NO862044L - Skovlehjul for sentrifugalkompressor. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår skovlhjul for sentrifugalkompressorer og nærmere bestemt anordningen av skovlhjulets skovler og spalteskovler.

Et sentrifugalkompressortrinns ytelse er begrenset ved fluidum (f.eks. luft/gass) -trykkforskjellene mellom skovloverflåtene. Er trykkforskjellen fra suge- til trykksiden av en kompressor-skovl større enn en kritisk verdi (regnet som prosent av gjen-nomsnittlig dynamisk trykk i vedkommende posisjon), vil strømmen skille seg fra sugesiden og forårsake store tap både i kompressoren og i diffusoren på nedstrømsiden.

Mot kompressorens utløp hvor dens omkrets er lang, tiltar avstanden mellom skovlene, og skovltrykkbelastningen økes i en slik grad at strømmen skiller seg fra. Slik strømadskillelse er velkjent å forekomme ved alle kompressorer og betegnes ofte som "jet-kjølvanns"-strømning.

For å minske den store skovlbelastning ved utgangen fra skovlhjulet er det vanlig å anbringe et sett skovler av mindre lengde, betegnet halvskovler eller spalteskovler, mellom skovlene av full lengde ved skovlhjulets utløpsparti. Et typisk kompressorskovlhjul med enkeltinngang og med et enkelt sett av spalteskovler er vist på fig. 1. På denne figur er skovlene med full lengde betegnet med A og strekker seg fra innløps-området B til utløpsområdet C. Spalteskovlene D er vist plassert avvekslende mellom skovlene A av full lengde og i avstand fra disse.

Der er også kjent kompressorer med dobbelt sett av spalteskovler. Det annet sett av spalteskovler, som i alminnelighet har mindre lengde enn det første sett, har vært plassert symmetrisk i midten av de kanaler som dannes mellom skovlene av full lengde og de første spalteskovler. En slik struktur fører til i alt N + N + 2N = 4N skovler anbragt fordelt rundt omkretsen av skovlhjulet ved kompressorens utgang, hvor N betegner antall skovler av full lengde. De påkjenninger som forårsakes av den ekstra skovlhjulmasse ved omkretsen ved høy rotasjonshastighet, kan begrense kompressorens ytelse.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse slik den er realisert

og beskrevet i store trekk her, omfatter et skovlhjul for en sentri fugalkompressor et nav med en overflate som delvis inngrenser strømningspassasjen gjennom skovlhjulet, idet overflaten er utformet for å skaffe et hovedsakelig aksialt strøm-innløp og et hovedsakelig radialt strømutløp. En rekke hjulskovler er anbragt i innbyrdes avstand konsentrisk rundt navet på den nevnte overflate og strekker seg alle over hele lengden av strømningspassasjen fra innløp til utløp, hver med en sugeside og en trykkside. Disse skovler av full lengde deler opp

strømmen i en rekke strømningskanaler av samme antall som skovlene av full lengde. Videre er der symmetrisk rundt navet i innbyrdes avstand og avvekslende med skovlene av full lengde anordnet en rekke første spalteskovler i samme antall som bladene av full lengde,

og hver utformet med en påløpskant og en avløpskant. Påløps-kanten av hver av de første spalteskovler sitter på nedstrøms-siden av innløpet i den respektive strømningskanal, og spalteskovlens avløpskant befinner seg ved utløpet fra strømnings-passasjen. Hver første spalteskovl strekker seg i tangensial avstand fra de to skovler av full lengde som sitter på hver sin side av den, og det slik at omtrent 1/3 av strømmen i den kanal som er begrenset av disse to skovler av full lengde, forløper mellom vedkommende første spalteskovl og den av de to tilgrensende skovler av full lengde, hvis sugeside vender mot spalteskovlen.

Fortrinnsvis innbefatter sentrifugalkompressor-skovlhjulet ennvidere en rekke andre spalteskovler i samme antall som bladene av full lengde og fordelt i innbyrdes avstand rundt navets overflate mellom hver sin første spalteskovl og den tilgrensende spalteskovl av full lengde hvis trykkside vender mot den respektive første spalteskovl.

Det foretrekkes også at hver av de andre spalteskovler har mindre lengde enn den respektive første spalteskovl og deler i omtrent to like store andeler strømmen mellom den respektive første spalteskovl og den tilgrensende skovl av full lengde

med overforliggende trykkside, hvorved strømmen i de delkanaler som dannes av hver første spalteskovl og den tilgrensende annen spalteskovl, regnet som brøkdel av hele kanalstrømmen, utgjør omtrent 1/3:1/3:1/3 ved kompressorens utløp.

