Компрессор

 

Использование: в компрессоростроении, в частности в конструкциях одно-или многоступенчатых компрессоров. Сущность изобретения: компрессор содержит одну или несколько ступеней сжатия, каждая из которых имеет расположенные в корпусе по ходу потока рабочее колесо, лопаточный диффузор, лопатки которого ориентированы по направлению рабочего колеса, сборную камеру с тангенциальным выходным патрубком, расположенным по касательной против направления вращения рабочего колеса. 20 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к одно- или многоступенчатому компрессору радиальной конструкции, причем за рабочим колесом расположен дисковый диффузор с направляющими лопатками, за которым следует сборный корпус с тангенциальным выходным патрубком.

Турбокомпрессор в соответствии с ограничительной частью основного пункта формулы изображен на фиг. 1 и 2 подобного турбокомпрессора, имеет расположенный в основном симметрично оси рабочего колеса выходной патрубок и частично сжимает газ в радиальных рабочих колесах. Остаточное преобразование скорости в давление происходит в подключенных за ними дисковых диффузорах, в которые часто встроены направляющие лопатки, в кольцевом пространстве без лопаток, за ними отводящем кольце к последующим ступеням компрессора или в конечной ступени, сборном корпусе, из которого сжатый газ покидает турбокомпрессор по выходному патрубку. У турбокомпрессоров согласно уровню техники выходной патрубок присоединен к сборному корпусу таким образом, что газ выходит из сборного корпуса по касательной, если смотреть в направлении вращения рабочего колеса.

Наружные корпуса турбокомпрессоров со всасывающими и выходными патрубками очень дорогостоящи, в частности у компрессоров, используемых при подаче газа с высокими давлениями.

Подобные турбокомпрессоры часто используемые для сжатия природного газа в магистральных газопроводах, приводятся в действие, как правило, турбинами, в частности газовыми турбинами. Эти газовые турбины имеют только одно определенное направление вращения.

Турбины с другим направлением вращения требуют в соответствии с уровнем техники также компрессоров с другим направлением вращения, так что имеющиеся наружные корпуса не могут использоваться с отличным направлением вращения.

В основу изобретения положена задача использовать при подобном (имеющемся) наружном корпусе турбокомпрессор, рассчитанный на противоположное направление вращения выходного патрубка сборного корпуса.

На основе испытаний с прототипом было установлено, что можно установить в имеющийся наружный корпус турбокомпрессор с несоответствующим этому корпусу направлением вращения.

Примеры осуществления изобретения появляются ниже частично с помощью чертежей; фиг. 1 турбокомпрессор согласно ограничительной части в продольном разрезе (прототип); фиг. 2 выходная зона турбокомпрессора по фиг. 1; фиг. 3 выходная зона турбокомпрессора согласно изобретению в сечении; фиг. 4 зона отклонения потока в сборном корпусе и выходном патрубке в сечении; фиг. 5 зона отклонения с удлиненными лопатками на выходе диффузора в сечении со встроенными запорной лопаткой и фасонной деталью; фиг. 6 соотношение внутренней ширины кольцевого пространства без лопаток и общей ширины выходного сечения в продольном разрезе; фиг. 7 изображение по фиг. 6 в сечении; фиг. 8 зона отклонения потока в сборном корпусе и выходном патрубке (по фиг. 4), но без фасонной детали; фиг. 9 выходная зона турбокомпрессора с клиновыми лопатками в сечении;
фиг. 10 сечение по фиг. 9 со скругленными клиновыми лопатками;
фиг. 11 продольный разрез клиновой лопатки со скругленной выходной кромкой;
фиг. 12 зона отклонения потока в сборном корпусе и выходном патрубке в сечении (по фиг. 4) и клиновыми лопатками, изображенными на заднем плане штриховыми линиями;
фиг. 13 сечение по фиг. 8, но с клиновыми лопатками;
на фиг. 14 угол выходной площади между клиновыми лопатками с указанием ширины канала и формулой для расчета выходной площади диффузора,
На фиг. 1 и 2, изображающих прототип, всасывающий патрубок (1), расположенный в основном симметрично оси рабочих колес, частично сжимает газ в радиальных рабочих колесах (2).

