BRPI0817279B1 - difusor de aerofólio para um compressor centrífugo - Google Patents
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Abstract
difusor de aerofólio para um compressor centrífugo um difusor de aerofólio para um compressor centrífugo formado por uma área de passagem do difusor e uma pluralidade de pás de difusor localizada dentro da área de passagem do difusor. a área de passagem do difusor é definida entre uma placa de cubo e uma carcaça do compressor centrífugo. cada uma das pás do difusor tem uma configuração torcida em uma direção de empilhamento considerada entre a placa de cubo e uma porção externa da carcaça localizada oposta à placa de cubo. como resultado da configuração torcida, o ângulo de entrada de pá, da pá de difusor, diminui da placa de cubo para a porção externa da carcaça e medições de solidez nas bordas de ataque das placas de difusor variam entre um baixo valor de solidez, medido na placa de cubo, menor do que 1,0 e um alto valor de solidez, medido na porção externa da carcaça, de não mais do que 1,0.
Description
“DIFUSOR DE AEROFÓLIO PARA UM COMPRESSOR CENTRÍFUGO”
Campo Técnico [1] A presente invenção diz respeito a um difusor de aerofólio para um compressor centrífugo que incorpora um conjunto de pás difusoras localizadas em uma área de passagem do difusor, no qual cada uma das pás do difusor possui uma configuração retorcida em uma direção de empilhamento. Mais especificamente, a presente invenção diz respeito a um difusor de aerofólio no qual os valores de solidez medidos nas bordas dianteiras das pás do difusor de aerofólio variam entre valores que são maiores do que 1.0 na placa do cubo do compressor e até mais do que 1.0 quando medidos na porção externa da carcaça do compressor, localizada no lado oposto da placa do cubo.
Fundamentos da Invenção [2] Os compressores centrífugos são utilizados em várias aplicações industriais. Os principais componentes dos compressores centrífugos são os impulsores que são movidos por uma fonte de energia, que é, tipicamente, um motor elétrico. O impulsor gira dentro de uma região anelar da placa do cubo e adjacente à carcaça. O impulsor é um elemento giratório formado por uma pá que empurra o fluido a ser comprimido através da carcaça e redireciona o fluxo em alta velocidade e, desta forma, a energia cinética, na direção de rotação do impulsor. Um difusor é disposto a jusante do impulsor em uma área de passagem do impulsor definida entre a placa do cubo e a posição externa da carcaça para recobrar a pressão no gás, pela redução da velocidade do fluido a ser comprimido. O fluido pressurizado resultante é direcionado para a direção da saída do compressor.
[3] Em difusores sem palhetas, a área de passagem do difusor entre a placa do cubo e a porção mais externa da carcaça é sempre crescente para recuperar a pressão. Nos difusores do tipo que é dotado de palhetas, as pás são conectadas à placa do cubo ou à porção externa da carcaça na área de
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2/18 passagem do difusor. As pás podem possuir uma seção transversal constante quando vistas a partir da carcaça da placa do cubo. Nos difusores sem palhetas, conhecidos como aerofólios, as palhetas possuem uma seção de aerofólio ao invés de uma seção cruzada transversal.
[4] A energia necessária para impelir um compressor centrífugo como este pode representar uma parcela significativa dos custos correntes da planta na qual o compressor centrífugo é utilizado. Por exemplo, em plantas de separação de ar a maioria dos custos que são incorridos refere-se à energia elétrica utilizada na compressão do ar. Os compressores empregados na separação do ar em tais aplicações, assim como outras aplicações, demandam uma ampla faixa operacional. Por exemplo, em uma planta de separação de ar é necessário que se possa desligar a produção ou aumentar a produção. Esta operação variável pode ser direcionada pela demanda ou pelos custos locais da energia elétrica, que variam dependendo do horário do dia. Entretanto, dados os custos da energia elétrica, é também necessário que esta ampla faixa operacional seja acompanhada pela eficiência do compressor ao longo da faixa operacional.
