BRPI0615148B1

BRPI0615148B1 - Difusor de aerofólio

Info

Publication number: BRPI0615148B1
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: 2019-04-09
Also published as: CA2618177A1; CA2618177C; US20070036647A1; EP1931881B1; KR101286344B1; JP5068263B2; KR20080034986A; CN101263305B; MX2008001863A; EP1931881A1; WO2007021624A1; CN101263305A; US7448852B2; JP2009504974A; BRPI0615148A2

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 [0001] Esta invenção diz respeito, no geral, a compressores centrífugos e, mais particularmente, a compressores centrífugos para uso em sistemas de retificação criogênico, tal como retificação criogênica de ar para produzir gases atmosféricos, tais como oxigênio, nitrogênio e argônio.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] Um compressor centrífugo emprega uma roda ou propulsor montado em um eixo rotativo posicionado dentro de um alojamento estacionário. 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 como dispositivos de recuperação de pressão dinâmica eficientes e compactos em estágios de compressor centrífugo industrial. Tipicamente, tais difusores têm uma cascata de duas lâminas ou palhetas de aerofólio bidimensional distribuída circunferencialmente em proximidade imediata com a saída do propulsor. A característica fundamental deste tipo de difusor é a falta de um estrangulador geométrico que permita que ele aumente a faixa de abertura sem o risco de afogamento de fluxo. Este tipo de geometria de difusor tem uma grande faixa de fluxo próxima à de difusores sem palhetas, atingindo ainda níveis de recuperação de pressão próximos dos de difusores do tipo com canal. Recentemente, entretanto, por causa da maior competitividade na indústria de processo, está havendo um desafio para aumento das faixas operacionais de compressores centrífugos além das faixas existentes das configurações de difusores bidimensionais atuais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0003] Um aspecto da invenção é:

[0004] Um difusor de aerofólio com uma pluralidade lâminas de difusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, em que a razão da distância entre uma boda de avanço e a borda de fuga da lâmina do compressor para a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas é

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 10/19 / 7 menor que um, o ângulo de inclinação da lâmina do difusor para cada lâmina é maior que zero grau, e o ângulo de defasagem do cubo é o mesmo do ângulo de defasagem da cobertura para cada pá.

[0005] Um outro aspecto da invenção é:

[0006] Um difusor de aerofólio com uma pluralidade de lâminas do difusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor, em que a razão da distância entre a borda de avanço e a borda de fuga de uma lâmina do difusor para a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas é menor que um, e o ângulo de defasagem do cubo é diferente do ângulo de defasagem de cada pá.

[0007] Na forma aqui usada, o temo “ângulo de inclinação” significa o ângulo que a direção de empilhamento faz com a direção perpendicular aos planos do cubo ou cobertura.

[0008] Na forma aqui usada, o termo “ângulo de defasagem” significa o ângulo que a linha que conecta a borda de avanço e a borda de saída da lâmina faz com a direção radial.

[0009] Na forma aqui usada, o termo “ângulo de defasagem do cubo” significa o ângulo de defasagem onde a lâmina encontra o cubo do propulsor. [00010] Na forma aqui usada, o termo “ângulo de defasagem da cobertura” significa o ângulo de defasagem no plano onde a lâmina fica adjacente com a cobertura.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00011] A figura 1 é uma representação de um compressor centrífugo com o difusor desta invenção.

[00012] A figura 2 é uma vista de uma modalidade do aspecto do difusor contorcido desta invenção.

[00013] A figura 3 é uma vista de uma modalidade do aspecto do difusor recurvado puro desta invenção.

[00014] A figura 4 é uma vista mais detalhada das lâminas do difusor

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 11/19 / 7 mostrando o ângulo de inclinação, o ângulo de defasagem do cubo e o ângulo de defasagem da cobertura.

[00015] A figura 5 é uma representação gráfica mostrando resultados obtidos com a prática desta invenção e resultados comparativos obtidos com a prática convencional.

[00016] Os números nos desenhos são os mesmos para os elementos comuns.

DESCRIÇÃO DETALHADA [00017] No geral, a invenção compreende um difusor de aerofólio de baixa solidez melhorado para um compressor centrífugo, onde cada lâmina tem um ângulo de inclinação maior que zero. O difusor pode ser do tipo defasagem variável, também conhecido como um difusor contorcido, em que o ângulo de defasagem do cubo é diferente do ângulo de defasagem da cobertura de cada pá, ou pode ser do tipo de inclinação pura, onde o ângulo de defasagem do cubo é o mesmo da montagem da cobertura para cada pá.

