STATOR VANE FOR A CENTRIFUGAL COMPRESSOR
ЛОПАТКА СТАТОРА ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к сфере центробежных компрессоров для нефтегазовой промышленности. В частности, описанный в настоящем документе объект изобретения относится к лопатке статора для центробежного компрессора, которую можно использовать для направления потока в каналы возврата, например, в многоступенчатых центробежных компрессорах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В центробежных компрессорах ротор ускоряет поток газа по окружности вокруг оси для его сжатия центробежным методом. Лопатки статора обычно расположены ниже по потоку от одного или более рабочих колес ротора для выпрямления потока газа после сжатия, в частности для коррекции радиальной окружной составляющей скорости.
[0003] Например, в многоступенчатых компрессорах, имеющих одно или более рабочих колес, лопатки статора размещают в каналах возврата между двумя последовательными рабочими колесами для приема потока газа от первого ротора, его направления ко второму ротору и его выпрямления в процессе.
[0004] Форма лопатки статора взаимодействует с текучей средой по-разному в зависимости от условий потока, которые зависят от рабочего состояния компрессора.
[0005] Как правило, конструкция лопаток статора выполняется для обеспечения плавного прохода потока вокруг лопаток на проектной рабочей частоте вращения компрессора. Однако использование этих лопаток может приводить к потере производительности, когда компрессор не работает с рабочей проектной частотой вращения, например, во время его запуска или выключения, или в рабочих условиях, требующих непрерывного изменения частоты вращения компрессора.
[0006] В этих условиях лопатки статора более ранней конструкции, выполненные для только одного рабочего состояния, как правило, вызывают локальные или даже полные разделения потоков, что приводит к потере скорости или образованию зон рециркуляции и влияет на рабочие характеристики компрессора.
[0007] Таким образом, является желательным использование лопатки статора, которая могла бы работать в более широком диапазоне рабочих условий, избегая разделения потоков или по меньшей мере уменьшая разделение потоков.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] В соответствии с одним аспектом описанный в настоящем документе объект изобретения относится к лопатке статора для центробежного компрессора. Лопатка статора содержит переднюю часть, выполненную с возможностью приема потока газа и имеющую наружную поверхность, выполненную с возможностью направления потока газа, смежного с наружной поверхностью, причем передняя часть выполнена с возможностью создания по меньшей мере одного вихря в направлении потока в потоке газа.
[0009] В соответствии с другим аспектом описанный в настоящем документе объект изобретения относится к центробежному компрессору, содержащему по меньшей мере одну лопатку статора; такая лопатка статора содержит переднюю часть, выполненную с возможностью приема потока газа и имеющую наружную поверхность, выполненную с возможностью направления потока газа, смежного с наружной поверхностью, причем передняя часть выполнена с возможностью создания по меньшей мере одного вихря в направлении потока в потоке газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0010] Описанные варианты осуществления изобретения и многие сопутствующие ему преимущества можно более полно оценить и понять в ходе изучения следующего подробного описания, рассматриваемого в связи с прилагаемыми чертежами, причем:
На Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены меридиональные схемы соответствующих вариантов осуществления центробежного компрессора, описанных в настоящем документе, содержащего соответствующие варианты осуществления лопатки статора, описанные в настоящем документе;
на Фиг. 4 представлен вид в перспективе варианта осуществления лопатки статора, описанного в настоящем документе;
на Фиг. 5 и Фиг. 6 представлены схематические виды спереди рабочей конфигурации соответствующих вариантов осуществления лопатки статора, описанных в настоящем документе;
на Фиг. 7 представлен частичный вид сверху рабочей конфигурации соответствующих вариантов осуществления лопатки статора, описанных в настоящем документе;
на Фиг. 8, Фиг. 9 и Фиг. 10 представлены схематические виды спереди соответствующего варианта осуществления лопатки статора, описанного в настоящем документе;
на Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17 и Фиг. 18 представлены схематические виды сверху лопатки статора в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе;
на Фиг. 19 и Фиг. 20 представлены виды в разрезе соответствующих вариантов осуществления лопатки статора, описанных в настоящем документе; и
на Фиг. 21 схематически представлен вариант осуществления компрессора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0011] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к лопатке статора, предназначенной для расположения в компрессоре ниже по потоку от рабочего колеса ротора и выпрямления потока газа, поступающего от рабочего колеса. Лопатка статора имеет переднюю часть, выполненную с возможностью создания одного или более вихрей в направлении потока в потоке газа, которые следуют за потоком и остаются на верхней поверхности (также известной как «поверхность разрежения») лопаток статора.