[5] Ao se tentar aumentar a faixa operacional e, ao mesmo tempo, manter a eficiência, é possível alterar o projeto do impulsor e o projeto do difusor. No que diz respeito ao projeto do impulsor, entretanto, o desenho atualmente empregado é constrangido pela disposição mecânica do compressor e pelas condições de fluxo resultantes, para velocidades exemplificativas específicas. Estes arranjos levam à pré-determinação de muitas das características dos impulsores, a exemplo do desenho da carcaça do impulsor e da disposição dos indutores, do comprimento do eixo e, desta forma, do perfil meridional e da utilização de configurações aerodinâmicas tridimensionais, nomeadamente, a curvatura aerodinâmica pobre e a utilização de pás divisórias. Entretanto, tipicamente as características dos impulsores mais freqüentemente utilizados incluem uma pá curvada para trás na saída do
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3/18 impulsor. Isto dá ao estágio centrífugo uma característica de pressão crescente, com taxas de fluxo decrescentes, que aumenta a estabilidade do estágio. Além disto, comparado ao projeto do impulsor de pás radiais, projetado com a mesma velocidade de rotação e taxa de pressão, um impulsor de curvatura para trás mostra um carregamento de pressão mais baixo, quando comparado ao projeto do impulsor de pás radiais, um aumento da reação do impulsor e um aumento da transferência da energia livre (aceleração de Coriolis) para o fluido.
[6] O projeto do difusor é menos constrangido do que o do impulsor. A restrição da geometria no caso do projeto do difusor é o tamanho da voluta e do coletor para os estágios pendentes ou os canais de retomo no caso de estágios do tipo dotado de viga. Os difusores sem paletas são capazes de proporcionar ao estágio do compressor centrífugo, faixas operacionais amplas, faixas de níveis de recuperação moderados e com eficiências moderadas. Os difusores do tipo dotado de paletas, por outro lado, possuem um nível de eficiência maior, mas em faixas reduzidas. Na tentativa de aumentar a faixa de operação a patente US 2.372.880 apresenta um tipo de difusor de palhetas que possui pás e não possui um aerofólio dotado de uma seção cruzada transversal, mas, de uma torção criada nas pás para modificar a área de gargalo e, desta forma, aumentar a faixa operacional do compressor. O difusor obtido é um difusor de alta solidez, ou, em outros termos, um difusor que incorpora geometricamente uma razão, calculada pela divisão da distância medida entre as bordas de ataque e de fuga das pás, pelo espaço circunferencial entre as bordas dianteiras e as pás adjacentes, a qual é maior do que 1.0.
[7] Os difusores de baixa solidez, que são difusores dotados de aerofólios, que mostram um valor de solidez menor do que 1,0, são caracterizados pela ausência de um gargalo geométrico na passagem do difusor e já provaram possuir uma grande faixa de fluxo, similar a dos
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4/18 difusores sem palheta, mas com níveis de recuperação da pressão maiores, quando comparados com os difusores de palhetas. Verificou-se, entretanto, que uma faixa maior de operação é obtida à custa da eficiência, quando comparados com os difusores de alta solidez. No outro extremo, têm sido construídos difusores de alta solidez que, embora mais eficientes, não possuem a faixa operacional dos difusores de baixa solidez.
[8] Conforme será discutido, uma das características da presente invenção é a de que esta fornece um difusor de aerofólio no qual as pás do difusor são fabricadas com uma configuração retorcida, que produz um valor de solidez baixo na placa do cubo e um valor da solidez alto na carcaça, resultando no fato de que o difusor comunica ao compressor centrífugo não apenas uma faixa operacional mais ampla, como também uma eficiência alta ao longo da ampla faixa operacional, quando se compara com o estado da técnica anterior.
Sumário da invenção [9] A presente invenção fornece um difusor de aerofólio para um compressor centrifugo no qual a solidez varia de um valor de baixa solidez na placa do cubo até um valor de solidez alto na carcaça. De acordo com a presente invenção, o difusor de aerofólio possui uma área de passagem definida entre a placa do cubo e a porção externa da carcaça, localizada no lado oposto ao da placa do cubo. A placa do cubo e a carcaça formam parte do compressor centrífugo e cada um deles possui uma configuração anular para permitir que o impulsor do compressor centrífugo gire dentro da região mais interna da região anular que os forma. Um conjunto de pás de difusor está localizado na área de passagem do difusor, entre a placa do cubo e a porção externa da carcaça, em uma disposição circular e são conectadas à placa do cubo e à porção mais externa da carcaça.
