла отклонения более чем 180°. Тем не менее в предпочтительном варианте выполнения этот угол отклонения не больше чем 180°, для улучшения эффекта балансировки динамических осевых сил. Для этой же цели вся вторая обращенная в наружном направлении поверхность изогнута вперед в осевом направлении, то есть, при движении в радиальном направлении вдоль этой поверхности в направлении оси Х-Х' осевая координата точки контакта с поверхностью может только увеличиваться (вниз по потоку) или на некотором промежутке оставаться постоянной, причем никогда не уменьшаться.
Как следствие, все участки поверхности 12 обращены в радиально наружном направлении. Не допуская участков поверхности, которые обращены в радиально внутреннем направлении, достигается лучший эффект балансировки сил текучей среды, действующих на рабочее колесо 2.
Чтобы отклонить радиальный поток текучей среды в осевой поток текучей среды, вторая поверхность 12 может быть завершена участком 30 поверхности дефлектора, принадлежащим валу 9, как показано на Фиг. 2, или принадлежащим кольцу 23, установленному на валу, как показано на Фиг. 1, или принадлежащим нижнему по потоку рабочему колесу (не показано). В этом случае вторая поверхность 12 может быть расположена рядом с радиальной поверхностью 38, ограничивающей в осевом направлении нижний по потоку предел рабочего колеса 2.
Предпочтительно, вторая поверхность 12 имеет центральный участок 33, который содержит осевой участок или содержит центральный участок 33, который проходит по касательной к осевой цилиндрической поверхности.
В некоторых вариантах выполнения вторая поверхность 12 может и не проходить точно по касательной к осевой цилиндрической поверхности, но эта поверхность 12 должна иметь центральный участок 33, который образует угол β не более чем 10°, и предпочтительно не более чем 5°, с осевым направлением, по тем же причинам направленный на достижение эффективного осевой балансировки динамических сил, действующих со стороны текучей среды. Угол β может быть измерен между касательной к поверхности, лежащей в радиальной плоскости, и осевым направлением оси Х-Х'.
Как можно видеть на Фиг. 1, машина 1 может содержать нижнее по потоку герметичное уплотнение 20, которое может, например, представлять собой лабиринтное уплотнение и которое расположено между перегородкой 6 и первым уплотнительным участком 31 рабочего колеса 2. Уплотнительный участок 31 может иметь ступенчатую или, предпочтительно, неступенчатую поверхность, проходящую по окружности вокруг колеса 2.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, первый уплотнительный участок расположен в радиальном направлении ближе к оси Х-Х', чем наружный край рабочего колеса. Первый уплотнительный участок 31 отделен от наружного края более или менее радиальным участком поверхности, и отделен от вала 9 второй поверхностью 12.
Машина 1 может содержать второй уплотнительный участок 32 поверхности, проходящий вокруг покрывающего диска 8 и обращенный к уплотнению 19 рабочего колеса. Этот второй уплотнительный участок 32 поверхности предпочтительно представляет собой ступенчатую поверхность. Расстояние этой поверхности от оси Х-Х' может, например, быть измерено как среднее значение между осевым участком поверхности, который находится в контакте с уплотнением 19, и ближе всего находится к оси Х-Х', и осевым участком поверхности, который находится в контакте с уплотнением 19, и расположен дольше всего от оси Х-Х'.
В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1, радиальное расстояние от оси Х-Х' первого уплотнительного участка 31 почти такое же, - здесь, отличается не более чем на 20%, а предпочтительно не более чем 10%, от среднего расстояния, разделяющего второй уплотнительный участок 32 поверхности. Преимуществом этого варианта выполнения является то, что разности статического давления лучше сбалансированы, чем в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, первый уплотнительный участок проходит вдоль радиального наружного края 35 рабочего колеса 2, что уменьшает общую длину машины.
Первый и второй уплотнительные участки 31 и 32 могут представлять собой плоские осевые поверхности, ступенчатые осевые поверхности, или зубчатые поверхности, обращенные плоской или ступенчатой поверхностью к уплотнениям 19 или 20.
Вторая поверхность 12 расположена таким образом, что она находится заподлицо, в соответствии с вариантами выполнения, иногда с уплотнением 20 между ними, со стенкой 36 перегородки, ограничивающей обратный канал.