Ennvidere foretrekkes det at de respektive strømspaltinger

er bestemt på grunnlag av pV-fordelingen henholdsvis på stedet for første spalteskovls påløpskant og på stedet for annen spalteskovls påløpskant.

Og ennvidere foretrekkes det at en sentrifugalkompressor-skovlhjulenhet med dobbelt innløp omfatter det ovenfor definerte sentrifugalkompressorskovlhjul og et annet sentrifugalkompressorskovlhjul som er speilsymmetrisk til det førstenvnte skovlhjul med hensyn på et plan som står loddrett på det definerte skovlhjuls akse ved den aksiale ende av skovlhjulet som tilsvarer kompressorens utløpsparti.

De medfølgende tegninger, som inngår som del av den foreliggende fremstilling, anskueliggjør to utførelsesformer for oppfinnelsen og tjener sammen med beskrivelsen til å forklare oppfinnelsens prinsipper.

Fig. 1 er et oppriss av et sentrifugalkompressorskovlhjul

med enkeltinnløp og utført i samsvar med eldre teknikk. Fig. 2 er et skjematisk grunnriss av en del av et sentrifugalkompressorskovlhjul med enkelt inngang, utført i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser en detalj av skovlhjulet på fig. 2 sett ovenfra, og fig. 4 er et skjematisk sideriss av et sentrifugalkompressor-skovlhjul med dobbelt inngang og utført i samsvar med den foreliggende oppfinnelse.

Der skal nå gjøres rede for de foretrukne utførelsesformer

som er vist på tegningsfigurene 2-4/ som sammen med beskrivelsen tjener til å belyse oppfinnelsens prinsipper.

Der henvises først til fig. 2, som viser et sentrifugalkom-pressorskovlh jul som er laget i samsvar med oppfinnelsen og generelt er betegnet med 10. Skovlhjulet 10 skal rotere om en akse 12 i den retning som er angitt ved pilen 14. Skovlhjulet 10 brukes sammen med det tett omsluttende hus (ikke vist)

på samme måte som det tidligere kjente skovlhjul som er vist på fig. 1, men med bedrede funksjonsegenskaper som følge av de trekk ved oppfinnelsen som vil bli beskrevet i det følgende.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse innbefatter sentrifugalkompressorskovlhjulet et nav med en overflate som delvis inngrenser strømningspassasjen gjennom skovlhjulet. Denne overflate er utformet for å danne et hovedsakelig aksialt strømnings-passas jeinnløp og et hovedsakelig radialt strømningspassasje-utløp for kompressoren. Slik skovlhjulet 10 er realisert her, innbefatter det et nav 16 med overflate 18 til å lede fluidum-strømmen gjennom kompressoren. Overflaten 18 er utformet for sammen med (det ikke viste).huset å danne en strømningspassasje som generelt er betegnet med 20, forbi navet 16. Strømnings-passasjen 20 innbefatter et stort sett aksialt innløpsparti 22 for den inntredende strøm (betegnet med pil 24) og et utløps-parti 26 for utløpsstrømmen (pil 28). Den virkelige orientering av strømmen som trer ut av sentrifugalkompressoren, er kombinert radial/tangensial som følge av den rotasjonsbevegelse som skovlhjulet 10 meddeler fluidet.

Videre innbefatter sentrifugalkompressorskovlhjulet i samsvar med oppfinnelsen en rekke hjulskovler som er anordnet symmetrisk i innbyrdes avstand rundt navet på dets overflate og hver strekker seg i full lengde av strømningspassasjen fra kompressorinnløpet til kompressorutløpet. Hver av disse skovler med full lengde har en sugeside og en trykkside, slik at disse skovler av full lengde deler strømmen forbi skovl-hjulnavet i en flerhet av strømningskanaler av samme antall som skovlene av full lengde. I den foreliggende utførelse er skovler 30, 32 av full lengde montert på den overflate

18 av navet 16 som strekker seg fra kompressorinnløpspartiet

22 til kompressorutløpet 26. Det vil forstås at skovlene av full lengde er jevnt fordelt rundt omkretsen av navet 16 og skaffer en rekke strømningskanaler i samme antall som skovlene av full lengde. I alminnelighet vil antallet av skovler av full lengde ligge i området mellom omtrent 7 og 15. For tydelighets skyld er der på fig. 2 bare vist to skovler 30, 32 av full lengde, som virker til å gi en strømningskanal 34.