[10] As pás do difusor possuem uma configuração retorcida na direção de empilhamento, quando tomada a partir da placa do cubo e da
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5/18 porção mais externa da carcaça, de forma que cada uma das pás retorcidas do difusor é torcida em tomo de uma linha que, de modo geral, se estende na direção do empilhamento e que passa pelo do centro aerodinâmico de cada seção de aerofólio, e todas as umas das pás do difusor possui um ângulo de entrada da pá, marcado a partir da placa do cubo até a porção externa da carcaça, e um ângulo inclinado medido na placa do cubo que possui um valor negativo na borda fronteira e um valor positivo na borda de fuga, quando visto da direção da rotação do impulsor. Deve-se observar que conforme é aqui, assim como nas reivindicações, entendido o termo “direção de empilhamento” significa a direção do vão de cada uma das pás do difusor, ao longo das quais um número infinito de seções de aerofólio é empilhado, partindo da placa do cubo para a porção externa da carcaça. O termo “ângulo de entrada da pá” significa o ângulo formado por uma tangente a um arco de círculo que passa pelas das pás no ponto de medida ao longo da borda dianteira, por exemplo, na placa do cubo e na porção externa da carcaça, e por uma tangente à linha média da pá do difusor através da sua própria borda dianteira. O termo “ângulo inclinado”, conforme aqui, assim como nas reivindicações, utilizado é o ângulo que cada uma das pás do difusor forma, na sua direção do vão, com uma linha normal à placa do cubo, quando medido na placa do cubo. Por questão de convenção, este ângulo possui um valor positivo na direção da rotação do impulsor.
[11] Além do acima descrito, em um difusor de aerofólio da presente invenção, as medidas de solidez nas bordas dianteiras das pás do difusor variam entre um valor medido da solidez mais baixo na placa do cubo, de menos de 0, e um valor de solidez alto, medido na porção externa da carcaça, de não menos do que 1,0. Neste caso, o termo ”valor de solidez” significa a razão entre a distância da linha da corda, ou em outros termos, a distância que separa as bordas de ataque e de fuga de cada uma das pás do difusor, dividida pelo espaço da circunferência das pás da borda fronteira das
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6/18 pás. O espaçamento em circunferência e a distância da linha da corda são determinados no local no qual a medição deve ser feita, na placa do cubo e na porção externa da carcaça. Sem um arrasto da pá, a distância circunferencial será a mesma.
[12] Preferivelmente, o valor mais baixo da solidez encontra-se na faixa mais baixa, entre cerca de 0,5 e cerca de 0,95, e o valor mais alto da solidez encontra-se na faixa mais alta, de cerca de 1,0 a cerca de 1,4. Ainda mais preferivelmente, o valor mais baixo da solidez é de cerca de 0,8 e o valor mais alto da solidez é de cerca de 1,3. O ângulo de entrada da pá pode variar em uma relação linear relativamente a uma direção de empilhamento. Preferencialmente, cada uma das pás do difusor é torcida em tomo de uma linha que, em geral, se estende numa direção de empilhamento que passa pelo do centro aerodinâmico de cada seção do aerofólio.
[13] Preferencialmente, o valor absoluto do ângulo inclinado não é maior do que cerca de 75 graus. Preferencialmente o ângulo de entrada da pá, quando medido na placa do cubo encontra-se entre 15.0 graus e cerca de 50,0 graus e, quando medido na porção mais externa da carcaça, encontra-se entre 5,0 graus e cerca de 25,0 graus. O ângulo de câmber para cada uma das pás do difusor, tanto na placa do cubo quanto na porção externa da carcaça, encontrase entre cerca de 0,0 grau e cerca de 30 graus, preferencialmente entre cerca de 5 graus e cerca de 10 graus. Neste sentido, o termo “ângulo de câmber”, conforme aqui, e nas reivindicações, utilizado, significa o ângulo formado pela tangente à linha de câmber da pá do difusor, que passa pela da borda dianteira da pá do difusor, e pela tangente à linha de câmber da pá do difusor que passa pela da borda de fuga de cada pá.
[14] Preferencialmente, cada uma das pás do difusor possui uma seção de aerofólio NACA 65. Além disto, cada uma das pás do difusor possui uma razão espessura máxima/corda de cerca de 2 por cento e de cerca de 6 por cento, respectivamente, quando medida na porção externa da carcaça e na
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7/18 placa do cubo. Nesse sentido, é preferível uma razão espessura máxima/corda de cerca 0,045, de acordo com as médias das medições feitas na porção mais externa da carcaça e na placa do cubo.
[15] Preferencialmente, as pás do difusor nas bordas dianteiras das mesmas são desviadas por um desvio constante do raio interno da placa do cubo, quando medido na placa do cubo, que varia entre cerca de 5,0 por cento e cerca de 25,0 por cento do raio do impulsor utilizado em conexão com o difusor de aerofólio. O desvio preferencial é de cerca de 15.0 por cento. O termo “desvio” conforme aqui, assim como nas reivindicações, utilizado significa uma porcentagem do raio do impulsor. Pode haver cerca de 7 a 19 pás no difusor, mas, são 9 pás preferencialmente. Tanto a borda dianteira como a borda de fuga, podem ser configuradas sem o arrasto.
