BRPI0615148A2

BRPI0615148A2 - difusor de aerofólio

Info

Publication number: BRPI0615148A2
Application number: BRPI0615148-5A
Authority: BR
Inventors: Ahmed Abdelwahab; Gordon J Gerber; Robert Leroy Baker
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2011-05-03
Also published as: CN101263305A; CN101263305B; JP5068263B2; CA2618177A1; JP2009504974A; US7448852B2; EP1931881B1; US20070036647A1; WO2007021624A1; MX2008001863A; KR101286344B1; CA2618177C; EP1931881A1; KR20080034986A; BRPI0615148B1

Abstract

DIFUSOR DE AEROFóLIO. é descrito um difusor de aerofólio de palhetas de baixa solidez para um compressor centrífugo, em que cada lâmina tem um ângulo de inclinação (85) maior que zero e em que o ângulo de defasagem do cubo (70) pode ser o mesmo, ou pode ser diferente do ângulo de defasagem da cobertura (80) para cada pá. Preferivelmente, o ângulo de inclinação (85) é na faixa de 5-60 graus, e o ângulo de defasagem do cubo (70) e o ângulo de defasagem da cobertura (80) é de 13 a 30 graus. O difusor pode ser empregado em um compressor centrífugo usado em uma instalação de separação de ar.

Description

"DIFUSOR DE AEROFÓLIO"

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção diz respeito, no geral, a compressorescentrífugos e, mais particularmente, a compressores centrífugos para uso emsistemas de retificação criogênico, tal como retificação criogênica de ar paraproduzir gases atmosféricos, tais como oxigênio, nitrogênio e argônio.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Um compressor centrífugo emprega uma roda ou propulsormontado em um eixo rotativo posicionado dentro de um alojamentoestacionário. A roda define um trajeto de fluxo de gás da entrada ata a saída.Difusores de aerofólio de baixa solidez têm sido usados com sucesso comodispositivos de recuperação de pressão dinâmica eficientes e compactos emestágios de compressor centrífugo industrial. Tipicamente, tais difusores têmuma cascata de duas lâminas ou palhetas de aerofólio bidimensionaldistribuída circunferencialmente em proximidade imediata com a saída dopropulsor. A característica fundamental deste tipo de difusor é a falta de umestrangulador geométrico que permita que ele aumente a faixa de aberturasem o risco de afogamento de fluxo. Este tipo de geometria de difusor temuma grande faixa de fluxo próxima à de difusores sem palhetas, atingindoainda níveis de recuperação de pressão próximos dos de difusores do tipo comcanal. Recentemente, entretanto, por causa da maior competitividade naindústria de processo, está havendo um desafio para aumento das faixasoperacionais de compressores centrífugos além das faixas existentes dasconfigurações de difusores bidimensionais atuais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um aspecto da invenção é:

Um difusor de aerofólio com uma pluralidade lâminas dedifusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, em que a razãoda distância entre uma boda de avanço e a borda de fuga da lâmina docompressor para a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas émenor que um, o ângulo de inclinação da lâmina do difusor para cada lâminaé maior que zero grau, e o ângulo de defasagem do cubo é o mesmo do ângulode defasagem da cobertura para cada pá.

Um outro aspecto da invenção é:

Um difusor de aerofólio com uma pluralidade de lâminas dodifusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, em que a razãoda distância entre a borda de avanço e a borda de fuga de uma lâmina dodifusor para a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas é menorque um, e o ângulo de defasagem do cubo é diferente do ângulo de defasagemde cada pá.

Na forma aqui usada, o temo "ângulo de inclinação" significao ângulo que a direção de empilhamento faz com a direção perpendicular aosplanos do cubo ou cobertura.

Na forma aqui usada, o termo "ângulo de defasagem" significao ângulo que a linha que conecta a borda de avanço e a borda de saída dalâmina faz com a direção radial.

Na forma aqui usada, o termo "ângulo de defasagem do cubo"significa o ângulo de defasagem onde a lâmina encontra o cubo do propulsor.