Som fagfolk vil forstå, har hver av skovlene 30, 32 en trykkside dannet av forsiden i forhold til rotasjonsretningen 14 og en sugeside som bakside. I den skjematiske skisse på fig. 2 ses sugesidene 36, 38 av skovlene henholdsvis 30 og 32.

Videre innbefatter sentrifugalkompressorskovlhjulet ifølge

den foreliggende oppfinnelse en rekke første spalteskovler av samme antall som skovlene av full lengde og symmetrisk anordnet rundt omkretsen av navet, avvekslende med skovlene av full lengde. Hver av disse første spalteskovler er kortere enn skovlene av full lengde og har en karakteristisk påløpskant og en avløpskant. I den viste utførelse er en .av disse første spalteskovler 40 plassert mellom skovlene 30, 32 av full lengde, og det vil forstås at andre første spalteskovler vil være anordnet på lignende måte mellom andre skovler av full lengde, som for tydelighets skyld ikke er vist. Skovlen 40 har en forkant 42 regnet i forhold til strømretningen, plassert på nedstrømsiden av kompressorinnløpet 22. Avløpskanten 44 av skovlen 40 er plassert ved kompressorutløpet 26 på samme radial-avstand som avløpskantene av skovlene 30, 32 av full lengde.

Som det ses best på fig. 3, er første spalteskovl 40 plassert slik mellom skovlene 30, 32 av full lengde at omtrent 1/3

av strømmen i kanalen 34 blir dirigert til delkanalen 46 mellom første spalteskovl 40 og skovlen 30 (dvs. mellom skovlen 40

og den skovl hvis sugeside 36 vender mot denne første spalteskovl 40). Den resterende andel på ca. 2/3 av strømmen i kanalen

34 ville flyte i delkanalen 48 mellom skovlen 40 og skovlen

32 av full lengde.

Fortrinnsvis vil man bestemme plasseringen med sikte på å oppnå den ønskede strømspalting ved å betrakte pV- (densitet ganger hastighet) -fordelingen i den aksiale posisjon som tilsvarer forkanten 42 (betegnet med x1på fig. 3). Som vist skjematisk på fig. 3 blir pV-fordelingen påtagelig forskjøvet mot sugesiden av skovlen 30, og skovlen 40 vil derfor ikke bli plassert nøyaktig ved 1/3 av den periferiske avstand mellom skovlene 30 og 32.

Det foretrekkes også at skovlhjulet ifølge oppfinnelsen innbefatter en rekke andre spalteskovler plassert mellom hver første spalteskovl og den skovl av full lengde som vender trykksiden mot vedkommende første spalteskovl. I den viste utførelse og stadig som anskueliggjort på fig. 2 og 3, er en slik annen spalteskovl 50 vist montert på overflaten 18 av navet 16 i en stilling mellom første spalteskovl 40 og skovlen 32 av full lengde. Annen spalteskovl 50 har en forkant 52 og en bakre kant 54, begge i forhold til strømningsretningen. Forkanten 52 sitter på nedstrømsiden av forkanten 42 av første spalteskovl 40, mens bakre kant 54 flukter med bakre kant 44 av første spalteskovl 40 og med avløpskantene av skovlene 30, 32 av full lengde. Følgelig er annen spalteskovl 50 kortere enn første spalteskovl 40.

Noe som er viktig, er at den periferiske posisjon av annen spalteskovl 50 er slik at strømmen i delkanalen 48 blir delt i to like deler, fortrinnsvis på grunnlag av pV-fordelingen i delkanalen 48 ved den aksiale posisjon x.^av forkanten 52. Således foreligger der ved kompressorutløpet 26 en jevnere strømfordeling rundt omkretsen av skovlhjulet 10 med tilnær-melsesvis 1/3 av strømmen i kanalen 34 i hver av delkanalene 46, 56 og 58.