Поверхность 12 совместно со стенкой 36 образует почти непрерывную поверхность, предназначенную для направления текучей среды сначала в центростремительном направлении 28, а затем отклонения ее в осевом направлении 26. Поверхность 12 вместе со стенкой 36, иногда с участком более или менее радиальной поверхности, принадлежащей уплотнению 20, образует отклоняющую поверхность, радиальная линия сечения которой имеет непрерывно меняющийся радиус кривизны. Стенка 36 может быть в целом радиальной или может быть выполнена в форме усеченного конуса, становясь немного шире к валу 9. Как уже было указано выше, Фиг. 2 иллюстрирует другой вариант выполнения радиальной вращающейся машины, выполненной в соответствии с изобретением.
Похожие элементы, показанные на Фиг. 1, можно найти на Фиг. 2, которые обозначены одинаковыми номерами позиций.
В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 2, радиальная вращающаяся машина представляет собой многоступенчатую машину, в проиллюстрированном случае - двухступенчатую машину. Она содержит первое рабочее колесо 2 с первой обращенной в наружном направлении поверхностью и второй обращенной в наружном направлении поверхностью, как описано ранее. Она также содержит расположенное ниже по потоку рабочее колесо 42 только с первой поверхностью 11. Динамические осевые силы, действующие на первую поверхность 11 колеса 2, компенсируются осевыми динамическими силами, действующими на вторую поверхность 12 колеса 2. За вторым, и последним, рабочим колесом 42 не следует обратный канал, поскольку за диффузором 16 следует выпускной канал 44, ограниченный стенкой 7 диффузора и последней стенкой 41 диффузора. Динамические осевые силы, действующие на первую поверхность 11 колеса 42, компенсируются динамическими осевыми силами, действующими на третью обращенную в наружном направлении поверхность 13, принадлежащую расположенному выше по потоку дефлектору 14, который расположен выше по потоку от первого рабочего колеса 2. Третья поверхность 13 имеет форму, аналогичную форме второй обращенной в наружном направлении поверхности, и находится заподлицо с участком поверхности радиальной стенки, принадлежащим верхней по потоку впускной стенке 18. Между впускной стенкой 18 и радиальным наружным краем дефлектора 14 может быть предусмотрено уплотнение, например, лабиринтное уплотнение. В других вариантах выполнения между впускной стенкой 18 и радиальным наружным краем дефлектора 14 может иметься зазор.
В предпочтительном варианте выполнения дефлектор 14 имеет радиальную обращенную во внутреннем направлении поверхность 43, ограничивающую свободное пространство 45 между верхним по потоку дефлектором 14 и валом, открытое вокруг вала на верхнем по потоку конце дефлектора. Таким образом, общий вес ротора уменьшается. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, радиальная вращающаяся машина содержит верхнее по потоку уплотнение 50 балансировочного барабана, расположенное с предотвращением протечки газа между впускным каналом 15 и свободным пространством 45. Радиальная вращающаяся машина, показанная на Фиг. 2, содержит нижнее по потоку уплотнение 49 балансировочного барабана, установленного на последней стенке 41 диффузора с обеспечением вхождения в контакт с проходящей в осевом направлении поверхностью 51 осевого выступа 48 самой нижней по потоку ступицы 42 с лопатками.
Выступ 48 представляет собой более или менее кольцевой осевой выступ, проходящий в осевом направлении к нижней по потоку стороне ступицы 42 с лопатками, ограничивая проходящую в осевом направлении поверхность 51 близко в радиальном направлении к стенке 7 диффузора.
Уплотнение 49 позволяет получить другое давление газа внутри газового канала вдоль самого нижнего по потоку колеса 42, которое отличается от давления на по меньшей мере частично радиальной поверхности рабочего колеса, окруженной выступом 48. Эта разница в давлении создает осевые силы, которые могут быть отрегулированы так, чтобы компенсировать по меньшей мере часть статического осевого усилия, приложенного к рабочим колесам и дефлекторам, собранным на валу 9. Аналогичный регулирующий эффект также достигается с помощью уплотнения 50.
