Диффузор центробежного компрессора
Изобретение относится к центробежным компрессорам, а именно к диффузорам центробежных компрессоров. В заявке описана система, которая в некоторых вариантах осуществления содержит лопатку диффузора центробежного компрессора, имеющую переднюю кромку, заднюю кромку и участок постоянной толщины, расположенный между передней кромкой и задней кромкой. Радиус кривизны передней кромки и радиус кривизны задней кромки изменяются на протяжении размаха лопатки. Соотношение длины участка постоянной толщины и длины хорды лопатки составляет, по меньшей мере, приблизительно 50% и является преимущественно постоянным на протяжении размаха лопатки. Изобретение направлено на повышение КПД. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил.
Перекрестная ссылка на родственную заявку
Приоритет настоящей заявки основан на предварительной патентной заявке US 61/226732 под названием "Centrifugal Compressor Diffuser", поданной 19 июля 2009 г., которая во всей полноте в порядке ссылки включена в настоящую заявку.
Предпосылки создания изобретения
В этом разделе будут приведены некоторые сведения о существующем уровне техники, которые могут иметь отношение к различным особенностям настоящего изобретения, описанным и(или) заявленным далее. Они могут послужить исходной информацией для лучшего понимания различных особенностей настоящего изобретения. Соответственно, подразумевается, что эти сведения следует интерпретировать в таком свете, а не как их признание известным уровнем техники.
Центробежные компрессоры могут использоваться для обеспечения потока текучей среды под давлением в различных областях применения. Такие компрессоры обычно имеют рабочее колесо, которому сообщает вращение электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания или другой привод, рассчитанный на обеспечение выходного крутящего момента. При вращении рабочего колеса поступающая в осевом направлении текучая среда ускоряется и вытесняется в направлении по окружности и в радиальном направлении. Затем высокоскоростной поток текучей среды поступает в диффузор, который преобразует скоростной напор в напор давления (т.е. снижает скорость потока и повышает давление потока). Этим способом центробежный компрессор обеспечивает выходной поток текучей среды под высоким давлением. К сожалению, недостатком существующих диффузоров является противоречие между рабочими параметрами и кпд.
Краткое описание чертежей
Различные признаки, особенности и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты при ознакомлении со следующим далее подробным описанием со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:
на фиг.1 показан вид в перспективе компонентов центробежного компрессора, включая лопатки диффузора, которые имеют участок постоянной толщины и специально профилированы в соответствии с гидродинамическими характеристиками рабочего колеса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 показана местная осевая проекция проиллюстрированного на фиг.1 диффузора центробежного компрессора, включая поток текучей среды через диффузор согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.3 показан меридиональный вид проиллюстрированного на фиг.1 диффузора центробежного компрессора, включая профиль лопастей согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.4 показан вид сверху профиля лопастей диффузора по линии 4-4 на фиг.3 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.5 показано поперечное сечение лопастей диффузора по линии 5-5 на фиг.3 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.6 показано поперечное сечение лопастей диффузора по линии 6-6 на фиг.3 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения,
на фиг.7 показано поперечное сечение лопастей диффузора по линии 7-7 на фиг.3 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения и
на фиг.8 показана диаграмма зависимости кпд и величины расхода у центробежного компрессора, в котором могут использоваться проиллюстрированные на фиг.1 лопатки диффузора согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание конкретных вариантов осуществления
Далее будет описан один или несколько конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения. Эти описываемые варианты осуществления являются лишь примерами осуществления настоящего изобретения. Кроме того, для краткости при описании этих примеров осуществления могут быть рассмотрены не все признаки практического осуществления. Следует учесть, что при разработке любого такого варианта практического осуществления, например, при любой опытно-конструкторская разработке для достижения целей разработки необходимо принять множество зависящих от реализации решений, таких как соблюдение системных, деловых, государственных и иных ограничений, которые могут меняться в зависимости от реализации. Кроме того, подразумевается, что такая разработка может являться сложной и трудоемкой, но, тем не менее, типовой задачей для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с настоящим описанием.