Объектом изобретения, изображенным на фиг. 3 14, является компрессор, рассчитанный на противоположное направление вращения выходного патрубка (8), причем используется имеющийся наружный корпус (сборный корпус 7).

Согласно изобретению направляющие лопатки (4) поднимаются (фиг. 3) в направлении вращения рабочего колеса (2) от их внутреннего до наружного ограничительного диаметра, а выходной патрубок (8) присоединен по касательной к сборному корпусу (7) против направления вращения рабочего колеса (2).

За счет этого поток выходит из рабочего колеса с равномерным распределением давления на периферии, попадает без толчков известным образом на вход диффузора и замедляется между направляющими лопатками. Отклонение в противоположное направление происходит лишь в конце сборного корпуса (7) при такой низкой скорости потока, что потери на выходе остаются в приемлемых пределах.

Особенно предпочтительно, чтобы скруглить кромку (9) в зоне отклонения потока от сборного корпуса к выходному патрубку (8).

Верхний предел скругления определяется толщиной стенок имеющегося сборного корпуса (7).

Предпочтительными оказались радиусы скругления между 10 и 30% диаметра рабочего колеса, предпочтительно около 20%
На фиг. 4 запорная лопатка (10) в сборном корпусе способствует положительному эффекту скругления кромки (9). Дальнейшее усовершенствование обеспечивается на фиг. 5 и 6 примыкающей к ней фасонной деталью (13), закрепленной в имеющемся выходном патрубке (8).

Использование фасонной детали (13) не является обязательным (фиг. 8). Без нее можно сократить затраты на конструкцию.

В другом варианте осуществления изобретения направляющие лопатки (4) выполнены известным образом (фиг.3) в виде профилей с сужающимися входной и выходной кромками.

Если лопатки закрывают только часть дискового диффузора (3) в основном с параллельными стенками, если смотреть в радиальном направлении, скорость потока еще относительно высока на выходе лопаток, однако имеется большее свободное пространство для приведения направления потока в соответствие с направлением в выходном патрубке (8), рассчитанном на противоположное направление вращения, пир приводит к соответственно меньшим потерям на выходе.

Предпочтительной при этом является радиальная протяженность направляющих лопаток (4) на 40 60% предпочтительно 50% от радиальной протяженности (L) дискового диффузора, вычисленная от внутреннего диаметра (D) диффузора.

Удлинение двух направляющих лопаток (фиг. 5) удлинительными лопатками (16, 17) до выхода кольцевого пространства (5) без лопаток улучшает условия сходящего потока.

Особенно предпочтительно, если ограниченная удлинительными лопатками часть потока, характеризующаяся числом ограниченных каналов между направляющими лопатками (4) по отношению к общему числу каналов, соответствует отношению внутренней ширины b_D кольцевого пространства (5) без лопаток к общей ширине b_S выходного сечения (19) (фиг. 6 и 7).

Другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения (фиг. 8) является использование так называемых клиновых лопаток (20), которые предпочтительно образуют между собой прямоосные каналы (21) с углом расширения 8 14^o, предпочтительно 12^o. При этом целесообразно, если клиновые лопатки (20) в радиальном направлении закрывают большую часть дискового диффузора (3) в основном с параллельными стенками, с тем чтобы замедлить поток при его хорошем ведении.

Клиновые лопатки (20) используются предпочтительно прямыми или с небольшим изгибом.

В этом случае имеется меньше свободного пространства для приведения скорости потока в соответствие с направлением в выходном патрубке (8), однако потери на выходе при более низких тогда скоростях также не так высоки.

Предпочтительными при этом является радиальная протяженность этих клиновых лопаток (20) на 80 100% предпочтительно 90% радиальной протяженности дискового диффузора (3).