Breve descrição dos desenhos [16] Embora a especificação seja concluída com as reivindicações, que apontam separadamente cada aspecto que os reivindicadores consideram como de sua invenção, acredita-se que a invenção pode ser mais bem compreendida quando tomada em conjunto com a descrição dos desenhos que a acompanham, nos quais:
[17] Fig.l é uma vista elevada de uma porção do difusor de aerofólio de acordo com a presente invenção;
[18] Fig.2 é uma vista em plano de uma placa de cubo de um difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, que é parcialmente ilustrado na elevação da Fig.l;
[19] Fig.3 é uma vista parcial e ampliada da pá do difusor que é incorporada à placa do cubo mostrada na Fig.2;
[20] Fig. 4 é uma vista em plano, parcial e ampliada, da placa de cubo ilustrada na Fig. 2;
[21] Fig.5 é uma vista em plano e ampliada da configuração da pá do difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, tomada na placa
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8/18 do cubo para ilustrar o ângulo de entrada da pá e o ângulo de câmber de cada uma das pás, na placa do cubo;
[22] Fig-6 é uma vista em plano e ampliada de uma configuração da pá do difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, tomada na porção externa da carcaça, para ilustrar o ângulo de entrada da pá e o ângulo de câmber de cada uma das pás, na porção externa da carcaça;
[23] Fig.7 é uma representação gráfica do valor absoluto de um ângulo inclinado incorporado às pás do difusor, de acordo com a presente invenção, e mostrado nas Figs. 1-5, versus a distância meridional da pá do difusor;
[24] Fig.8 é uma representação gráfica da eficiência versus fluxo volumétrico dividida pela velocidade rotativa de um estágio do compressor de um difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, comparada com a de difusores de baixa solidez e de alta solidez da técnica anterior;
[25] Fig.9 é uma representação gráfica do coeficiente de recuperação da pressão versus o fluxo volumétrico dividido pela velocidade do fluxo de um difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, comparado com o dos difusores de baixa solidez e de alta solidez da técnica anterior.
Descrição detalhada da invenção [26] Nas Figuras 1 e 2 é ilustrado um difusor de aerofólio de acordo com a presente invenção. O difusor de aerofólio 1 é incorporado ao compressor centrífugo entre a placa do cubo 10 e a carcaça 12 do mesmo. Tanto a placa do cubo 10 quanto a carcaça 12 possuem uma configuração geral anular para permitir que o impulsor do compressor centrífugo gire no interior a região anular do mesmo. Desta forma, a placa do cubo possui uma periferia circular externa 14 e uma periferia circular interna 16. A carcaça 12 possui uma porção de contorno da entrada 18 através da qual o gás a ser comprimido é colocado dentro do impulsor e uma porção externa 20
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9/18 localizada na posição oposta à placa do cubo 10 e que se estende radialmente a partir da porção de entrada 18. Conforme é de conhecimento da técnica, a carcaça 12 forma parte do alojamento do compressor e a placa do cubo é conectada neste alojamento do compressor. O difusor de aerofólio 1 é formado por uma área de passagem 21 que é definida entre a placa do cubo 10 e a porção externa 20 da carcaça 12 e as pás do difusor 22. Embora não esteja ilustrado, a área de passagem do difusor 21 está em comunicação com a saída do compressor, a partir da qual o gás comprimido é descarregado, por meio da voluta ou canal de retomo. As pás do difusor 22 são conectadas à placa do cubo 10 e estão, portanto, localizadas entre a placa do cubo 10 e a porção externa 20 da carcaça 12. É possível conectar as pás do difusor 22 à porção 20 da carcaça 12. Conforme pode ser mais bem observado a partir da Fig.2, as pás do difusor são dispostas em um arranjo circular.
[27] Embora não esteja ilustrado, um impulsor é colocado para girar na periferia circular interna 16 da placa do cubo 10 e em estreita relação com a porção de contorno da entrada da carcaça 12. Embora a presente invenção possa ser utilizada com qualquer projeto de impulsor, é preferível um impulsor que incorpore uma curvatura para trás na saída do impulsor. Deve-se também observar que a presente invenção pode ser aplicada em quaisquer compressores centrífugos, independentemente do fabricante.