[0012] Вихрь в направлении потока представляет собой завихрение, проходящее параллельно направлению потока и образующее «вихревую трубку», в которой поток перемещается по большей части по спиралевидной траектории. Вихри в направлении потока перемешивают пограничный слой потока на верхней поверхности лопатки статора, повторно передавая энергию пограничному слою для предотвращения или задержки отсоединения потока от поверхности, таким образом задерживая и/или уменьшая потерю скорости лопатки статора. Понятие «завихренность в направлении потока» и процесс ее генерации известны из книг, например, из книги «Internal Flow - Concepts and Applications» of E. M. Greitzer, C. S. Tan and M. B. Graf, опубликованной в 2004 г., и опубликованной в электронном виде в 2007 г. издательством Кембриджского университета.
[0013] Более подробно, вихри создаются одним или более заостренными выступами, расположенными в передней части лопатки статора, и переносятся потоком газа ниже по потоку вдоль верхней поверхности лопатки.
[0014] Ниже будут даны подробные ссылки на варианты осуществления описания, причем один или более примеров проиллюстрированы на чертежах. Каждый из примеров приводится для пояснения описания, а не ограничения настоящего описания. В сущности, специалистам в данной области должно быть очевидно, что в рамках настоящего описания можно создавать различные модификации и вариации без отступления от объема или сущности описания. Ссылка в данном описании на «один вариант осуществления», или «вариант осуществления», или «некоторые варианты осуществления» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления описанного объекта изобретения. Таким образом, появление фразы «в одном варианте осуществления», «в варианте осуществления» или «в некоторых вариантах осуществления» в различных местах во всем данном описании не обязательно относится к одному (-им) и тому (тем) же варианту (-ам) осуществления изобретения. Конкретные признаки, структуры или характеристики можно дополнительно комбинировать любым приемлемым способом в одном или более вариантах осуществления.
[0015] При представлении элементов различных вариантов осуществления формы единственного числа и слово «указанный» предназначены для обозначения того, что существуют один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» предназначены для указания включения и означают, что помимо перечисленных элементов могут существовать дополнительные элементы.
[0016] В соответствии с одним аспектом и со ссылкой на Фиг. 4 объект изобретения, описанный в настоящем документе, представляет собой лопатку статора 100 для центробежного компрессора, в частности для многоступенчатого центробежного компрессора для использования в установке для обработки газов, таких как метан, этан, пропан, этилен, диоксид углерода, гелий, аргон, водород, газообразные хладагенты или смесь этих веществ.
[0017] На Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 представлены отдельные варианты осуществления ступени 10 центробежного компрессора, каждая из которых содержит отдельный вариант осуществления лопатки статора 100 в соответствии с объектом изобретения, описанным в настоящем документе, установленной ниже по потоку от рабочего колеса 20 компрессора. Центробежный компрессор можно использовать во множестве различных областей применения нефти и газов, включая: производство, транспортировку, нефтепереработку, нефтехимическую и химическую промышленность, обработку широкого спектра газов и смесей газов в широком диапазоне рабочих условий (давления и температуры).
[0018] Более подробно, на Фиг. 1 показан вариант осуществления, в котором лопатку статора 100 устанавливают в канал возврата 30 компрессора, чтобы она выполняла функцию лопатки канала возврата самого компрессора. На Фиг. 2 показан вариант осуществления, в котором лопатку статора 100 устанавливают в диффузор 25 для функционирования в качестве лопатки диффузора самого компрессора. На Фиг. 3 показан вариант осуществления, в котором лопатка статора 100 проходит по меньшей мере частично через диффузор 25 и через канал возврата 30 компрессора, а также через элемент, изменяющий свое направление на 180°, расположенный между диффузором 25 и каналом возврата 30.
[0019] Следует отметить, что в соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 2, в соответствии с объектом изобретения, описанным в настоящем документе, как в диффузоре, так и в канале возврата находятся лопатки.
