Рабочее колесо для центробежных компрессоров, устойчивое к жидкости
LIQUID TOLERANT IMPELLER FOR CENTRIFUGAL COMPRESSORS

Варианты выполнения объекта изобретения, описанного в данном документе, относятся к рабочим колесам для ротационных установок, способам уменьшения эрозии рабочих колес и центробежным компрессорам.
Существует множество решений, в которых рабочее колесо выполнено с обеспечением приема потока газа на своем впуске. В таких решениях чаще всего в течение большей части времени работы колеса газ является абсолютно сухим, а в некоторых ситуациях содержит некоторое количество жидкости, которая может находиться в виде капель внутри потока газа. В таких ситуациях капли жидкости ударяются о рабочее колесо, в частности о поверхности внутренних каналов колеса, а это означает, что капли жидкости могут вызвать эрозию рабочего колеса. В случае рабочих колес, используемых в центробежных компрессорах, эрозия воздействует на поверхности лопаток и, более того, на поверхность ступицы.
Следует отметить, что эффект столкновения с каплями не является линейным. Вначале столкновения капель с поверхностями каналов рабочего колеса не производят видимого эффекта и не вызывают эрозии на указанных поверхностях, но после ряда столкновений эффект становится очевидным и поверхности быстро разрушаются. Временной порог эрозии зависит от различных факторов, в том числе, например, от массы и размера капель, а также от скорости капель, в частности от составляющей скорости, нормальной к поверхности, о которую ударяются капли.
Следует отметить, что рабочие колеса следует использовать, например, в компрессорах, когда повреждения рабочих колес вследствие разрушения поверхностей пренебрежимо малы или отсутствуют вовсе, в противном случае рабочие колеса следует ремонтировать или заменять.
Следует также отметить, что повреждения рабочих колес вследствие разрушения поверхности сложно обнаружить сразу, как только разрушение начинается, если ротационная установка работает и колесо вращается. Зачастую разрушение обнаруживается только тогда, когда оно становится очень сильным и вызывает вибрации.
Таким образом, существует необходимость в способе уменьшения эрозии рабочих колес, обусловленной каплями жидкости во входящем потоке газа. Такая необходимость существует, в частности, для рабочих колес центробежных компрессоров.
С уменьшением эрозии увеличивается срок службы рабочих колес и, следовательно, также время безотказной работы ротационных установок.
Решение должно принимать во внимание, что в течение большей части времени работы входящий поток газа не содержит капель жидкости, следовательно, работа в сухих условиях не должна чрезмерно страдать из-за каких-либо мер, принимаемых для уменьшения эрозии.
Согласно первым иллюстративным вариантам выполнения предложено закрытое рабочее колесо для ротационной установки, имеющее впуск, выпуск и каналы, которые проточно соединяют впуск с выпуском и каждый из которых ограничен ступицей, покрывающим диском и двумя лопатками, при этом у впуска толщина лопаток сначала увеличивается, а затем уменьшается с образованием в каналах сужающихся-расширяющихся горловин, расположенных во впускной зоне каналов. Каждая лопатка имеет верхнюю по потоку часть, в которой толщина сначала резко увеличивается, а затем уменьшается, и нижнюю по потоку часть, имеющую по существу постоянную толщину.
Согласно вторым иллюстративным вариантам выполнения предложен способ уменьшения эрозии рабочего колеса, обусловленной каплями жидкости во входящем потоке газа, причем входящий поток проходит через сужающуюся-расширяющуюся горловину с обеспечением сначала увеличения, а затем уменьшения скорости газа на впуске рабочего колеса. Преимущественно, после прохождения впуска рабочего колеса и внутри рабочего колеса входящий поток постепенно отклоняют в меридиональной плоскости.
Согласно третьим иллюстративным вариантам выполнения предложен центробежный компрессор, содержащий ступени и устойчивый к жидкости на его впуске, причем по меньшей мере первая ступень содержит рабочее колесо, в котором у впуска толщина лопаток сначала увеличивается, а затем уменьшается с образованием сужающихся-расширяющихся горловин во внутренних каналах рабочего колеса.