В некоторых конфигурациях диффузор имеет комплект лопастей для повышения его кпд. Некоторые диффузоры могут иметь трехмерные лопатки с профилем аэродинамического типа или двумерные лопатки каскадного типа. Лопатки с профилем аэродинамического типа имеют более высокий максимальный кпд, но худшие рабочие параметры в режимах пульсирующего потока и запертого потока. В отличие от этого лопатки каскадного типа имеют лучшие рабочие параметры в режимах пульсирующего потока и запертого потока, но более низкий максимальный кпд по сравнению с лопастями с профилем аэродинамического типа.
В вариантах осуществления настоящего изобретения может быть повышен кпд диффузора и уменьшены потери в режимах пульсирующего потока и запертого потока за счет применения трехмерных не профилированных лопастей диффузора, специально рассчитанных на изменения потока через рабочее колесо. В некоторых вариантах осуществления, каждая лопатка диффузора имеет сужающуюся переднюю кромку, сужающуюся заднюю кромку и участок постоянной толщины между передней кромкой и задней кромкой. Длина участка постоянной толщины может составлять свыше приблизительно 50% длины хорды лопатки диффузора. Радиус кривизны передней кромки, радиус кривизны задней кромки и длина хорды могут изменяться на протяжении размаха лопатки диффузора. За счет этого лопатка диффузора может точно регулироваться с целью компенсации осевых изменений потока через рабочее колесо. В дополнительных вариантах осуществления угол кривизны лопатки диффузора также может изменяться на протяжении размаха лопатки. В других вариантах осуществления может быть предусмотрено изменение периферического положения передней кромки и(или) задней кромки лопатки диффузора на протяжении размаха лопатки. Такое регулирование может упрощать конфигурацию не профилированных лопастей, рассчитанных на реологические свойства потока через конкретное рабочее колесо, и тем самым повышать кпд и уменьшать потери в режимах пульсирующего потока и запертого потока.
На фиг.1 показан вид в перспективе компонентов центробежного компрессора 10 для обеспечения выходного потока текучей среды под давлением. В частности, центробежный компрессор 10 имеет рабочее колесо 12 с множеством лопастей 14. При придании вращения рабочему колесу 12 внешним источником (например, электродвигателем, двигателем внутреннего сгорания и т.д.) сжимаемая текучая среда, поступающая на лопатки 14, ускоряется в направлении диффузора 16, расположенного вокруг рабочего колеса 12. В некоторых вариантах осуществления в непосредственной близости от диффузора 16 расположена полка (не показана), которая служит для направления потока текучей среды из рабочего колеса 12 в диффузор 16. Диффузор 16 рассчитан на преобразование высокоскоростного потока текучей среды через рабочее колесо 12 в поток высокого давления (т.е. преобразование динамического напора в напор давления).
В рассматриваемом варианте осуществления диффузор 16 имеет лопатки 18, соединенные со ступицей ступица 20 и образующие кольцевую конфигурацию. Лопатки 18 служат для повышения кпд диффузора. Как подробно описано далее, каждая лопатка 18 имеет участок передней кромки, участок задней кромки и участок постоянной толщины между участком передней кромки и участком задней кромки, в результате чего образуются не профилированные лопатки 18. Свойства лопатки 18 служат для создания трехмерной компоновки, которая конкретно соответствует потоку текучей среды, вытесняемой из рабочего колеса 12. За счет оконтурирования трехмерных не профилированных лопастей 18 в соответствии с потоком на выходе из рабочего колеса может быть повышен кпд диффузора 16 по сравнению с двумерными каскадными диффузорами. Кроме того, могут быть уменьшены потери в режимах пульсирующего потока и запертого потока по сравнению с трехмерными диффузорами с профилем аэродинамического типа.
На фиг.2 показана местная осевая проекция диффузора 16, включая поток текучей среды, вытесняемой из рабочего колеса 12. Показано, что каждая лопатка 18 имеет переднюю кромку 22 и заднюю кромку 24. Как подробно описано далее, поток текучей среды через рабочее колесо 22 протекает от передней кромке 22 к задней кромке 24, в результате чего динамическое давление (т.е. скорость потока) преобразуется в статическое давление (т.е. текучую среду под давлением). В рассматриваемом варианте осуществления передняя кромка 22 каждой лопатки 18 расположена под углом 26 к круговой оси 28 ступицы 20. Круговая ось 28 повторяет кривизну кольцевидной ступицы 20. Соответственно, передняя кромка 22, ориентированная преимущественно по касательной к кривизне ступицы 20, образует угол 26, составляющий 0 градусов. В некоторых вариантах осуществления угол 26 может составлять приблизительно 0-60, 5-55, 10-50, 15-45, 15-40, 15-35 или около 10-30 градусов. В рассматриваемом варианте осуществления угол 26 каждой лопатки 18 может изменяться в интервале приблизительно от 17 до 24 градусов. Тем не менее, в альтернативных конфигурациях могут использоваться лопатки 18 с другой ориентацией относительно круговой оси 28.