[28] Conforme se observa na Fig. 2, pode-se notar que cada uma das pás do difusor possui uma configuração retorcida em uma direção de empilhamento. Também em relação à Fig. 3, cada uma das pás do difusor 22 possui uma borda dianteira 24 e uma borda de fuga 26. Uma vez que todas as umas pás do difusor 22 incorpora uma seção do aerofólio, estas também possuem uma linha de corda entre as bordas de ataque e de fuga 24 e 26. A linha de corda distai, ou em outros termos, a distância que separa as bordas de ataque e de fuga 24 e 26 de cada uma das pás do difusor 22 na junção de cada uma das pás do difusor 22 com a placa do cubo, é dada pela distância da linha
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10/18 de corda “Dl”. A distância da linha de corda que separa as bordas dianteiras das bordas de fuga 24 e 26, onde cada uma das pás do difusor 22 encontra a porção externa 20 da carcaça 12, é ilustrada pela distância “D2”. Embora não esteja ilustrado, a estas junções entre as pás do difusor 22 e a placa do cubo 10, são incorporadas nervuras para proporcionar uma transição suave entre a pá e a placa.
[29] Em uma referência adicional à Fig 4, na borda dianteira 24 de cada uma das pás do difusor 22, pode-se medir o espaçamento das pás 22, nomeadamente, a distância circunferencial que separa as pás do difusor 22, na placa do cubo 10 e na porção mais externa 20 da carcaça 12. Esta distância circunferencial ao longo do arco que possui um raio “R” que separa as pás do difusor 22 é dada por “D3”. No modo de realização ilustrado o “D3” pode ser determinado tomando-se a circunferência do círculo 2nR no qual a borda dianteira 24 de cada uma das pás do difusor 22 descansa e dividindo-se este valor pelo número de pás. No modo de realização ilustrado, esta distância entre a placa do cubo 10 e a porção mais externa 20 da carcaça 12 não varia, uma vez que as pás não são arrastadas na borda dianteira 24 do mesmo.
[30] Deve-se observar que nas figuras, nomeadamente nas Figs. 1 4, o ângulo da borda dianteira 24 de cada uma das pás do difusor 22 não é um ângulo curvado, mas, ao contrário, um ângulo que surge em decorrência da torção para dentro imprimida nas pás do difusor 22, conforme pode ser observado nestas figuras. Conforme deve ser de conhecimento da técnica, o termo “curvatura” utilizado em relação às bordas dianteiras das pás do difusor do aerofólio significa que o ponto no qual cada uma das bordas dianteiras das pás do difusor entra em contato com a placa do cubo 19 está um raio diferente daquele do ponto no qual cada uma das bordas dianteiras das pás do difusor entra em contato com a porção externa 20 da carcaça 12. A mesma definição deve ser aplicada às bordas de fuga que podem, de modo similar, ser fornecidas com uma curvatura, mas não estão curvadas no modo de realização
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11/18 ilustrado.
[31] Conforme pode ser mais bem visualizado na Figura 2, as bordas dianteiras 24 estão localizadas a uma distância de desvio constante, distância “Do” da circunferência interna 16 da placa do cubo 10. Este desvio pode ser expresso como um porcentual do raio do impulsor que gira dentro da circunferência interna 16 da placa do cubo 10, e é preferencialmente localizado a cerca de 5 por cento e cerca de 25 por cento do referido raio. Um desvio constante de 15,0 por cento é preferível. A razão para o desvio é que se as bordas dianteiras 24 fossem colocadas na circunferência interna 16, então, uma vibração estrutural induzida por um fluxo poderia se estabelecer nas pás do difusor 22, a partir do fluxo que deixa o impulsor, que poderia enfraquecer as pás do impulsor e as pás do difusor 22. Entretanto, com distâncias muito grandes de desvio, a interação entre o fluxo e as pás do difusor 22 reduzir-se-á até que o desempenho do difusor 1 se deteriorasse para o nível de desempenho de um difusor sem palheta, em termos da sua eficiência e capacidade de recuperação da pressão. Tipicamente, pode haver cerca de 7 e 19 pás de difusor 22, embora seja preferível 9 destas pás de difusor 22.
[32] Para que se obtenha eficiência máxima, bem como uma faixa operacional, o valor da solidez, medido nas bordas dianteiras 24 de cada uma das pás do difusor 22, na placa do cubo 10 é menor do que 1,0, e o valor de solidez, medido na porção externa 20 da carcaça 12, é de 1,0 ou mais. Em relação especificamente às Figuras 3 e 4, o valor mais baixo de solidez na placa do cubo 10 é calculado a partir da razão entre “Dl” e “D3”, e o valor mais alto de solidez, medido na porção mais externa 20 da carcaça 12, é calculado pela razão entre “D2” e “D3”. Preferencialmente o valor mais baixo de solidez está na faixa de cerca de 5.0 a cerca de 0,95. O valor mais alto está na faixa de cerca de 1,0 a cerca de 1,4. Ainda mais preferível é que o valor mais baixo da solidez seja de 0,8 e o valor mais alto de solidez seja de 1,3.