Na forma aqui usada, o termo "ângulo de defasagem dacobertura" significa o ângulo de defasagem no plano onde a lâmina ficaadjacente com a cobertura.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é uma representação de um compressor centrífugocom o difusor desta invenção.

A figura 2 é uma vista de uma modalidade do aspecto dodifusor contorcido desta invenção.

A figura 3 é uma vista de uma modalidade do aspecto dodifusor recurvado puro desta invenção.A figura 4 é uma vista mais detalhada das lâminas do difusormostrando o ângulo de inclinação, o ângulo de defasagem do cubo e o ângulode defasagem da cobertura.

A figura 5 é uma representação gráfica mostrando resultadosobtidos com a prática desta invenção e resultados comparativos obtidos com aprática convencional.

Os números nos desenhos são os mesmos para os elementoscomuns.

DRSCRICÂO DETALHADA

No geral, a invenção compreende um difusor de aerofólio debaixa solidez melhorado para um compressor centrífugo, onde cada lâminatem um ângulo de inclinação maior que zero. O difusor pode ser do tipodefasagem variável, também conhecido como um difusor contorcido, em queo ângulo de defasagem do cubo é diferente do ângulo de defasagem dacobertura de cada pá, ou pode ser do tipo de inclinação pura, onde o ângulo dedefasagem do cubo é o mesmo da montagem da cobertura para cada pá.

A invenção será descrita com mais detalhes com referência aosdesenhos. A figura 1 mostra um propulsor de compressor centrífugo 1 comum difusor 2, que pode ser um difusor de defasagem variável mostrado nafigura 2, ou um difusor de inclinação pura mostrado na figura 3, com umavista mais detalhada da lâmina do difusor inclinado ou contorcido mostradona figura 4. Nos desenhos, 5 identifica o diâmetro externo do propulsor, 10 éa superfície de pressão da lâmina do difusor, 20 é a superfície de sucção dapá, 30 é o cubo da lâmina do difusor, 40 é a cobertura da lâmina do difusor,50 é a borda de avanço da lâmina do difusor, 60 é a borda de saída da lâminado difusor, 70 é o ângulo de defasagem da lâmina do difusor no cubo, 80 é oângulo de defasagem da lâmina do difusor na cobertura e 85 é o ângulo deinclinação da lâmina do difusor. A lâmina do difusor é considerada inclinadaquando o ângulo 85 não for igual a zero. O difusor é considerado dedefasagem variável quando o ângulo de defasagem do cubo 80 não for igualao ângulo de defasagem da cobertura 70. A solidez da lâmina do difusor édefinida como a razão entre a distância entre a borda de avanço e a borda defuga do difusor e a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas.

Difusores de aerofólio de baixa solidez são difusores com solidez menor queum.

O fluxo que deixa o propulsor do compressor centrífugodesenvolve uma região de turbilhão na saída do propulsor próxima dasuperfície de sucção da cobertura. Esta região de baixa velocidade é atribuídaaos fluxos secundários ativados pelas curvaturas aerodinâmicas lâmina parapá, bem como forças de Coriolis na direção tangencial. Este perfil develocidade resulta em ângulos de fluxo mais acentuados perto da coberturaque não apenas introduz incidências de fluxo na lâmina da cobertura dodifusor, mas também diminui a estabilidade da camada de contorno na parededa cobertura. A presente invenção usa o empilhamento aerodinâmico paraatenuar esse fenômeno de fluxo, que reduz a faixa operacional e a eficiênciade todo o estágio do compressor.