Хороший сходящий поток с этих клиновых лопаток достигается тогда, когда одна или обе выходные кромки (22, 23) этих лопаток скруглены (фиг. 11).

Предпочтительным оказалось, если радиус скругления R₁ выходной кромки (22) со стороны напора составляет 5 10% предпочтительно 10% диаметра рабочего колеса и/или радиус скругления R₂ выходной кромки (23) со стороны всасывания составляет 0,5 1,0% предпочтительно 0,6% диаметра рабочего колеса.

Особое значение имеет также то, что выходная площадь направляющих лопаток (4) или клиновых лопаток (20) находится в определенном соотношении с радиальной площадью сечения сборного корпуса (7).

При этом играет роль угол наклона ε в радиальном направлении и радиальное положение выходной площади направляющих лопаток относительно радиальной площади сечения A_s сборного корпуса (7).

Особенно предпочтительным оказалось, если радиальная площадь сечения A_s сборного корпуса при направляющих лопатках (4) на 100 150% предпочтительно на 135% у клиновых лопаток (20) на 45 75% предпочтительно на 60% больше выходной площади А направляющих (4) или клиновых (20) лопаток.

Угол наклона e составляет тогда у направляющих лопаток (4) в дисковом диффузоре (3), выполненных в виде профилей уменьшающейся на входе и выходе толщины S (фиг. 3), 50 70^o, предпочтительно 60^o, а у клиновых лопаток (20) (фиг. 8) 30 60^o, предпочтительно 40^o.

Направляющие лопатки (4) или клиновые лопатки (20) могут быть установлены неподвижно или с возможностью регулирования углового положения.

При многоступенчатом исполнении, например двухступенчатом, имеет значение также согласование ступеней между собой. Технологические преимущества возникают тогда, когда рабочие колеса и направляющие лопатки всех ступеней имеют одинаковые геометрические размеры. Вследствие степени сжатия предыдущих ступней конечная ступень работает тогда при расчете первой ступени для всасываемого объемного потока в качестве расчетной точки всего компрессора в диапазоне частичной нагрузки. Поскольку потери потока при отклонении от сборного корпуса к выходному патрубку для противоположного направления вращения уменьшаются при частично нагрузке, КПД конечной ступени в этом диапазоне частичной нагрузки, в основном, выше, чем в расчетной точке рабочего колеса и диффузора с направляющими лопатками конечной ступени, общий КПД выше, чем при расчете рабочего колеса конечной ступени, соответствующем степени сжатия предыдущей ступени.

В другом варианте осуществления изобретения доля потерь на выходе в общих потерях потока в компрессоре уменьшается за счет того, что конечная ступень имеет меньший диаметр, чем предыдущие ступени, которые выполнены в основном как ступени с отводящими каналами и поэтому не зависят от направления вращения выходного патрубка и связанного с этим снижения КПД. Кроме того, конечная ступень имеет тогда по сравнению с использованием с постоянным диаметром рабочего колеса большее значение объемного потока, что при уже низком вследствие предварительного сжатия расчетном значении объемного потока конечной ступени означает увеличение КПД, обусловленное меньшей долей потерь на боковое трение колеса и потерь от утечек последней ступени меньшего наружного диаметра.

Если выбрать ступенчатый диаметр от конечной ступени к предыдущей ступени так, чтобы обе ступени с учетом сжатия ступени имели в расчетной точке одинаковое значение объемного потока, то обе ступени геометрически подобны. Это имеет, во-первых, то преимущество, что для обеих ступеней с одинаковым рабочим колесом и диффузором с направляющими лопатками могут быть проведены исследовательские испытания, необходимые при отношениях потока, которые невозможно рассчитать предварительно достаточно точно, а во-вторых, обеспечивает конструктивные и технологические преимущества.

Значение объемного потока определяется при этом известным образом как отношение всасываемого объемного потока ступени радиального компрессора к образованию выходным диаметром рабочего колеса площади сечения и его окружной скорости.