[0020] Поток газа, поступающий, например, от рабочего колеса 20, имеет скорость, содержащую радиальную составляющую и окружную составляющую относительно продольной оси Z ступени компрессора 10. Лопатка статора 100 либо прикреплена к ступени компрессора 10, либо выполнена с возможностью расположения в ступени компрессора 10, в диффузоре 25 и/или возвратном канале 30 в заданном положении.
[0021] Лопатка статора 100 на ступени компрессора 10 расположена таким образом, чтобы лопатка статора 100 участвовала в направлении вышеупомянутого потока газа для снижения или полного нивелирования его окружной составляющей скорости. Лопатка статора 100 расположена таким образом, чтобы поддерживать поток газа на ее внешней поверхности, ограничивая и избегая разделения потока от передней кромки 102 до задней кромки 104 по меньшей мере при работе компрессора на проектной рабочей частоте вращения.
[0022] Более подробно, лопатка статора 100 имеет изогнутую внешнюю поверхность, выполненную с возможностью направления потока газа от передней кромки 102 к задней кромке 104 самой лопатки статора 100. Внешняя поверхность лопатки статора 100 содержит нагнетающую поверхность 112, которая проходит между передней кромкой 102 и задней кромкой 104 на «нижней стороне» лопатки статора 100, и поверхность разрежения 114, которая проходит между передней кромкой 102 и задней кромкой 104 на «верхней стороне» лопатки статора 100. Нагнетающая поверхность 112 представляет собой участок внешней поверхности лопатки статора 100, который подвергается воздействию давления, превышающего давление окружающего потока газа при нормальных рабочих условиях. Поверхность разрежения 114 представляет собой участок наружной поверхности, который подвергается воздействию давления, которое меньше давления окружающего потока газа при нормальных рабочих условиях. Как правило, поверхность разрежения 114 является выпуклой, а нагнетающая поверхность 112 является вогнутой или имеет меньшую выпуклость, чем поверхность разрежения 114.
[0023] Лопатка статора 100 содержит переднюю часть 110, выполненную с возможностью приема потока газа, поступающего, например, от рабочего колеса 20, и его разделения на поток газа со стороны нагнетания, смежный с нагнетающей поверхностью 112, и поток газа со стороны разрежения, смежный с поверхностью разрежения 114.
[0024] Передняя часть 110 выполнена с возможностью создания по меньшей мере одного вихря в направлении потока V в потоке газа, смежном с внешней поверхностью лопатки статора 100. Предпочтительно, передняя часть 110 выполнена с возможностью создания по меньшей мере пары вихрей в направлении потока V, вращающихся в противоположных направлениях, как показано на Фиг. 5 и Фиг. 7. В возможном варианте осуществления, показанном на Фиг. 6, передняя часть 110 выполнена с возможностью создания множества пар вихрей в направлении потока V, вращающихся в противоположных направлениях.
[0025] Предпочтительно, передняя часть 110 выполнена с возможностью создания вихря в направлении потока V исключительно в потоке газа со стороны разрежения. В частности, передняя часть 110 и нагнетающая поверхность 112 лопатки статора 100 выполнены с возможностью поддержания потока газа со стороны нагнетания практически без образования завихренности в направлении потока.
[0026] Предпочтительно, вихри в направлении потока V имеют диаметр в диапазоне от минимального значения до максимального значения, причем минимальное значение диаметра задается формулой , а максимальное значение диаметра задается формулой , где  представляет собой медианный размер по размаху лопатки статора 100, а N представляет собой число вихрей в направлении потока V.
[0027] В частности, передняя часть 110 выполнена с возможностью генерации вихрей в направлении потока V, которые имеют диаметр, пропорциональный медианному размеру по размаху лопатки статора 100 (и, таким образом, ширине канала, в котором установлена лопатка статора 100), и обратно пропорциональный общему количеству вихрей в направлении потока V.
[0028] Предпочтительно, передняя кромка 102 лопатки статора 100 имеет по меньшей мере один наклонный участок 103, выполненный с возможностью генерирования вихря в направлении потока V вышеупомянутого типа. В частности, наклонный участок 103 образует угол атаки с входящим потоком газа и вызывает образование вихрей в направлении потока V путем снижения давления входящего потока газа. Наклон наклонного участка 103 определяет неравномерное распределение давления в направлении по размаху лопатки статора 100; это приводит к созданию в потоке составляющей скорости, направленной по размаху, что приводит к формированию одного из вихрей в направлении потока V, показанных на Фиг. 7.