[33] Dado que as pás possuem uma configuração torcida, o ângulo
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12/18 formado pela pá do difusor e pela entrada da pá decresce na direção do empilhamento, a partir da placa do cubo 10 para a porção mais externa 20 da carcaça 12. Em relação à Fig. 5, o ângulo de entrada da pá “Al” do difusor 22, no local em que ele encontra a placa do cubo 10, é medido pela linha da tangente “T” ao círculo, dado o raio “R”, anteriormente mencionado, e a tangente “Ti,c HP” à Unha de inclinação “CiHP” da seção do aerofólio na configuração da pá 22a, que passa pela da borda dianteira 24 da mesma. Deve-se observar que o ângulo de inclinação “A2” da seção do aerofólio na pá da configuração 22a é o ângulo formado entre a tangente “Ti,cHP” à linha de inclinação “CiHP” que passa pela da borda de fuga 26 da mesma. Em relação à Fig. 6, o ângulo da entrada da pá “A3” da pá do difusor 22 onde ele encontra a placa do cubo 10 é medido pela linha da tangente “T” ao círculo dado pelo raio “R”, anteriormente mencionado, e a tangente “Ti,cHP” à linha de inclinação “CLHP” da seção do aerofólio na configuração 22b, passando pela da borda dianteira 24 da mesma. Uma vez mais é preciso observar que o ângulo de inclinação “A4” da seção do aerofólio na configuração da pá 22b é o ângulo formado pela tangente “TLeS” e a tangente “TTes” à linha de inclinação “Cls” que passa pela da borda de fuga 26 da mesma. Conforme pode ser visualizado nas Figs. 5 e 6, o ângulo “Al” é maior do que o ângulo “A3”.
[34] O ângulo de entrada da pá “Al” quando medido na placa do cubo 10 situa-se preferencialmente entre cerca de 15.0 graus e de cerca de 50,0 graus e quando medido na porção externa 20 da carcaça 12, o ângulo de entrada da pá “A3” situa-se preferencialmente entre cerca de 5 graus e cerca de 25 graus. Além disto, o ângulo de câmber tanto na placa do cubo 10, como na porção mais externa 20 da carcaça 12 é de cerca de 0,0 grau e de cerca de 30 graus. Os inventores desta invenção descobriram que o ângulo de entrada da pá é selecionado com base no impulsor e no fluxo da entrada induzido para o difusor do aerofólio. O ângulo de câmber “A2” ou “A4”, situa-se
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13/18 preferencialmente entre cerca de 5,0 e cerca de 10,0 graus.
[35] A escolha dos ângulos dos fluxos utilizados no projeto da pá do difusor, por exemplo, o ângulo de entrada da pá e o ângulo de câmber, dependem do projeto do impulsor e da escala de difusão do difusor. Tipicamente, o projeto de aerofólios modernos é realizado com a ajuda de pacotes de software para computadores que fazem uso de uma dinâmica computacional de fluidos e são bastante conhecidos por todos os especialistas da técnica. As faixas externas destes ângulos representam conhecidas variações no projeto dos impulsores que são utilizados em conjunto com impulsores centrífugos e representam faixas nas quais o fluxo que deixa o impulsor pode ser redirecionado no difusor pela recuperação da pressão. De modo geral, no que diz respeito ao ângulo de entrada da pá, uma vez que o fluxo na carcaça é, de modo geral, mais tangencial, uma variação menor do ângulo é permitida. Novamente, com referência à Fig. 3, cada uma das pás do difusor 22 é preferencialmente torcida em tomo de uma Unha “Lac” que é uma Unha na direção de empilhamento que passa pelo do centro aerodinâmico de cada uma das pás do difusor. O centro aerodinâmico é um ponto em tomo do qual o momento aerodinâmico não varia com o ângulo de ataque das pás. Deve-se observar que este é o modo de realização preferencial da presente invenção e pode também ser produzido com uma torção em tomo de algum outro local das pás de difusão 22.