Fordelene ved den foreliggende oppfinnelse skyldes ikke bare den forbedrede strømfordeling som følger av den minskede

tilbøyelighet til strømadskillelse ved skovlhjulets utløp,

men også reduksjonen av godsmengden ved omkretsen av skovlhjulet 10. Sentrifugalskovlhjul drives med høye hastigheter som kan bli begrenset av massen ved skovlhjulets omkrets. Mindre masse ved spissene betyr høyere margin mot defekter

i strukturen eller høyere arbeidshastigheter. Sammenholdt med skovlhjul i henhold til eldre teknikk skaffer skovlhjulet 10 ifølge den foreliggende oppfinnelse en jevn strømfordeling med ett sett mindre av andre spalteskovler. Således ville et tidligere kjent skovlhjul med N skovler av full lengde og N første spalteskovler ha 2N andre spalteskovler for i alt 4N skovler, som beskrevet tidligere. Imidlertid ville et skovlhjul utført i samsvar med den foreliggende oppfinnelse ha N skovler av full lengde, N første spalteskovler og N andre spalteskovler for i alt 3N skovler. Den reduksjon i samlet skovlhjulmasse som følger av den foreliggende oppfinnelse, ville også muliggjøre raskere akselerasjon til driftshastighet takket være den reduserte treghet av skovlhjulet.

Reduksjonen i totalt antall skovler ved kompressorens utgang kan også skaffe et forbedret dimensjonsforhold for utløpene av hver av delkanalene 46, 56 og 58. Ideelt skulle geometrien av de enkelte delkanalutløp for skovlhjul av den foreliggende type nærme seg kvadratform for å minske den hydrauliske dia-meter .

En annen utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 4 i form av et sentrifugalkompressorskovlhjul med "dobbelt innløp". I den forbindelse vil generelt samme henvisningstall bli benyttet som for tilsvarende deler i ut-førelsesformen på fig. 2 og 3, men med et tilføyet 100-siffer.

Slik kompressorskovlhjulenheten med dobbelt innløp er realisert her i samsvar med den foreliggende oppfinnelse og generelt betegnet med 110 som vist på fig. 4, har den en venstre skovlhjuldel stort sett maken til den på fig. 3 med navparti 116, skovler 130 av full lengde, første spalteskovler 140 og andre spalteskovler 150 (bare én skovl av hvert slag er vist). Høyre skovlhjuldel er speilsymmetrisk til venstre del om planet 160 ved den aksiale ende av skovlhjulnavpartiet 116 som befinner seg nær kompressorutløpet 162. Således har høyre skovlhjuldel 116' skovler 130' av full lengde, første spalteskovler 140'

og andre spalteskovler 150' (bare én skovl av hvert slag er vist). Skovlhjulenheten 110 har således et par motstående, hovedsakelig aksiale innløp 122, 122' og et felles enkelt utløp 162. Skovlhjulenheten 110 roterer i dreieretningen 114 slik at punktet P ville gå innover i tegningsplanet på fig. 4.

Fortrinnsvis er navpartiene 116, 116' utført i ett. Som opplyst i den parallelle US patentsøknad S.N. 577 359, kan de radialt ytre deler av navpartiene 116, 116' ved planet 160 utspares mellom skovlene for å lette sammenblanding av strømningene fra venstre og høyre skovlhjuldel. Videre kan man la avløps-kantene av skovlene med full lengde fra venstre del ende ved utløpet 162 sammen med enten de første spalteskovler eller de andre spalteskovler fra høyre skovlhjuldel for ytterligere å jevne ut strømmen som forklart i S.N. 577 359. I såfall ville høyre skovlhjuldel stadig være et speilbilde, men vinkel-forskjøvet om aksen 112.

Det vil være innlysende for fagfolk på området at det ville være mulig å foreta adskillige modifikasjoner og endringer av sentri fugalkompressorskovlhjulene ifølge -oppfinnelsen uten å overskride oppfinnelsens rekkevidde og hovedtanke. Således er det meningen at den foreliggende oppfinnelse skal dekke modifikasjoner og variasjoner av oppfinnelsen forutsatt at de faller innen rammen av patentkravene og deres ekvivalenter.

Claims (13)