Показано, что поток 30 текучей среды выходит из рабочего колеса как в направлении 28 по окружности, так и в радиальном направлении 32. В частности, поток 30 текучей среды ориентирован под углом 34 к круговой оси 28. Следует учесть, что угол 34 может изменяться в зависимости от конфигурации рабочего колеса, частоты вращения рабочего колеса и(или) скорость потока через компрессор 10, среди прочих факторов. В рассматриваемой конфигурации угол 26 лопатки 18 в точности соответствует направлению потока 30 текучей среды через рабочее колесо 12. Следует учесть, что разность между углом 26 передней кромки и углом 34 потока текучей среды может быть определена как угол падения. В рассматриваемом варианте осуществления лопатки 18 служат для преимущественного уменьшения угла падения и тем самым повышения кпд центробежного компрессора 10.
Как уже указано, лопатки 18 расположены вокруг ступицы 20 и образуют преимущественно кольцевидную структуру. Шаг 36 лопастей 18 в направлении 28 по окружности может служить для обеспечения эффективного преобразования скоростного напора в напор давления. В рассматриваемой конфигурации шаг 36 лопастей 18 является преимущественно одинаковым. Тем не менее, в альтернативных вариантах осуществления может быть предусмотрен неравномерный шаг лопастей.
Каждая лопатка 18 имеет нагнетающую поверхность 38 и засасывающую поверхность 40. Следует учесть, что при протекании потока текучей от передней кромке 22 к задней кромке 24 вблизи нагнетающей поверхности 38 образуется область высокого давления, а вблизи засасывающей поверхности 40 образуется область низкого давления. Эти области давления воздействуют на поле течения потока из рабочего колеса 12 и тем самым повышают устойчивость потока и кпд по сравнению с безлопастными диффузорами. В рассматриваемом варианте осуществления каждая из трехмерных не профилированных лопастей 18 соответствует конкретным реологическим свойствам потока через рабочее колесо 12, за счет чего повышается кпд и снижаются потери в режимах пульсирующего потока и запертого потока.
На фиг.3 показан меридиональный вид диффузора 16 центробежного компрессора, включая профиль лопатки диффузора. Каждая лопатка 18 расположена в осевом направлении 42 между ступицей 20 и полкой (не показана) и имеет размах 44. В частности, размах 44 ограничен концом 46 лопатки со стороны полки и хвостовиком 48 лопатки со стороны ступицы. Как подробно описано далее, длина хорды изменяется на протяжении размаха 44 лопатки 18. Длиной хорды является расстояние между передней кромкой 22 и задней кромкой 24 в конкретном положении по оси лопатки 18. Например, длина хорды 50 конца 46 лопатки может отличаться от длины хорды 52 хвостовика 48 лопатки. Длина хорды в определенном положении по оси (т.е. положении в осевом направлении 42) лопатки 18 может выбираться на основании гидродинамических характеристик текучей среды в этом конкретном положении по оси. Например, путем компьютерного моделирования может быть установлено, что скорость текучей среды через рабочее колесо 12 изменяется в осевом направлении 42. Соответственно, длина хорды в каждом положении по оси может конкретно выбираться в соответствии со скоростью входящего потока текучей среды. Тем самым может повышаться кпд лопатки 18 по сравнению с конфигурациями, в которых длина хорды остается преимущественно постоянной на протяжении размаха 44 лопатки 18.