Данное изобретение станет более понятно из нижеследующего описания иллюстративных вариантов выполнения при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает очень схематичный вид многоступенчатого центробежного компрессора,
фиг. 2A изображает частичный трехмерный вид рабочего колеса согласно иллюстративному варианту выполнения,
фиг. 2B изображает часть рабочего колеса, показанного на фиг. 2A,
фиг. 3 изображает сравнительный график скорости в двух разных рабочих колесах,
фиг. 4 изображает сравнительный график ускорения в двух разных рабочих колесах,
фиг. 5 изображает внутренний канал рабочего колеса согласно уровню техники,
фиг. 6 изображает внутренний канал рабочего колеса согласно иллюстративному варранту выполнения,
фиг. 7 изображает сравнительный график нормального ускорения в различных колесах, в том числе в рабочих колесах, показанных на фиг. 5 и 6,
фиг. 8 изображает увеличенный вид внутреннего канала рабочего колеса согласно иллюстративному варианту выполнения, и
фиг. 9 изображает частичный вид спереди рабочего колеса согласно иллюстративному варианту выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В нижеследующем описании иллюстративных вариантов выполнения сделана ссылка на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.
Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно все относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.
На фиг. 1 изображены две ступени центробежного компрессора и два соответствующих рабочих колеса 120 и 130. В частности, колесо 120 представляет собой первое рабочее колесо (первая ступень), которое первым принимает входящий поток газа, а колесо 130 представляет собой второе рабочее колесо (вторая ступень), которое вторым принимает входящий поток газа непосредственно после первого колеса 120. Компрессор по существу образован ротором и статором 100, при этом ротор содержит вал 110, колеса 120 и 130, прикрепленные к валу 110, и диффузоры 140, прикрепленные к валу 110.
На фиг. 1 первое колесо 120 показано в разрезе, а второе колесо 130 показано в виде снаружи.
Для первого рабочего колеса 120 на фиг. 1 показан один из его внутренних каналов 121, проточно соединяющий впуск 122 указанного колеса с его выпуском 123 и ограниченный ступицей 124, покрывающим диском 125 и двумя лопатками 126 (на фиг. 1 показана только одна из них). Впускная и выпускная зоны рабочего колеса проходят немного внутрь рабочего колеса, в частности, впускная зона рабочего колеса соответствует впускным зонам внутренних каналов (см. пунктирную линию на фиг. 1), даже если передние кромки 127 лопаток 126 могут быть отодвинуты назад от передней стороны рабочего колеса (см. фиг. 1). Как станет более очевидно из нижеизложенного, преимущественным является расположение впускных зон каналов рабочего колеса полностью во впускной зоне рабочего колеса, так как при этом действие сужающихся-расширяющихся горловин, связанных с впускными зонами каналов (в частности с лопатками) имеет место в самом начале каналов.
В течение большей части времени работы колеса 120 газ во входящем потоке абсолютно сухой, а в некоторых ситуациях содержит некоторое количество жидкости в виде капель. В таких ситуациях капли жидкости ударяются о рабочее колесо, в частности о поверхности его внутренних каналов 121, более конкретно, о поверхность ступицы 124.
Первый способ уменьшения эрозии под действием капель заключается в уменьшении массы и размера капель. Такое уменьшение особенно эффективно при его выполнении во впускной зоне рабочего колеса, преимущественно во впускной зоне внутренних каналов рабочего колеса.
В предпочтительном иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, толщина каждой лопатки сначала резко и существенно увеличивается (см., например, фиг. 2B слева), а затем резко и существенно уменьшается (см., например, фиг. 2B справа). С учетом того, что лопатки рабочих колес обращены друг к другу (см., например, фиг. 2A), увеличение и уменьшение толщины создает в каналах сужающуюся-расширяющуюся горловину, расположенную во впускной зоне канала. Вследствие наличия такой горловины капли жидкости подвергаются процессу разрушения, т.е. принудительно разрушаются соответствующим потоком газа. Это происходит вследствие различной инерции жидкости и газа. Как увеличение толщины и последующее ускорение газа, так и уменьшение толщины и последующее замедление газа увеличивают относительную скорость между двумя фазами (т.е. газом и жидкостью), поскольку капли почти не чувствительны к изменениям скорости газа, особенно если эти изменения внезапны и существенны, и обычно продолжают перемещаться с постоянной скоростью.
Процесс разрушения усиливается вследствие различной инерции двух фаз, однако, когда плотность жидкости капель превышает плотность газа более чем в 50 раз, капли приближаются к рабочему колесу с относительной скоростью, имеющий большую тангенциальную составляющую (так как меридиональная скорость намного меньше для капель, чем для газа), и ударяются о сторону повышенного давления лопаток. В этих условиях процесс разрушения, описанный выше, может стать менее эффективным или вообще бесполезным.