[00018] A invenção será descrita com mais detalhes com referência aos desenhos. A figura 1 mostra um propulsor de compressor centrífugo 1 com um difusor 2, que pode ser um difusor de defasagem variável mostrado na figura 2, ou um difusor de inclinação pura mostrado na figura 3, com uma vista mais detalhada da lâmina do difusor inclinado ou contorcido mostrado na figura 4. Nos desenhos, 5 identifica o diâmetro externo do propulsor, 10 é a superfície de pressão da lâmina do difusor, 20 é a superfície de sucção da pá, 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 lâmina do difusor, 70 é o ângulo de defasagem da lâmina do difusor no cubo, 80 é o ângulo de defasagem da lâmina do difusor na cobertura e 85 é o ângulo de inclinação da lâmina do difusor. A lâmina do difusor é considerada inclinada quando o ângulo 85 não for igual a zero. O difusor é considerado de defasagem variável quando o ângulo de defasagem do cubo 80 não for igual

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 12/19 / 7 ao ângulo de defasagem da cobertura 70. A solidez da lâmina do difusor é definida como a razão entre a distância entre a borda de avanço e a borda de fuga do difusor e a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas. Difusores de aerofólio de baixa solidez são difusores com solidez menor que um.

[00019] O fluxo que deixa o propulsor do compressor centrífugo desenvolve uma região de turbilhão na saída do propulsor próxima da superfície de sucção da cobertura. Esta região de baixa velocidade é atribuída aos fluxos secundários ativados pelas curvaturas aerodinâmicas lâmina para pá, bem como forças de Coriolis na direção tangencial. Este perfil de velocidade resulta em ângulos de fluxo mais acentuados perto da cobertura que não apenas introduz incidências de fluxo na lâmina da cobertura do difusor, mas também diminui a estabilidade da camada de contorno na parede da cobertura. A presente invenção usa o empilhamento aerodinâmico para atenuar esse fenômeno de fluxo, que reduz a faixa operacional e a eficiência de todo o estágio do compressor.

[00020] No aspecto do difusor de defasagem (contorcido) variável de aerofólio de baixa solidez da invenção, onde as lâminas do difusor são defasadas em ângulos variáveis do cubo para a cobertura, as lâminas do difusor de ângulo de defasagem variável são projetadas para alinhar melhor com a direção de fluxo em toda a passagem de fluxo. Além disso, o empilhamento das lâminas do difusor em ângulos de defasagem variável resulta automaticamente na introdução de inclinação da lâmina na direção de envergadura do difusor. No aspecto do difusor inclinado puro da invenção, as lâminas do difusor são empilhadas em um ângulo com o fluxo do difusor do núcleo (ângulo de inclinação) sem mudar a defasagem das lâminas do difusor. Este difusor inclinado puro de geometria simples tem faixa operacional estendida similar ao difusor de defasagem variável de geometria mais complicada a baixo custo de fabricação. A presente invenção, portanto,

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 13/19 / 7 apresenta uma melhoria em relação ao empilhamento de difusor de defasagem variável usando inclinação pura no empilhamento de lâminas. A figura 5 mostra uma comparação do mapa operacional de três arranjos de propulsordifusor em termos de vazão de massa e da pressão. O difusor de defasagem variável e o difusor de inclinação pura desta invenção (curva A) apresentam uma faixa operacional mais ampla que o difusor de aerofólio de baixa solidez bidimensional convencional (curva B) tanto no lado de fluxo de surto quanto de afogamento. Os arranjos de difusor de defasagem variável e recurvado puro desta invenção aumentam a faixa operacional do estágio do compressor no mesmo tanto no difusor convencional no lado do afogamento quanto no lado de surto.

[00021] Os efeitos da inclinação da lâmina no carregamento de pressão da lâmina podem ser muito potentes. A inclinação da lâmina tem um efeito na mudança da aerodinâmica meridional (isto é, reação de passagem) e na distribuição do carregamento da pressão da lâmina radial. A pressão em geral aumenta da superfície de sucção para a superfície de pressão. Para uma lâmina inclinada, a geometria da lâmina inclinada na direção de envergadura gera um gradiente de pressão perpendicular à s paredes da cobertura e do cubo, isto é, na direção de envergadura. Este gradiente de pressão tem o efeito tanto de deslocar as aerodinâmicas meridionais quanto de modificar a distribuição de carregamento da lâmina em cascata bidimensional convencional do cubo para a cobertura. Esta redistribuição do carregamento de pressão da lâmina e o deslocamento das aerodinâmicas meridionais podem ser utilizadas para redirecionar o fluxo de alto momento para energizar a região de baixo fluxo de momento perto da parede da cobertura, melhorando a estabilidade da camada de contorno na parede da cobertura e suprimindo fluxos secundários, conseqüentemente atrasando a perda de velocidade e separação.