[36] A torção da pá produz um ângulo inclinado em cada uma das pás do difusor 22, o qual é medido a partir de uma Unha normal à placa do cubo 10 e na direção da rotação do impulsor (na direção dos ponteiros de um relógio na Figura 2), que é negativa na borda dianteira 24 e positiva na borda de fuga. Preferencialmente, o ângulo inclinado absoluto não deve ser maior do que cerca de 75 graus. Isto porque, para fins de produção, já se sabe que ângulos inclinados maiores são mais difíceis de serem fabricados. Em relação à Fig. 7, no modo de realização ilustrado, o ângulo inclinado que é de cerca de
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-30 graus em cada uma das bordas dianteiras 24, cai para zero na “Lac” e, então, aumenta para cerca de 60 graus em cada uma das bordas de fuga 26. Deve-se observar que o termo “distância meridional” é uma porcentagem da distância da linha de câmber da seção do aerofólio incorporada nas pás do difusor 22 que estão entre as superfícies de sucção e pressão do mencionado aerofólio. Preferencialmente, cada uma das pás do difusor 22 incorpora uma seção de aerofólio NACA 65. A faixa para as razões espessura máxima/corda do mencionado aerofólio é de cerca de 2 por cento, medida na porção externa 20 da carcaça 12, e de cerca de 6 por cento, medida na placa do cubo 10. Conforme é bem conhecido na técnica, esta razão é determinada tomando-se a espessura máxima das pás entre as superfícies de pressão e sucção e dividindo a mesma pela distância da linha da corda. Por exemplo, no que diz respeito à razão espessura/corda na placa do cubo 10, o valor da configuração da espessura máxima da pá, conforme mostrado na Fig.5, dividido pela distância “Dl”, mostrada na Fig.3. Nas pás do difusor 22 ilustradas, a mudança desta razão é linear, mas poderia ser não linear. Conforme pode ser observado, uma vez que a solidez aumenta da placa do cubo 10 para a porção mais externa 20 da carcaça 12, a corda de cada uma das pás do difusor 22 aumenta também e, desta forma, para manter uma espessura máxima constante, para evitar a separação do fluxo na direção de empilhamento de cada uma das pás do difusor em direção à porção externa 20 da carcaça 12, a razão diminui. A média da razão espessura/corda na carcaça e na placa do cubo é preferencialmente de 0,45.
[37] A Tabela I a seguir mostra os resultados experimentais da eficiência isentrópica máxima das pás do difusor de um conjunto de projetos diferentes. A pá de Tipo 2 possui um desenho puro e pobre e a pá de Tipo 8 não possui torção e desta forma não há um local de empilhamento para a torção da pá. A “Localização do Empilhamento da Torção da pá” indica, como porcentagem da distância da linha de câmber a partir da extremidade
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15/18 dianteira das pás, a localização de uma linha em tomo na qual uma pá em especial foi torcida. Em nenhum dos casos a “Localização do Empilhamento da Torção da pá” era o centro aerodinâmico. As pás 1,2, e 7 possuem projeto de alta solidez, nos quais a solidez é igual ou maior do que 1. As pás 3,5,6 e 8 são pás cujo projeto é de baixa solidez, nos quais a solidez é de menos do que
1. A pá do Tipo 5 que mostra um valor de solidez de menos do que 1,00 na placa do cubo e um valor de solidez maior do que 1,00 na carcaça é uma pá, de acordo com a presente invenção, na qual a colocação da “Localização do Empilhamento da Torção da pá” no centro aerodinâmico é uma característica preferencial, porém não obrigatória da presente invenção. Conforme era de se esperar, a pá de Tipo 4 mostrou o mais alto pico de eficiência isentrópica dentre todas as pás testadas e mostradas na Tabela I. Deve-se observar que todos os aerofólios eram de seções do tipo NACA 65.