1. Skovlhjul for en sentrifugalkompressor, omfattende: et nav med en overflate som delvis begrenser passasjen gjennom skovlhjulet, og som er utformet for å danne et hovedsakelig aksialt strømningspassasjeinnløp og et hovedsakelig radialt strømningspassasjeutløp, en flerhet av skovlhjulskovler fordelt symmetrisk i innbyrdes avstand rundt navet på den nevnte flate og hver forløpende i full lengde av strømpassasjen fra innløpet til utløpet, samtidig som hver av disse skovler med full lengde har en sugeside og en trykkside, og deler strømmen i en flerhet av strømningskanaler av samme antall som skovlene av full lengde,. en flerhet av første spalteskovler i samme antall som skovlene av full lengde og anbragt symmetrisk i innbyrdes avstand rundt navet avvekslende med skovlene med full lengde, og hver med mindre lengde enn de nevnte skovler med full lengde og utformet med en påløpskant og en avløpskant, hvor påløpskanten av hver av de første spalteskovler befinner seg i den respektive strømningskanal på nedstrøm-siden av nevnte innløp og spalteskovlens avløpskant befinner seg ved strømningspassasjens utløp, og hvor den nevnte første spalteskovl befinner seg i slik tangensial avstand fra de to skovler av full lengde på begge sider av den at omtrent 1/3 av strømmen i den kanal som be-grenses av de to skovler med full lengde, passerer mellom vedkommende første spalteskovl og den av de to skovler med full lengde hvis sugeside vender mot spalteskovlen.

2. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 1, ytterligere innbefattende en flerhet av andre spalteskovler av samme antall som de nevnte skovler av full lengde og anbragt i innbyrdes avstand rundt navoverflaten, hver mellom en respektiv første spalteskovl og den av de tilgrensende skovler med full lengde som vender sin trykkside mot vedkommende første spalteskovl.

3. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 2, hvor hver av de nevnte andre spalteskovler har mindre lengde enn den respektive første spalteskovl.

4. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 2, hvor hver av de nevnte andre spalteskovler deler i omtrent to halvdeler strømmen mellom den nevnte respektive første spalteskovl og den nevnte tilgrensende, med trykksiden motvendende skovl av full lengde, hvorved strømmen som brøkdel av kanalstrømmen i de delkanaler som dannes ved hjelp av hver første spalteskovl og den tilgrensende annen spalteskovl, er omtrent 1/3:1/3:1/3 ved nevnte skovlhjulutløp.

5. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 2, hvor hver av de nevnte andre spalteskovler har en påløpskant og en avløps-kant, og hvor påløpskanten av den nevnte annen spalteskovl befinner seg på nedstrømsiden av påløpskanten av den respektive første spalteskovl og avløpskanten av den annen spalteskovl befinner seg ved skovlhjulutløpet.

6. Sentri fugalkompressor-skovlhjul som i krav 1, hvor antall skovler av full lengde ligger i området fra 7 til 15.

7. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 1, hvor den ønskede strømspalting er bestemt på grunnlag av pV-fordelingen på stedet for påløpskanten av første spalteskovl.

8. Sentrifugalkompressor-skovlhjul som i krav 4, hvor de respektive strømspaltinger er bestemt på grunnlag av pV-fordelingen på henholdsvis stedet for påløpskanten av første spalteskovl og på stedet for påløpskanten av annen spalteskovl.

9. Sentri fugalkompressor-skovlhjul omfattende: et nav med en rotasjonsakse, et antall skovler av full lengde montert på navet, et like stort antall av første spalteskovler montert på navet avvekslende med skovlene av full lengde, og et like stort antall andre spalteskovler som er montert på navet, og hver av hvilke er plassert mellom en av de første spalteskovler og den av de tilgrensende skovler av full lengde som lilgger bak i forhold til skovlhjulets tilsiktede rotasjons-retning, samtidig som de nevnte andre spalteskovler har mindre lengde enn de første spalteskovler.

10. Sentrifugalkompressor som i krav 9, hvor strømmen i de tre delkanaler som dannes i kanalen mellom skovlene av full lengde ved hjelp av de respektive første og andre spalteskovler, utgjør omtrent 1/3:1/3:1/3 av kanalstrømmen.

11. Sentrifugalkompressor-skovlhjulenhet med dobbelt inngang, omfattende et sentrifugalkompressor-skovlhjul som angitt i krav 1, og et annet sentrifugalkraft-skovlhjul som utgjør et speilbilde av det angitte skovlhjul med hensyn på et plan loddrett på det angitte skovlhjuls akse ved den aksiale ende av skovlhjulet som tilsvarer skovlhjul-utløpspartiet.

12. Sentrifugalkompressor-enhet med dobbelt inngang som i krav 11, hvor det nevnte angitte skovlhjul og det nevnte speilbilleddannende skovlhjul er utført i ett.

13. Skovlhjul for sentrifugalkompressor, omfattende: et nav, N skovler av full lengde fordelt rundt navet, og Y spalteskovler fordelt rundt navet og plassert mellom skovlene av full lengde, hvor N og Y er hele tall og Y lik 2N.