Кроме того, на протяжении размаха 44 лопатки 18 может изменяться периферическое положение (т.е. положение в направлении 28 по окружности) передней кромки 22 и(или) задней кромки 24. Как показано, от передней кромки 22 конца 46 лопатки в сторону ступицы 20 в осевом направлении 42 проходит линия 54 начала отсчета. Периферическое положение передней кромки 22 на протяжении размаха 44 смещено от линии 54 начала отсчета на переменное расстояние 56. Иными словами, передняя кромка 22 является изменяемой, а не постоянной в направлении 28 по окружности. При этой конфигурации между рабочим колесом 12 и передней кромкой 22 лопатки 18 на протяжении размаха 44 устанавливается переменное расстояние. Например, на основании компьютерного моделирования потока текучей среды через рабочее колесо 12 может быть выбрано конкретное расстояние 56 для каждого положения по оси на протяжении размаха 44. Тем самым может быть повышен кпд лопатки 18 по сравнению с конфигурациями с использованием постоянного расстояния 56. В рассматриваемом варианте осуществления расстояние 56 увеличивается с увеличением расстояния от конца 46 лопатки. В альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие профили передней кромки, включая конструкции, в которых передняя кромка 22 проходит за линию 54 начала отсчета в направлении рабочего колеса 12.
Аналогичным образом может изменяться периферическое положение задней кромки 24 на протяжении размаха 44 лопатки 18. Как показано, от задней кромки 24 хвостовика 48 лопатки в сторону от ступицы 20 в осевом направлении 42 проходит линия 58 начала отсчета. Периферическое положение задней кромки 24 на протяжении размаха 44 смещено от линии 58 начала отсчета на переменное расстояние 60. Иными словами, задняя кромка 24 является изменяемой, а не постоянной в направлении 28 по окружности. При этой конфигурации между рабочим колесом 12 и задней кромкой 24 лопатки 18 на протяжении размаха 44 устанавливается переменное расстояние. Например, на основании компьютерного моделирования потока текучей среды через рабочее колесо 12 может быть выбрано конкретное расстояние 60 для каждого положения по оси на протяжении размаха 44. Тем самым может быть повышен кпд лопатки 18 по сравнению с конфигурациями с использованием постоянного расстояния 60. В рассматриваемом варианте осуществления расстояние 60 увеличивается с увеличением расстояния от хвостовика 48 лопатки. В альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие профили задней кромки, включая конструкции, в которых задняя кромка 24 проходит за линию 58 начала отсчета в направлении от рабочего колеса 12. В дополнительных вариантах осуществления радиальное положение передней кромки 22 и(или) радиальное положение задней кромки 24 могут изменяться на протяжении размаха 44 лопатки 18 диффузора.
На фиг.4 показан вид сверху профиля лопатки диффузора по линии 4-4 на фиг.3. Показано, что лопатка 18 имеет участок 62 сужающейся передней кромки, участок 64 постоянной толщины и участок 66 сужающейся задней кромки. Толщина 68 участка 64 постоянной толщины между участком 62 передней кромки и участком 66 задней кромки является преимущественно постоянной. За счет участка 64 постоянной толщины профиль лопатки 18 отличается от традиционного аэродинамического профиля. Иными словами, лопатка 18 не может считаться лопаткой с профилем аэродинамического типа. Тем не менее, аналогично лопатке с профилем аэродинамического типа параметры лопатки 18 могут быть конкретно сконфигурированы таким образом, чтобы соответствовать трехмерному потоку текучей среды через конкретное рабочее колесо 12, за счет чего скорость текучей среды эффективно преобразуется в давление текучей среды.
Например, как уже указано, длина хорды в определенном положении по оси (т.е. положении в осевом направлении 42) лопатки 18 может выбираться на основании реологических свойств этом положении по оси. Как показано, длина хорды 50 конца 46 лопатки может быть выбрана исходя из потока через рабочее колесо 12 на конце 46 лопатки 18. Аналогичным образом длина 70 участка 62 сужающейся передней кромки может быть выбрана, исходя из реологических свойств потока в соответствующем положении по оси. Как показано, за счет участка 62 сужающейся передней кромки между участком 64 постоянной толщины и передней кромкой 22 образуется сходящаяся конфигурация. Следует учесть, что при заданной толщине 68 основания 71 участка 62 сужающейся передней кромки длина 70 может образовывать уклон между передней кромкой 22 и участком 64 постоянной толщины. Например, за счет более длинного участка 62 передней кромки может обеспечиваться более плавный переход от передней кромки 22 к участку 64 постоянной толщины, а за счет более короткого участка 62 может обеспечиваться более резкий переход.