Как правило, но не обязательно, все внутренние каналы рабочего колеса имеют горловины такого типа, и все лопатки рабочего колеса выполнены с такой конфигурацией, при которой толщина сначала увеличивается, а затем уменьшается. Как правило, но не обязательно, все лопатки выполнены одинаковыми.
На фиг. 2A изображен разрез начальной части лопатки согласно иллюстративному варианту выполнения (в форме капли) и согласно уровню техники (по существу плоской). Плоскость разреза на фиг. 2B является горизонтальной и перпендикулярна плоскости фиг. 1, при этом часть, показанная на фиг. 2B, находится между вертикальной сплошной линией 127 (передней кромкой лопатки) и параллельной ей пунктирной линией.
Верхняя по потоку часть лопатки расположена на входе указанной лопатки в направлении потока. В частности, как показано на фиг. 2A, длина верхней по потоку части лопатки составляет менее 20% длины средней линии профиля, которая представляет собой линию на поперечном сечении канала, равноудаленную от поверхностей ступицы и покрывающего диска.
На фиг. 2B уменьшение толщины начинается непосредственно после увеличения толщины, то есть между ними нет части лопатки, имеющей постоянную толщину. Таким образом, обеспечивается принудительное непрерывное изменение скорости газа в зоне горловины, и капли испытывают сильное возмущение.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, поперечное сечение лопатки является симметричным относительно средней линии 200 профиля, и увеличение толщины и уменьшение толщины распределены одинаково с обеих сторон лопатки. Однако согласно альтернативным вариантам выполнения поперечное сечение лопатки может быть асимметричным относительно линии 200, и увеличение толщины и/или уменьшение толщины могут быть распределены асимметрично и даже иметься только на одной стороне лопатки. В этом отношении следует отметить, что с учетом направления потока на впуске каналов рабочего колеса (см., например, фиг. 2A) передняя кромка лопатки часто обращена к плоской области смежной лопатки. Соответственно, данное смещение также может приниматься во внимание при задании положений увеличения толщины и уменьшения толщины.
В варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, величина возрастания толщины, соответствующая двойной длине 201, отличается от величины уменьшения толщины, соответствующей двойной длине 202, так как увеличение толщины начинается непосредственно на передней кромке 127 лопатки. Однако, если, например, увеличение толщины начинается на расстоянии от кромки, указанные две величины могут быть равны.
Степень увеличения толщины, соответствующая на фиг. 2B отношению между длиной 201 и длиной 203, может быть равна степени уменьшения толщины, соответствующей на фиг. 2B отношению между длиной 202 и длиной 204, или отличаться от нее. В варианте выполнения согласно фиг. 2 они отличаются: степень увеличения несколько выше, чем степень уменьшения.
Предпочтительно увеличение толщины и уменьшение толщины являются постепенными для исключения или по меньшей мере ограничения турбулентности в потоке газа вследствие увеличения и уменьшения толщины.
В целом, максимум лопатки, обозначенный на фиг. 2B номером 205 позиции, находится на расстоянии от ее передней кромки, обозначенной на фиг. 2B номером 127 позиции. Например, это расстояние составляет от 25% до 75% расстояния, на котором заканчивается уменьшение толщины и которое на фиг. 2B соответствует сумме длин 203 и 204.
Уменьшение толщины может составлять, например, по меньшей мере 50% (относительно толщины в положении до начала уменьшения). Другими словами, со ссылкой на фиг. 2B длина 202 составляет 50% длины 201 или более, либо, что эквивалентно, длина 207 составляет 50% длины 206 или менее.
Уменьшение толщины оканчивается на расстоянии от передней кромки лопатки, которое обозначено на фиг. 2B номером 127 позиции. Например, это расстояние, соответствующее на фиг. 2B сумме длин 203 и 204, может превышать максимальную толщину лопатки (перед уменьшением толщины), соответствующую на фиг. 2B длине 206, более чем в 2 и менее чем в 6 раз.
В противоположность варианту выполнения, изображенному на фиг. 2, увеличение толщины может начинаться на расстоянии от передней кромки лопатки. Например, это расстояние может превышать максимальную толщину лопатки (перед уменьшением толщины), соответствующую на фиг. 2B длине 206, более чем в 1 и менее чем в 4 раза.