No aspecto do difusor de defasagem (contorcido) variável deaerofólio de baixa solidez da invenção, onde as lâminas do difusor sãodefasadas em ângulos variáveis do cubo para a cobertura, as lâminas dodifusor de ângulo de defasagem variável são projetadas para alinhar melhorcom a direção de fluxo em toda a passagem de fluxo. Além disso, oempilhamento das lâminas do difusor em ângulos de defasagem variávelresulta automaticamente na introdução de inclinação da lâmina na direção deenvergadura do difusor. No aspecto do difusor inclinado puro da invenção, aslâminas do difusor são empilhadas em um ângulo com o fluxo do difusor donúcleo (ângulo de inclinação) sem mudar a defasagem das lâminas do difusor.Este difusor inclinado puro de geometria simples tem faixa operacionalestendida similar ao difusor de defasagem variável de geometria maiscomplicada a baixo custo de fabricação. A presente invenção, portanto,apresenta uma melhoria em relação ao empilhamento de difusor de defasagemvariável usando inclinação pura no empilhamento de lâminas. A figura 5mostra uma comparação do mapa operacional de três arranjos de propulsor-difusor em termos de vazão de massa e da pressão. O difusor de defasagemvariável e o difusor de inclinação pura desta invenção (curva A) apresentamuma faixa operacional mais ampla que o difusor de aerofólio de baixa solidezbidimensional convencional (curva B) tanto no lado de fluxo de surto quantode afogamento. Os arranjos de difusor de defasagem variável e recurvadopuro desta invenção aumentam a faixa operacional do estágio do compressorno mesmo tanto no difusor convencional no lado do afogamento quanto nolado de surto.

Os efeitos da inclinação da lâmina no carregamento de pressãoda lâmina podem ser muito potentes. A inclinação da lâmina tem um efeito namudança da aerodinâmica meridional (isto é, reação de passagem) e nadistribuição do carregamento da pressão da lâmina radial. A pressão em geralaumenta da superfície de sucção para a superfície de pressão. Para umalâmina inclinada, a geometria da lâmina inclinada na direção de envergaduragera um gradiente de pressão perpendicular à s paredes da cobertura e docubo, isto é, na direção de envergadura. Este gradiente de pressão tem o efeitotanto de deslocar as aerodinâmicas meridionais quanto de modificar adistribuição de carregamento da lâmina em cascata bidimensionalconvencional do cubo para a cobertura. Esta redistribuição do carregamentode pressão da lâmina e o deslocamento das aerodinâmicas meridionais podemser utilizadas para redirecionar o fluxo de alto momento para energizar aregião de baixo fluxo de momento perto da parede da cobertura, melhorando aestabilidade da camada de contorno na parede da cobertura e suprimindofluxos secundários, conseqüentemente atrasando a perda de velocidade eseparação.Os difusores de defasagem variável tridimensional e deaerofólio de baixa solidez recurvados puros desta invenção sãoaerodinamicamente superiores ao difusor bidimensional convencional. Alémdisso, o difusor recurvado puro tem o mesmo efeito de um difusor dedefasagem variável (contorcido) em termos de prolongar a faixa operacionaldo estágio do compressor, com a vantagem de menor custo de fabricação. Ageometria do difusor tridimensional de defasagem variável tem o efeito demudar o ângulo de entrada do difusor, bem como introduzir inclinação nadireção de envergadura da lâmina do difusor. A mudança no ângulo deentrada alinha melhor as lâminas do difusor com o fluxo de entrada, e ainclinação gerada redistribui o carregamento de pressão da lâmina no sentidoda cobertura do difusor. A inclinação pura da lâmina do difusor tem o efeitode redistribuir o carregamento de pressão da lâmina na direção deenvergadura, bem como deslocar a linha de fluxo meridional para a coberturado difusor, energizando seu fluxo de baixo momento e impedindo suaseparação sobre a parede da cobertura. O resultado geral da redistribuição docarregamento da lâmina e defasagem das linhas de fluxo meridionais porcausa da inclinação da lâmina do difusor é o aumento na faixa operacional docompressor e na eficiência. A inclinação da lâmina tem maior contribuição namelhoria de seu desempenho e faixa sobre o realinhamento da lâmina dodifusor com o fluxo que chega. Assim, as lâminas do difusor recurvado puro eo difusor de defasagem variável têm uma faixa operacional similar. Portanto,a inclinação das lâminas pura pode ser usada como um meio par aumentar afaixa e eficiência do compressor, em vez da geometria mais complicada doempilhamento de lâminas do difusor de defasagem variável.