Кроме того, длина 72 участка 64 постоянной толщины и длина 74 участка 66 сужающейся задней кромки могут быть выбраны, исходя из реологических свойств потока в конкретном положении по оси. Аналогично участку 62 передней кромки длина 74 участка 66 задней кромки может образовывать уклон между задней кромкой 24 и основанием 75. Иными словами, путем регулирования длины 74 участка 66 задней кромки можно обеспечивать желаемые реологические свойства потока вокруг задней кромки 24. Как показано, за счет участка 66 сужающейся задней кромки между участком 64 постоянной толщины и задней кромкой 24 образуется сходящаяся конфигурация. Длина 72 участка 64 постоянной толщины может зависеть от выбора желаемой длины хорды 50, желаемой длины 70 участка передней кромки и желаемой длины 74 участка задней кромки. В частности, длина хорды 50, остающаяся после выбора длин 70 и 74, задает длину 72 участка 64 постоянной толщины. В некоторых конфигурациях длина 72 участка 64 постоянной толщины может составлять свыше приблизительно 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% или более длины хорды 50. Как подробно описано далее, соотношение длины 72 участка 64 постоянной толщины и длины хорды 50 может являться преимущественно одинаковым для каждого поперечного профиля на протяжении размаха 44.
Помимо этого, передняя кромка 22 и(или) задняя кромка 24 могут иметь криволинейный профиль на конце участка 62 сужающейся передней кромки и(или) участка 66 сужающейся задней кромки. В частности, конец передней кромки 22 может иметь криволинейный профиль с радиусом кривизны 76, рассчитанным на то, чтобы направлять поток текучей среды вокруг передней кромки 22. Следует учесть, что радиус кривизны 76 может влиять на уклон участка 62 сужающейся передней кромки. Например, при заданной длине 70 за счет большего радиуса кривизны 76 может уменьшаться уклон между передней кромкой 22 и основанием 71, а за счет меньшего радиуса кривизны 76 уклон может увеличиваться. Аналогичным образом, радиус кривизны 78 конца задней кромки 24 может быть выбран исходя из вычисленных реологических свойств потока на задней кромке 24. В некоторых конфигурациях радиус кривизны 76 передней кромки 22 может превышать радиус кривизны 78 задней кромки 24. Следовательно, длина 74 участка 66 сужающейся задней кромки может превышать длину 70 участка 62 сужающейся передней кромки.
Другим свойством лопатки, которое может влиять на поток текучей среды через диффузор 16, является кривизна лопатки 18. Как показано, от передней кромки 22 до задней кромки 24 проходит линия 80 кривизны, которая задает среднюю линию профиля лопатки (т.е. среднюю линию между нагнетающей поверхностью 38 и засасывающей поверхностью 40). Линия 80 кривизны иллюстрирует криволинейный профиль лопатки 18. В частности, от передней кромки 22 по касательной к линии 80 кривизны на передней кромке 22 проходит касательная линия 82 кривизны передней кромки. Аналогичным образом, от задней кромке 24 по касательной к линии 80 кривизны на задней кромке 24 проходит касательная линия 84 кривизны задней кромки. На пересечении касательной линии 82 и касательной линии 84 образуется угол 86 кривизны. Как показано, чем больше кривизна лопатки 18, тем больше угол 86 кривизны. Соответственно, угол 86 кривизны служит эффективным показателем кривизны или выпуклости лопатки 18. Угол 86 кривизны может быть выбран таким образом, чтобы обеспечивать эффективное преобразование динамического напора в напор давления, исходя из реологических свойств потока через рабочее колесо 12. Например, угол 86 кривизны может составлять свыше приблизительно 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 или более градусов.
Угол 86 кривизны, радиус кривизны 76 передней кромки 22, радиус кривизны 78 задней кромки 24, длина 70 участка 62 сужающейся передней кромки, длина 72 участка 64 постоянной толщины, длина 74 участка 66 сужающейся задней кромки и(или) длина хорды 50 могут изменяться на протяжении размаха 44 лопатки 18. В частности, каждый из перечисленных параметров может выбираться конкретно для каждого осевого сечения, исходя из вычисленных реологических свойств потока в соответствующем положении по оси. Этим способом может быть сконструирована трехмерная лопатка 18 (т.е. лопатка 18 с переменной геометрией поперечного сечения), обеспечивающая более высокий кпд по сравнению с двумерной лопаткой (т.е. лопаткой с постоянной геометрией поперечного сечения). Кроме того, как подробно описано далее, диффузор 16, в котором используются такие лопатки 18, может сохранять кпд в широком интервале рабочих скоростей потока.