На фиг. 3 показана скорость потока газа вдоль пути потока при наличии и при отсутствии горловины. Горловина выполнена, например, таким образом, что она вызывает резкое/локальное увеличение/уменьшение скорости газа, проходящего в каналах, по меньшей мере на 20%. Следует отметить, что даже при отсутствии горловины имеет место небольшое (например на несколько процентов) увеличение/уменьшение скорости, обусловленное передней кромкой лопатки и ее нормальной номинальной толщиной. После впускной зоны канала скорость потока газа продолжает постепенно уменьшаться по меньшей мере на некотором участке канала. На фиг. 3 график относится к абсолютному значению амплитуды вектора скорости.
На фиг. 4 показано ускорение потока газа вдоль пути потока при наличии и при отсутствии горловины. Горловина выполнена, например, таким образом, что она вызывает высокое ускорение (в частности пик ускорения). Следует отметить, что даже при отсутствии горловины имеет место некоторое увеличение ускорения, обусловленное передней кромкой лопатки и ее нормальной номинальной толщиной. На фиг. 4 график относится к абсолютному значению амплитуды вектора ускорения и потому не достигает нулевого значения.
С учетом того, что описано выше в качестве примера, имеется возможность уменьшения эрозии рабочего колеса, в частности рабочего колеса центробежного компрессора, которая обусловлена каплями жидкости во входящем потоке газа, при этом используется сходящаяся-расходящаяся горловина, обеспечивающая сначала резкое и существенное увеличение, а затем резкое и существенное уменьшение скорости газа во входящем газовом потоке, проходящем через указанную горловину, расположенную на впуске рабочего колеса, при этом возможно расположение друг за другом более чем одной последовательных горловин, одинаковых или различных.
Второй способ уменьшения эрозии под действием капель заключается в уменьшении составляющей скорости, нормальной к поверхности, о которую ударяются капли. В частности, в случае центробежных компрессоров рассматриваемая поверхность является поверхностью ступицы.
Предпочтительно первый способ и второй способ могут быть скомбинированы друг с другом.
Основная идея заключается в том, чтобы придать внутренним каналам рабочего колеса форму с учетом нормального ускорения вдоль линии потока газа в меридиональной плоскости.
С увеличением длины меридионального канала средняя кривизна линии потока в меридиональной плоскости уменьшается, как и нормальное ускорение газа (т.е. нормальное к линиям прохождения потока в меридиональной плоскости), которое фактически связано с локальной кривизной.
Более низкое нормальное ускорение подразумевает, что каплям жидкости требуется более низкая нормальная сила для того, чтобы следовать линиям потока газа. Соответственно, капли жидкости меньше отклоняются от линий потока газа в меридиональной плоскости. Тем не мене, отклонение не может быть исключено полностью из-за различной инерции газа и жидкости.
При меньшем отклонении капель жидкости от линий потока газа в меридиональной плоскости они приближаются к поверхности ступицы рабочего колеса с малой нормальной скоростью, что значительно снижает эрозию.
На фиг. 5 изображен канал рабочего колеса в меридиональной плоскости согласно уровню техники, тогда как на фиг. 6 изображен канал рабочего колеса в меридиональной плоскости согласно иллюстративному варианту выполнения. Следует отметить, что фиг. 6 соответствует предельному случаю применения вышерассмотренного технического решения. На фиг. 7 показано нормальное ускорение в рабочем колесе, изображенном на фиг. 5, в очень длинном рабочем колесе, изображенном на фиг. 6, и в двух других рабочих колесах с двумя промежуточными значениями осевой протяженности. Очевидно, что при использовании вышерассмотренного технического решения нормальное ускорение в каждой точке канала повышается.
Для задания формы внутренних каналов рабочего колеса в меридиональной плоскости могут использоваться различные параметры с обеспечением условий, ограничивающих значения нормального ускорения, как станет очевидно из следующих условий, описанных со ссылкой на фиг. 8.
На выпуске контур 801 ступицы в меридиональной плоскости может образовывать угол 803 более 10° с радиальным направлением, что является первым способом ограничения полного поворота канала.
На выпуске контур 802 покрывающего диска в меридиональной плоскости может образовывать угол 804 более 20° с радиальным направлением, что является вторым способом ограничения полного поворота канала.