[0029] Предпочтительно, чтобы передняя кромка 102 имела множество наклонных участков 103. На Фиг. 4, Фиг. 11 и Фиг. 15 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя кромка 102 имеет два наклонных участка 103. На Фиг. 12 и Фиг. 16 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя кромка 102 имеет четыре наклонных участка 103. На Фиг. 13 и Фиг. 17 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя кромка 102 имеет восемь наклонных участков 103. На Фиг. 14 и Фиг. 18 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя кромка 102 имеет шесть наклонных участков 103. В не показанном возможном варианте осуществления лопатки статора 100 передняя кромка 102 имеет только один наклонный участок 103.
[0030] В частности, наклонные участки 103 являются наклонными относительно направления по размаху лопатки статора 100 и могут быть либо прямыми (как показано на Фиг. 4, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13 и Фиг. 14), либо изогнутыми (как показано на Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17 и Фиг. 18). Преимуществом является то, что наклонные участки 103, выполненные, как описано выше, также являются наклонными по отношению к направлению потока газа, взаимодействующего с передней частью 110.
[0031] В предпочтительном варианте осуществления передняя часть 110 содержит по меньшей мере один заостренный выступ 120, имеющий вершину 125. На Фиг. 4, Фиг. 11 и Фиг. 15 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя часть 110 содержит один заостренный выступ 120. На Фиг. 12 и Фиг. 16 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя часть 110 содержит два заостренных выступа 120. На Фиг. 13 и Фиг. 17 показаны варианты осуществления лопатки статора 100, в которых передняя часть 110 содержит четыре заостренных выступа 120.
[0032] Каждый заостренный выступ 120 образует по меньшей мере два наклонных участка 103 передней кромки 102, описанных выше. В частности, два наклонных участка 103 расположены на противоположных сторонах вершины 125 и выполнены с возможностью создания двух вихрей в направлении потока V, вращающихся в противоположных направлениях.
[0033] В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 4, Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 13 и Фиг. 14, заостренные выступы 120 имеют треугольную форму в средней плоскости лопатки статора 100 и образуют прямые наклонные участки 103. В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 15, Фиг. 16, Фиг. 17 и Фиг. 18, заостренные выступы 120 имеют форму бугорка в средней плоскости лопатки статора 100 и образуют изогнутые наклонные участки 103.
[0034] Предпочтительно заостренные выступы 120 выступают в прямом направлении, которое образует угол от 20° до -20° относительно касательной линии на переднем конце участка средней линии профиля лопатки статора 100, расположенной в передней части 110; данный участок начинается от передней кромки лопатки (за исключением заостренного выступа) и может составлять, например, 10-20% от общей длины средней линии профиля. В предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг. 4, прямое направление, в котором выступает заостренный выступ 120, является касательным к вышеупомянутому участку средней линии профиля на передней части 110.
[0035] В возможном не показанном варианте осуществления лопатка статора 100 содержит множество заостренных выступов 120, выступающих в разных прямых направлениях; прямое направление образует угол от 20° до -20° относительно касательной линии на переднем конце участка указанной средней линии профиля; этот участок расположен в передней части 110 лопатки статора 100 и начинается от передней кромки лопатки статора 100 (за исключением заостренного выступа).
[0036] Предпочтительно каждый заостренный выступ 120 симметричен относительно продольной плоскости лопатки статора 100. В соответствии с возможным альтернативным не показанным вариантом осуществления, лопатка статора 100 содержит один или более асимметричных заостренных выступов 120, в которых наклонные участки 103 относительно заостренного выступа 120 образуют разные углы относительно направления по размаху лопатки статора 100.
[0037] Предпочтительно заостренные выступы 120 имеют продольное удлинение вдоль прямого направления, значение которого находится в диапазоне от минимального значения до максимального значения. Минимальное значение задается формулой , а максимальное значение удлинения задается формулой , где  представляет собой медианный размер по размаху лопатки статора 100, а M представляет собой число заостренных выступов 120 в передней части 110.