На фиг.5 показано поперечное сечение лопатки 18 диффузора по линии 5-5 на фиг.3. Аналогично ранее рассмотренному профилю эта лопатка имеет участок 62 сужающейся передней кромки, участок 64 постоянной толщины и участок 66 сужающейся задней кромки. Тем не менее, конфигурация этих участков изменена в соответствии с реологическими свойствами потока в соответствующем положении по оси. Например, длина хорды 87 может отличаться от длины хорды 50 конца 46 лопатки. Аналогичным образом, толщина 88 участка 64 постоянной толщины может отличаться от толщины 68 участка на фиг.4. Кроме того, длина 90 участка 62 сужающейся передней кромки, длина 92 участка 64 постоянной толщины и(или) длина 94 участка 66 сужающейся задней кромки могут различаться в зависимости от реологических свойств потока в положении по оси. Тем не менее, соотношение длины 92 участка 64 постоянной толщины и длины хорды 87 может быть преимущественно равным соотношению длины 72 и длины хорды 50. Иными словами, соотношение длины участка постоянной толщины и длины хорды может оставаться преимущественно постоянным на протяжении размаха 44 лопатки 18.
Аналогичным образом, у рассматриваемой лопатки и лопатки, показанной на фиг.4, могут различаться радиус кривизны 96 передней кромки 22, радиус кривизны 98 задней кромки 24 и(или) угол кривизны 100. Например, радиус кривизны 96 передней кромки 22 может быть выбран конкретно с целью уменьшения угла падения между потоком текучей среды через рабочее колесо 12 и передней кромкой 22. Как уже указано, угол потока текучей среды через рабочее колесо 12 может изменяться в осевом направлении 42. Поскольку в рассматриваемом варианте осуществления упрощается выбор радиуса кривизны 96 в каждом положении по оси (т.е. в осевом направлении 42), может быть значительно уменьшен угол падения на протяжении размаха 44 лопатки 18 и тем самым повышен кпд лопатки 18 по сравнению с конфигурациями, в которых радиус кривизны 96 передней кромки 22 остается преимущественно постоянным на протяжении размаха 44. Кроме того, поскольку скорость потока текучей среды через рабочее колесо 12 может изменяться в осевом направлении 42, за счет регулирования радиусов кривизны 96 и 98, длины хорды 87, угла 100 кривизны или других параметров для каждого осевого участка лопатки 18 может повышаться кпд всего диффузора 16.
На фиг.6 показано поперечное сечение лопатки 18 диффузора по линии 6-6 на фиг.3. Аналогично сечению на фиг.5, профиль этого сечения сконфигурирован в соответствии с реологическими свойствами в соответствующем положении по оси. В частности, рассматриваемое сечение имеет длину хорды 101, толщину 102 участка 64 постоянной толщины, длину 104 участка 62 передней кромки, длину 106 участка 64 постоянной толщины и длину 108 участка 66 задней кромки, которые могут отличаться от соответствующих параметров сечения, показанного на фиг.4 и(или) на фиг.5. Кроме того, радиус кривизны 110 передней кромки 22, радиус кривизны 112 задней кромки 24 и угол 114 кривизны также могут быть конкретно сконфигурированы в соответствии с реологическими свойствами потока (например, скоростью, углом падения и т.д.) в положении по оси.
На фиг.7 показано поперечное сечение лопатки 18 диффузора по линии 7-7 на фиг.3. Аналогично сечению на фиг.6, профиль этого сечения сконфигурирован в соответствии с реологическими свойствами потока в соответствующем положении по оси. В частности, рассматриваемое сечение имеет длину хорды 52, толщину 116 участка 64 постоянной толщины, длину 118 участка 62 передней кромки, длину 120 участка 64 постоянной толщины и длину 122 участка 66 задней кромки, которые могут отличаться от соответствующих параметров сечения, показанного на фиг.4, на фиг.5 и(или) на фиг.6. Кроме того, радиус кривизны 124 передней кромки 22, радиус кривизны 126 задней кромки 24 и угол 128 кривизны также могут быть конкретно сконфигурированы в соответствии с реологическими свойствами потока (например, скоростью, углом падения и т.д.) в положении по оси.