В любой точке контура ступицы в меридиональной плоскости радиус 805 кривизны контура ступицы по меньшей мере в 2,5 раза превышает высоту 806 канала, измеренную перпендикулярно контуру ступицы.
В любой точке контура покрывающего диска в меридиональной плоскости радиус 807 кривизны контура покрывающего диска по меньшей мере в 1,5 превышает высоту 808 канала, измеренную перпендикулярно контуру покрывающего диска.
Осевая протяженность 810 канала в меридиональной плоскости по меньшей мере в 2 раза превышает высоту 809 канала на впуске.
Вышеуказанные условия, поясненные со ссылкой на фиг. 8, основаны на геометрии и могут считаться относящимися к «конструкционному типу».
На фиг. 8 показана возможная траектория капли жидкости во внутреннем канале рабочего колеса, при этом траектория малого объема газа от центрального положения впуска до выпуска соответствует пунктирной линии. Желательно, чтобы капля жидкости следовала той же траектории, однако вследствие нормального ускорения капля отклоняется от траектории газа и следует по отклоненной траектории (которая соответствует непрерывной линии). При уменьшении массы и размеров капли и при использовании плавно искривленного канала, либо отклоненная траектория достигает контура 801 ступицы в конце канала и происходит «мягкое» столкновение, либо она не достигает контура 801 ступицы, как показано на фиг. 8, и столкновения не происходит.
Другие возможные условия относятся к «функциональному типу» и, таким образом, непосредственно основаны на значениях нормального ускорения. Такие условия могут стать более понятны при рассмотрении графика, показанного на фиг. 7.
В качестве первого иллюстративного условия каналы могут иметь такую форму, что нормальное ускорение вдоль линии потока газа в меридиональной плоскости не превышает заданного граничного значения.
В качестве второго иллюстративного условия каналы могут иметь такую форму, что отношение между максимальным значением нормального ускорения внутри рабочего колеса и значением нормального ускорения у задней кромки лопаток не превышает, например, 2,0. Следует отметить, что нормальное ускорение у передней кромки обычно равно нулю или близко к нулю (см. фиг. 7).
Одно или более из этих условий могут быть скомбинированы друг с другом для лучшего регулирования нормального ускорения в каналах.
С учетом того, что описано выше в качестве примера, имеется возможность уменьшения эрозии рабочего колеса, в частности рабочего колеса центробежного компрессора, которая обусловлена каплями жидкости во входящем потоке газа. Входящий поток постепенно отклоняется (предпочтительно в достаточной степени или значительно) в меридиональной плоскости. В случае центробежных компрессоров значимыми являются отклонения, происходящие в меридиональной плоскости. В общем случае следует также учитывать отклонения в поперечной или касательной плоскости.
Для достижения постепенного отклонения может быть необходимо увеличение осевой протяженности рабочего колеса и/или уменьшение изгибания потока газа рабочим колесом (в центробежном компрессоре газовый поток обычно изгибается на 90°).
Третий способ уменьшения эрозии под действием капель заключается в обеспечении наклона передней кромки лопаток относительно радиального направления. В частности, направление наклона, например, таково, что профиль покрывающего диска отстает от профиля ступицы.
Весьма предпочтительной является возможность комбинирования первого способа, второго способа и третьего способа друг с другом.
Предпочтительно угол наклона составляет по меньшей мере 30°.
На фиг. 9 лопатки обозначены номером 901 позиции (обозначена одна лопатка), ступица обозначена номером 902 позиции, покрывающий диск не показан, передняя кромка лопатки обозначена номером 904 позиции, радиальное направление обозначено номером 905 позиции, а угол наклона обозначен номером 903 позиции.
Наклон лопатки на впуске создает радиальный градиент давления, который стремится уменьшить весовую скорость потока вблизи ступицы с одновременным толканием потока газа к покрывающему диску. На фиг. 8 контур ступицы обозначен номером 802 позиции, а контур покрывающего диска обозначен номером 802 позиции. Соответственно, такой градиент давления способствует перемещению капель жидкости в соответствии с формой внутренних каналов и, следовательно, уменьшает эрозию поверхности ступицы.
Вышеописанные принципы могут быть с успехом применены к рабочим колесам центробежных компрессоров, например центробежному компрессору, изображенному на фиг. 1, и особенно подходят для первого рабочего колеса, т.е. рабочего колеса 120 на фиг. 1.