Формула изобретения

1. Компрессор, содержащий одну или несколько ступеней сжатия, каждая из которых имеет расположенные в корпусе по ходу рабочего потока рабочее колесо, лопаточный диффузор, лопатки которого расположены на дисках по направлению вращения рабочего колеса, сборную камеру с тангенциальным выходным патрубком, внутренняя стенка которого сопряжена по радиусу со стенкой сборной камеры, отличающийся тем, что выходной патрубок расположен по касательной против направления вращения рабочего колеса.

2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что радиус сопряжения стенки выходного патрубка со стенкой сборной камеры составляет 0,1 0,3 диаметра рабочего колеса.

3. Компрессор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что выходной патрубок снабжен фигурным элементом, расположенным внутри патрубка со стороны, противоположной месту сопряжения по радиусу, а сборная камера снабжена запорной лопастью, расположенной от внутреннего диаметра камеры до фигурного элемента.

4. Компрессор по пп. 1 3, отличающийся тем, что лопатки диффузора выполнены в виде клиновых лопаток.

5. Компрессор по пп. 1 4, отличающийся тем, что межлопаточные каналы между клиновыми лопатками имеют угол расширения 8 14^o.

6. Компрессор по пп. 1 5, отличающийся тем, что клиновые лопатки расположены в радиальном направлении на большей части дисков.

7. Компрессор по пп. 1 6, отличающийся тем, что клиновые лопатки имеют радиальную протяженность, составляющую 0,3 1 от радиальной протяженности дисков.

8. Компрессор по пп. 1 7, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из выходных кромок клиновых лопаток скруглена.

9. Компрессор по пп. 1 8, отличающийся тем, что выходная кромка клиновой лопатки имеет радиус скругления со стороны напора, составляющий 0,05 0,15 от диаметра рабочего колеса.

10. Компрессор по пп. 1 8, отличающийся тем, что выходная кромка клиновой лопатки имеет радиус скругления со стороны всасывания, составляющий 0,005 0,01 от диаметра рабочего колеса.

11. Компрессор по пп. 1 10, отличающийся тем, что профиль лопатки дифузора имеет толщину, уменьшающуюся к входной и выходной кромкам.

12. Компрессор по пп. 1 и11, отличающийся тем, что лопатки в радиальном направлении расположены на части дисков диффузора с образованием за ними кольцевого безлопаточного пространства.

13. Компрессор по пп.1 3, 11 и 12, отличающийся тем, что лопатки имеют радиальную протяженность, составляющую 0,4 0,6 от радиальной протяженности диска.

14. Компрессор по пп. 1 3, 11 13, отличающийся тем, что лопаточный диффузор в области безлопаточного пространства снабжен двумя дополнительными лопатками, примыкающими к лопаткам диффузора и простирающимися до выходного диаметра дисков.

15. Компрессор по пп. 11 14, отличающийся тем, что отношение числа межлопаточных каналов, ограниченных дополнительными лопатками, к общему числу межлопаточных каналов диффузора, соответствует соотношению ширины диска диффузора к ширине выходного сечения.

16. Компрессор по пп. 1 3, 11 15, отличающийся тем, что площадь радиального сечения сборной камеры на 100 150% больше площади между лопатками на выходе.

17. Компрессор по пп. 1 10, отличающийся тем, что площадь радиального сечения сборной камеры больше на 45 75% площади между клиновыми лопатками на выходе.

18. Компрессор по пп. 1 3, 11 15, отличающийся тем, что угол наклона лопаток к диску равен 50 70^o.

19. Компрессор по пп. 1 10, отличающийся тем, что угол наклона клиновых лопаток к диску равен 30 50^o.

20. Компрессор по пп. 1 19, отличающийся тем, что рабочие колеса всех ступеней имеют одинаковый наружный диаметр.

21. Компрессор по пп. 1 19, отличающийся тем, что последняя ступень компрессора имеет наименьший наружный диаметр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14