[0038] Предпочтительно передняя кромка 102 имеет угол при вершине 125 заостренных выступов 120 менее 60°, более предпочтительно менее 50°. Угол при вершине следует понимать как угол между двумя наклонными участками 103, смежными с одной и той же вершиной 125. Более подробно, угол при вершине следует измерять на плоскости кривизны профиля лопатки статора 100.
[0039] Предпочтительно, чтобы лопатка статора 100 имела переменный по размаху аэродинамический профиль, постепенно изменяющийся от выпуклого аэродинамического профиля, расположенного на заостренном выступе 120, до вогнутого аэродинамического профиля, расположенного рядом с заостренным выступом 120 или в желобе 126 между двумя заостренными выступами 120. Более подробно, выпуклый аэродинамический профиль имеет острую переднюю кромку 102a, а вогнутый аэродинамический профиль имеет острую или закругленную переднюю кромку.
[0040] На Фиг. 19 показан аэродинамический профиль с острой передней кромкой, который можно использовать в качестве выпуклого аэродинамического профиля. На этой фигуре заостренный выступ 120 выступает в прямом направлении D; в целом, прямое направление образует угол от 20° до -20° относительно касательной линии на переднем конце участка 128 средней линии профиля; участок 128 расположен в передней части 110 лопатки статора 100 и начинается (см. точку 129) от передней кромки лопатки статора 100 (за исключением заостренного выступа); в варианте осуществления, показанном на Фиг. 19, прямое направление D совпадает с касательной, т.е. угол равен 0°.
[0041] На Фиг. 20 показан аэродинамический профиль с закругленной передней кромкой, который можно использовать в качестве вогнутого аэродинамического профиля.
[0042] На Фиг. 8 показан вариант осуществления лопатки статора 100, имеющей острую переднюю кромку 102a, проходящую по всему размаху лопатки. На Фиг. 9 показан вариант осуществления лопатки статора 100, имеющей острую переднюю кромку 120a в вершине 125, проходящую через часть размаха лопатки, а затем переходящую на закругленную переднюю кромку 120 по бокам лопатки статора 100. На Фиг. 10 показан вариант осуществления лопатки статора 100, имеющей острую переднюю кромку 102a только в вершине 125 заостренного выступа 120, которая непосредственно переходит в закругленную переднюю кромку 102b по бокам вершины 125.
[0043] В соответствии с другим аспектом и со ссылкой на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 21 объект изобретения, описанный в настоящем документе, представляет собой центробежный компрессор 2100, предпочтительно многоступенчатого типа, который содержит множество лопаток статора 100 описанного выше типа. В частности, центробежный компрессор содержит множество ступеней компрессора 10, каждая из которых имеет рабочее колесо 20, диффузор 25 и канал возврата 30, а каждая ступень компрессора 10 содержит множество лопаток статора 100, расположенных по кругу в диффузоре 25 и/или в канале возврата 30. Более подробно, круговые ряды лопаток статора 100 проходят вокруг продольной оси Z для приема входящего потока от рабочего колеса 20 ступени компрессора 10, имеющей окружную составляющую скорости вокруг продольной оси Z и изменения направления потока для снижения или полного нивелирования окружной составляющей скорости и подачи чистого прямого потока на ротор следующей ступени компрессора.
[0044] В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 21, центробежный компрессор 2100 имеет впускное отверстие 2101 для приема (например, несжатой) рабочей среды и выпускное отверстие 2199 для нагнетания рабочей среды после сжатия. Компрессор 2100 содержит, например, три ступени сжатия, соединенные по текучей среде; первая (или начальная) ступень сжатия содержит рабочее колесо 2112 и (ниже по потоку) кольцевой канал 2114, ведущий к следующей ступени; вторая (или промежуточная) ступень сжатия включает в себя рабочее колесо 2122 и (ниже по потоку) кольцевой канал 2124, ведущий к следующей ступени; третья (или конечная) ступень сжатия включает в себя рабочее колесо 2132 и (ниже по потоку) кольцевой канал 2134, ведущий к следующей ступени. Как уже объяснялось выше, одна или более лопаток статора, выполненных с возможностью создания по меньшей мере одного вихря в направлении потока в потоке рабочей среды, расположены в одном или более или во всех кольцевых трубопроводах 2114, 2124 и 2134.