В показанном варианте выполнения дефлектор 14 внутри свободного пространства 45 содержит участок радиальной поверхности, обращенный к вкладышу осевого упорного подшипника 46, например, вкладышу магнитного подшипника. В других вариантах выполнения дефлектор 14 может также содержать участок радиальной поверхности без ограничения свободного пространства 45, а участок радиальной поверхности может быть обращен к вкладышу осевого упорного подшипника. Когда вкладыш подшипника помещен в свободное пространство 45, общая длина машины уменьшается. Второй вкладыш упорного подшипника 47, например, магнитного подшипника, может быть обращен к нижней по потоку радиальной поверхности, принадлежащей нижнему по потоку рабочему колесу. Из-за автоматического уравновешивания динамических осевых сил благодаря обращенным в наружном направлении поверхностям, машина может содержать только 2 вкладыша магнитных подшипников 46 и 47, без необходимости в дополнительных упорных подшипниках.
Предложенная вращающаяся машина с некоторыми признаками, выполненными в соответствии либо с Фиг. 1, либо с Фиг. 2, может иметь более 2 ступеней, например, «n» ступеней, причем «n» больше или равно двум. Она может содержать, от входной стороны до выходной стороны вдоль оси Х-Х', верхний по потоку дефлектор 14, «n-1» рабочих колес 2 с первыми и вторыми обращенными в наружном направлении поверхностями и нижнее по потоку колесо либо со второй обращенной в наружном направлении поверхностью S, либо со второй обращенной в наружном направлении поверхностью, не относящейся к обратному каналу.
Предложенная вращающаяся машина, в особенности одноступенчатая машина, может не иметь второй обращенной в наружном направлении поверхности вниз по потоку от любого рабочего колеса, и содержит только первую обращенную в наружном направлении поверхность 11 на рабочем колесе, связанную с верхней потоку «третьей» обращенной в наружном направлении поверхностью 13, выполненной с возможностью уравновешивания осевых сил, приложенных текучей средой к первой поверхности 11.
Изобретение не ограничено вариантами выполнения, описанными и проиллюстрированными выше, которые следует рассматривать лишь как примеры более широкого диапазона вариантов выполнения.
Первая и вторая, первая и третья обращенные в наружном направлении поверхности могут принадлежать, а могут и не принадлежать одной и той же детали. Может и не предусматриваться, что уравновешивающий эффект достигается на двух смежных поверхностях, а может предусматриваться, что он достигается между всеми осевыми вверх по потоку и всеми осевыми вниз по потоку отклоняющими вращающимися поверхностями.
Когда первая и вторая обращенные в наружном направлении поверхности принадлежат одной и той же детали, которая представляет собой рабочее колесо 2, можно сказать, что часть обратного канала 17 ограничена колесом 2. В некоторых вариантах выполнения, например, на Фиг. 2, статорные лопатки 22 обратного канала проходят, по меньшей мере частично, в участок обратного канала, ограниченный второй поверхностью 12.
Вращающаяся машина предпочтительно работает с газами, но может работать с текучей средой другого типа, такой как газообразные суспензии с жидкими каплями.
Один участок второй поверхности 12 может принадлежать одной и той же детали, ограничивающей также верхнюю по потоку сторону рабочего колеса 2, а другой участок этой поверхности 12, или несколько других участков, может принадлежать либо самому валу, либо может быть ограничен отдельными частями, собранными на валу.
С помощью узла рабочего колеса, выполненного в соответствии с изобретением, остальная часть осевых сил, которая должна быть уравновешена осевыми упорными подшипниками, уменьшается. Размер осевого упорного подшипника может быть уменьшен, или же масляные подшипники могут быть заменены магнитными упорными подшипниками. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, в связи с тем, что осевое расстояние между каналом рабочего колеса и обратным каналом сводится к минимуму, общая длина радиальной вращающейся машины может быть короче, чем в известных машинах.
В варианте выполнения, показанном на Фиг. 1, общая длина машины в осевом направлении больше, но статические силы давления автоматически уравновешиваются в дополнение к автоматической балансировке динамических сил давления.
Вследствие способности автоматического уравновешивания осевых сил узла рабочего колеса может быть обеспечена возможность большей пропускной способности вращающейся машины. Такие высокие пропускные способности иногда происходят в переходных режимах, что формально означает проектирование гораздо более громоздких упорных подшипников.
Узел рабочего колеса, выполненный в соответствии с изобретением, обеспечивает возможность создания более компактных радиальных вращающихся машин с более широкими диапазонами функционирования, особенно когда требуется большая пропускная способность текучей среды.