[00022] Os difusores de defasagem variável tridimensional e de aerofólio

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 14/19 / 7 de baixa solidez recurvados puros desta invenção são aerodinamicamente superiores ao difusor bidimensional convencional. Além disso, o difusor recurvado puro tem o mesmo efeito de um difusor de defasagem variável (contorcido) em termos de prolongar a faixa operacional do estágio do compressor, com a vantagem de menor custo de fabricação. A geometria do difusor tridimensional de defasagem variável tem o efeito de mudar o ângulo de entrada do difusor, bem como introduzir inclinação na direção de envergadura da lâmina do difusor. A mudança no ângulo de entrada alinha melhor as lâminas do difusor com o fluxo de entrada, e a inclinação gerada redistribui o carregamento de pressão da lâmina no sentido da cobertura do difusor. A inclinação pura da lâmina do difusor tem o efeito de redistribuir o carregamento de pressão da lâmina na direção de envergadura, bem como deslocar a linha de fluxo meridional para a cobertura do difusor, energizando seu fluxo de baixo momento e impedindo sua separação sobre a parede da cobertura. O resultado geral da redistribuição do carregamento da lâmina e defasagem das linhas de fluxo meridionais por causa da inclinação da lâmina do difusor é o aumento na faixa operacional do compressor e na eficiência. A inclinação da lâmina tem maior contribuição na melhoria de seu desempenho e faixa sobre o realinhamento da lâmina do difusor com o fluxo que chega. Assim, as lâminas do difusor recurvado puro e o difusor de defasagem variável têm uma faixa operacional similar. Portanto, a inclinação das lâminas pura pode ser usada como um meio par aumentar a faixa e eficiência do compressor, em vez da geometria mais complicada do empilhamento de lâminas do difusor de defasagem variável.

[00023] O aumento da faixa e eficiência do estágio do compressor permite que o compressor atenda as demandas dos ciclos de processo, que podem variar durante a vida útil da instalação, tal como uma instalação de separação de ar criogênico, por causa da demanda e outras exigências. Isto reduz o custo de instalação de controles de velocidade variável, palhetas de

Petição 870190008375, de 25/01/2019, pág. 15/19 / 7 guia de entrada, ou redesenhar o estágio do compressor para atender diferentes ciclos de processo. Além disso, a melhoria na eficiência do estágio do compressor representa uma melhoria no custo operacional do compressor. [00024] Esta invenção pode ser usada em qualquer estágio de compressor centrífugo. A inclinação da lâmina do difusor pode ser constante do cubo até a cobertura, ou composta, variando ao longo da envergadura da lâmina (lâmina de difusor arqueada). O ângulo de defasagem da lâmina do difusor pode variar linearmente do cubo até a cobertura, que distribui a torção da lâmina linearmente através da envergadura da lâmina ou em uma taxa não linear que concentra a torção da lâmina perto do cubo ou da cobertura. A faixa aplicável de ângulo de inclinação é de 5 a 50 graus, ângulos de difusor contorcido são entre 5 e 50 graus, dia da borda de avanço do difusor varia de 4 a 55 polegadas (101,6 a 1.397,0 milímetros), e os ângulos de defasagem das lâminas do difusor são entre 13 e 30 graus. A geometria do aerofólio de lâminas do difusor pode ser de um tipo aerofólio NACA ou qualquer aerofólio de geometria especial, por exemplo, geometria de aerofólio supercrítica. Esta invenção pode ser usada com todos os gases adequados, tais como ar, nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, hélio e hidrogênio, em qualquer pressão operacional adequada e a qualquer velocidade da ponta do propulsor adequada. Ela aplica-se a todas as faixas de fluxo e pressão (todas velocidades específicas) típicas de compressores centrífugos. Mais preferivelmente, a lâmina do difusor fica posicionada à jusante do propulsor em um raio de não menos que 10 porcento maior que o raio de saída do propulsor.

[00025] Embora a invenção tenha sido descrita com detalhes com referência a certas modalidades preferidas, versados na técnica percebem que existem outras modalidades de acordo com o espírito e escopo das reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Difusor de aerofólio (2) com uma pluralidade de lâminas de difusor para um compressor centrífugo que tem um propulsor (1), em que a razão da distância entre uma borda de avanço (50) e a borda de fuga (60) da lâmina do difusor para a distância entre quaisquer duas lâminas consecutivas é menor que um, caracterizado pelo fato de que o ângulo de inclinação (85) da lâmina do difusor para cada lâmina é maior que zero grau.
2. Difusor de aerofólio (2) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ângulo de inclinação (85) está na faixa de 5 a 60 graus.
3. Difusor de aerofólio (2) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o ângulo de defasagem do cubo (80) e o ângulo de defasagem da cobertura (70) ficam ambos na faixa de 13 a 30 graus.
4. Difusor de aerofólio (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o ângulo de defasagem do cubo (80) é o mesmo do ângulo de defasagem da cobertura (70) para cada lâmina.
5. Difusor de aerofólio (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o ângulo de defasagem do cubo (80) é diferente do ângulo de defasagem da cobertura (70) para cada lâmina.
6. Difusor de aerofólio (2) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada lâmina tem um ângulo de torção na faixa de 5 a 50 graus.
7. Difusor de aerofólio (2) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que é empregado com um compressor centrífugo para uso em uma instalação de separação de ar criogênico.