В некоторых вариантах осуществления профиль каждого осевого сечения может быть выбран путем двумерной трансформации осевой плоской пластины для придания ее конфигурации радиального потока. Такой метод может предусматривать осуществление конформного преобразования прямолинейного профиля плоской пластины в прямоугольной системе координат в радиальную плоскость в криволинейной системе координат, исходя из предположения равномерности и упорядоченности потока в исходной прямоугольной системе координат. В преобразованной системе координат поток представляет собой логарифмический спиральный вихрь. Если передняя кромка 22 и задняя кромка 24 лопатки 18 диффузора расположены на одной кривой логарифмической спирали, лопатка 18 диффузора не поворачивает поток. Желаемый поворот потока может регулироваться путем выбора соответствующего угла кривизны. Исходное предположение равномерности потока в прямоугольной системе координат может быть модифицировано путем включения фактически неравномерного поля течения через рабочее колесо 12, за счет чего повышается точность расчетов. Пользуясь этим методом, можно выбрать радиус кривизны передней кромки, радиус кривизны задней кромки и(или) угол кривизны, среди прочих параметров, чтобы тем самым повысить кпд лопатки 18.
На фиг.8 показана диаграмма зависимости кпд и величины расхода у центробежного компрессора 10, в котором могут использоваться лопатки 18 диффузора согласно одному из вариантов осуществления. Как показано, по горизонтальной оси 130 отложена скорость потока через центробежный компрессор 10, по вертикальной оси 132 отложен кпд (например, изэнтропический кпд), а кривая 134 отображает кпд центробежного компрессора 10 в зависимости от скорости потока. Кривая 134 содержит диапазон 136 пульсирующего потока, эффективный рабочий диапазон 138 и диапазон 140 запертого потока. Следует учесть, что диапазон 138 отображает нормальный рабочий диапазон компрессора 10. Когда скорость потока становится ниже значений эффективного диапазона, компрессор 10 входит в диапазон 136 пульсирующего потока, в котором из-за недостаточного потока текучей среды через лопатки 18 диффузора в компрессоре 10 образуется сорванный поток, в результате чего снижается кпд компрессора. Напротив, при прохождении через диффузор 16 избыточного потока текучей среды происходит запирание диффузора 16, в результате чего ограничивается количество текучей среды, которая может проходить через лопатки 18.
Следует учесть, что конфигурирование лопастей 18 с целью обеспечения их эффективной работы включает как повышение кпд в эффективном рабочем диапазоне 138, так и снижение потерь в диапазоне 136 пульсирующего потока и диапазоне 140 запертого потока. Как уже указано, трехмерные лопатки с профилем аэродинамического типа обеспечивают высокий кпд в эффективном рабочем диапазоне, но ухудшенные рабочие параметры в диапазонах пульсирующего потока и запертого потока. Напротив, двумерные диффузоры каскадного типа снижают потери в диапазонах пульсирующего потока и запертого потока, но имеют пониженный кпд в эффективном рабочем диапазоне. Путем оконтуривания каждой лопатки 18 в соответствии с реологическими свойствами потока через рабочее колесо 12 и использования участка 64 постоянной толщины в рассматриваемом варианте осуществления может обеспечиваться повышенный кпд в эффективном рабочем диапазоне 138 и снижение потерь в диапазонах 136 и 140 пульсирующего потока и запертого потока. Например, в некоторых вариантах осуществления за счет рассматриваемой конфигурации лопастей могут обеспечиваться рабочие параметры пульсирующего потока и запертого потока, преимущественно эквивалентные параметрам диффузора с двумерными лопастями каскадного типа, и при этом может приблизительно на 1,5% повышаться кпд в эффективном рабочем диапазоне.
Хотя изобретение допускает различные усовершенствования и альтернативные формы, на чертежах в порядке примера проиллюстрированы и далее подробно описаны конкретные варианты его осуществления. Вместе с тем, подразумевается, что описание конкретных вариантов осуществления не имеет целью каким-либо образом ограничить изобретение частными раскрытыми формами, а напротив изобретение считается охватывающим все усовершенствования, эквиваленты и альтернативы, входящие в пределы существа и объема изобретения, охарактеризованного приложенной формулой изобретения.