O aumento da faixa e eficiência do estágio do compressorpermite que o compressor atenda as demandas dos ciclos de processo, quepodem variar durante a vida útil da instalação, tal como uma instalação deseparação de ar criogênico, por causa da demanda e outras exigências. Istoreduz o custo de instalação de controles de velocidade variável, palhetas deguia de entrada, ou redesenhar o estágio do compressor para atenderdiferentes ciclos de processo. Além disso, a melhoria na eficiência do estágiodo compressor representa uma melhoria no custo operacional do compressor.

Esta invenção pode ser usada em qualquer estágio decompressor centrífugo. A inclinação da lâmina do difusor pode ser constantedo cubo até a cobertura, ou composta, variando ao longo da envergadura dalâmina (lâmina de difusor arqueada). O ângulo de defasagem da lâmina dodifusor pode variar linearmente do cubo até a cobertura, que distribui a torçãoda lâmina linearmente através da envergadura da lâmina ou em uma taxa nãolinear que concentra a torção da lâmina perto do cubo ou da cobertura. Afaixa aplicável de ângulo de inclinação é de 5 a 50 graus, ângulos de difusorcontorcido são entre 5 e 50 graus, dia da borda de avanço do difusor varia de4 a 55 polegadas (101,6 a 1.397,0 milímetros), e os ângulos de defasagem daslâminas do difusor são entre 13 e 30 graus. A geometria do aerofólio delâminas do difusor pode ser de um tipo aerofólio NACA ou qualquer aerofóliode geometria especial, por exemplo, geometria de aerofólio supercrítica. Estainvenção pode ser usada com todos os gases adequados, tais como ar,nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, hélio e hidrogênio, em qualquerpressão operacional adequada e a qualquer velocidade da ponta do propulsoradequada. Ela aplica-se a todas as faixas de fluxo e pressão (todas velocidadesespecíficas) típicas de compressores centrífugos. Mais preferivelmente, alâmina do difusor fica posicionada à jusante do propulsor em um raio de nãomenos que 10 porcento maior que o raio de saída do propulsor.

Embora a invenção tenha sido descrita com detalhes comreferência a certas modalidades preferidas, versados na técnica percebem queexistem outras modalidades de acordo com o espírito e escopo dasreivindicações.

Claims

1. Difusor de aerofólio com uma pluralidade de lâminas dedifusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, caracterizadopelo fato de que a razão da distância entre uma boda de avanço e a borda defuga da lâmina do compressor para a distância entre quaisquer duas lâminasconsecutivas é menor que um, o ângulo de inclinação da lâmina do difusorpara cada lâmina é maior que zero grau, e o ângulo de defasagem do cubo é omesmo do ângulo de defasagem da cobertura para cada pá.

2. Difusor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o ângulo de inclinação está na faixa de 5 a 60 graus.

3. Difusor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o ângulo de defasagem do cubo e o ângulo de defasagem dacobertura ficam ambos na faixa de 13 a 30 graus.

4. Difusor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que é empregado com um compressor centrífugo para uso em umainstalação de separação de ar criogênico.

5. Difusor de aerofólio com uma pluralidade de lâminas dodifusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, caracterizadopelo fato de que a razão da distância entre a borda de avanço e a borda defuga de uma lâmina do difusor para a distância entre quaisquer duas lâminasconsecutivas é menor que um, o ângulo de inclinação da lâmina do difusorpara cada lâmina é maior que zero grau, e o ângulo de defasagem do cubo édiferente do ângulo de defasagem de cada pá.

6. Difusor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que o ângulo de inclinação é na faixa de 5 a 60 graus.

7. Difusor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que o ângulo de defasagem do cubo e o ângulo de defasagem dacobertura são ambos na faixa de 13 a 30 graus.

8. Difusor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que cada lâmina tem um ângulo de torção na faixa de 5 a 50 graus.

9. Difusor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelofato de que é empregado com um compressor centrífugo para uso em umainstalação de separação de ar criogênico.