1. Система, содержащая лопатку диффузора центробежного компрессора, которая, в свою очередь, содержит:
переднюю кромку, имеющую первый радиус кривизны, который изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора,
заднюю кромку, имеющую второй радиус кривизны, который изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора, и
участок постоянной толщины, расположенный между передней кромкой и задней кромкой, при этом соотношение длины участка постоянной толщины и длины хорды лопатки диффузора центробежного компрессора составляет по меньшей мере порядка 50% и является преимущественно постоянным на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора.
2. Система по п.1, в которой угол кривизны лопатки диффузора центробежного компрессора изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора.
3. Система по п.2, в которой первый радиус кривизны передней кромки, второй радиус кривизны задней кромки, угол кривизны или их сочетание выбирают исходя из двумерной трансформации осевой плоской пластины для придания ее конфигурации радиального потока.
4. Система по п.1, в которой длина хорды изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора.
5. Система по п.1, в которой первый радиус кривизны передней кромки выбирают с целью уменьшения угла падения между потоком текучей среды и передней кромкой лопатки диффузора центробежного компрессора.
6. Система по п.1, в которой периферическое положение передней кромки, периферическое положение задней кромки или их сочетание изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора.
7. Система по п.1, в которой радиальное положение передней кромки, радиальное положение задней кромки или их сочетание изменяется на протяжении размаха лопатки диффузора центробежного компрессора.
8. Система по п.1, включающая диффузор центробежного компрессора, имеющий множество лопастей, расположенных вокруг ступицы и образующих кольцевидную структуру.
9. Система, содержащая диффузор центробежного компрессора, который, в свою очередь, содержит:
ступицу; и
множество отходящих от ступицы в осевом направлении лопастей, каждая из которых имеет участок сужающейся передней кромки, участок сужающейся задней кромки и участок постоянной толщины, расположенный между участком сужающейся передней кромки и участком сужающейся задней кромки, при этом участок постоянной толщины имеет первую длину, превышающую на порядка 50% длины хорды лопатки, а вторая длина участка сужающейся передней кромки, третья длина участка сужающейся задней кромки и первая длина участка постоянной толщины изменяются на протяжении размаха каждой лопатки.
10. Система по п.9, в которой множество лопастей расположены вокруг ступицы и образуют кольцевидную структуру и в которой шаг по окружности между каждой парой соседних лопастей является преимущественно одинаковым.
11. Система по п.9, в которой каждая лопатка расположена под углом приблизительно от 10 до 30° к круговой оси ступицы.
12. Система по п.9, в которой угол кривизны каждой лопатки изменяется на протяжении лопатки каждой лопатки.
13. Система по п.12, в которой вторая длина участка сужающейся передней кромки, третья длина участка сужающейся задней кромки, угол кривизны или их сочетание выбирают исходя из двумерной трансформации осевой плоской пластины для придания ее конфигурации радиального потока.
14. Система по п.9, в которой соотношение первой длины участка постоянной толщины и длины хорды лопатки является преимущественно постоянным на протяжении размаха каждой лопатки.
15. Система, содержащая центробежный компрессор, который, в свою очередь, содержит:
рабочее колесо; и
диффузор, расположенный вокруг рабочего колеса и имеющий множество лопастей, каждая из которых имеет сужающуюся переднюю кромку, сужающуюся заднюю кромку и участок постоянной толщины, расположенный между передней кромкой и задней кромкой, при этом угол кривизны, первый радиус кривизны передней кромки и второй радиус кривизны задней кромки изменяются на протяжении размаха каждой лопатки.
16. Система по п.15, в которой третья длина участка постоянной толщины составляет по меньшей мере порядка 50% длины хорды каждой лопатки.
17. Система по п.15, в которой соотношение третьей длины участка постоянной толщины и длины хорды каждой лопатки является преимущественно постоянным на протяжении лопатки каждой лопатки.
18. Система по п.15, в которой первый радиус кривизны передней кромки выбирают с целью уменьшения угла падения между потоком текучей среды и передней кромкой лопатки диффузора центробежного компрессора.
19. Система по п.15, в которой расстояние между передней кромкой и рабочим колесом изменяется на протяжении размаха каждой лопатки.
20. Система по п.15, в которой расстояние между задней кромкой и рабочим колесом изменяется на протяжении размаха каждой лопатки.