Tabela I
| Tipo de pá | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Localização do empilhamento da torção da pá | 50% | Norte | 50% | 45% | 0% | 0% | 0% | nenhum |
| Distribuição do ângulo inclinado entre a entrada e a saída | -30° a +30° | -27° a +35° | -25° a +30° | -8o a +13° | 0° a +42° | 0° a +45° | 0° a +35° | 0° |
| Variação da razão da entre a solidez do cubo e da carcaça | 1.4 a 1.5 | 1,0 a 1,0 | ,78 a ,9,3 | „97 a 1,005 | ,89 a ,98 | ,87 a ,96 | 1,5 a 1,7 | ,93 |
| Variação do ângulo de entrada da pá com o cubo e a carcaça | 21,8° a 19,7° | 16,8° a 16,8° | 16,8° a 14,0° | 21,45° a 20,6° | 19° a 15° | 18,5° a 13,0° | 21,9° a 19,0° | 18,1° |
| Variação do ângulo de câmber entre o cubo e a carcaça | 5o a 12° | 13° a 13° | 13° a 12° | 9° a 9° | 12° a 11° | 13° a 12° | 7° a 6° | 7° |
| Eficiência do pico isentrópico testado | 83% | 83% | 82,5% | 85% | 83% | 82% | 84,5% | 83% |
[38] A Tabela II mostra pás que estavam todas de acordo com a presente invenção e que incluíam a “Localização do Empilhamento da Torção da pá” no centro aerodinâmico, assim como outras características preferenciais. Outra vez mais, todas as pás eram baseadas nas seções do tipo
NACA 65. Aqui todas as eficiências do pico isentrópico mostraram-se maiores do que as da Tabela II, exceto para a pá do “Tipo 11”, cuja eficiência sofreu, em decorrência do fato de que o diâmetro do impulsor era menor 20
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16/18 por cento do que o do tipo 9. Entretanto, esta é, de fato, uma eficiência significativa, dado que os impulsores menores são inerentemente menos eficientes. Deve-se também notar que ao se comparar as Tabelas I e II, embora as diferenças nos percentuais de eficiência sejam de alguns poucos pontos percentuais, estes resultados são significativos uma vez que a tecnologia envolvida na técnica anterior do projeto de pás está bastante bem desenvolvida e, de qualquer modo, qualquer aumento da eficiência resulta em uma economia significativa no consumo de energia elétrica. Neste sentido, com relação aos compressores de processo centrífugo, uma mudança da eficiência isentrópica de 1,5 ponto percentual para um compressor de estágio de tamanho moderado, representa uma economia de energia elétrica de aproximadamente vinte quilowatts por estágio.
Tabela II
| Tipo de pá | Localização do empilhamento da torção da pá | Distribuição do ângulo inclinado entre a entrada e a saída | Variação razão da entre a solidez do cubo e da carcaça | Variação do ângulo de entrada entre a pá do cubo e a carcaça | Variação do ângulo de câmber entre o cubo e a carcaça | Eficiência do pico isentrópico testado |
| 9 | 20% | -40° a+70° | ,89 a 1,35 | 26,0° a 12,0° | 2°a 11° | 87% |
| 10 | 25% | -30° a+60° | ,88 a 1,1 | 18,8° a 13,3° | 12,3 0 a 12,5 O | 86% |
| 11 | 25% | -45° a+30° | ,92 a 1,4 | 23,0° a 11,0° | 7°a 12° | 85% |
[39] Em termos de faixa operacional e eficiência, nos seguintes exemplos comparou-se um difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção (“Difusor 3D”), com um difusor de aerofólio de baixa solidez (“Difusor LSA”) e com um difusor de aerofólio de alta solidez (“Difusor HSA”). A Tabela III a seguir especifica os detalhes do projeto de cada um dos difusores acima mencionados para fins de comparação.
Tabela III
| Difusor LSA | Difusor HSA | Difusor 3D | ||
| Cubo | Carcaça | |||
| Solidez | 0,8 | 1,16 | 0,85 | 1,1 |
| Ângulo de câmber | 11,7 | 11,7 | 12,2 | 12,5 |
| No de pás | 9 | 13 | 9 | 9 |
| Razão do raio de entrada1 | 1,15 | 1,15 | 1,15 | 1,15 |
| Aerofólio | NACA 65 | NACA 65 | NACA 65 | NACA 65 |
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| Espessura do raio da corda | 0,055 | 0,055 | 0,055 | 0,035 |
| Ângulo de incidência2 | -1,6 | -1,6 | -1,6 | -1,1 |
| Angulo de desvio3 | 5,2 | 5,2 | 5,1 | 4,9 |
| Ângulo do fluxo de entrada | 18 | 18 | 20 | 15 |
| Ângulo do fluxo de saída | 23 | 23 | 26 | 21 |
1) A razão do raio de entrada é a razão entre o raio do difusor do lado da entrada do difusor e o raio de saída do impulsor.
2) O ângulo de incidência é a diferença entre o ângulo da pá de entrada e o ângulo de saída do fluxo do impulsor.
3) O ângulo de desvio é a diferença entre o ângulo de saída da pá do difusor e o ângulo especificado do fluxo de saída.
[40] Em uma referência adicional à Fig.8, a razão total normatizado/ eficiência do estágio estático “η” é tabelado contra “Q/N” para os três tipos de difusores de aerofólio especificados na Tabela III. Conforme é de amplo conhecimento na técnica, a eficiência estática total “qts” do estágio é dada a pela fórmula: (pressão estática da saída do estágio/pressão total da entrada do estágio) (y/y-l)-l dividido por (Temperatura total na saída do estágio/temperatura total na entrada do estágio) - i), em que “Y” é o índice adiabático do fluido, que para o ar ou nitrogênio é de 1,4. A quantidade “Q/N” é o fluxo volumétrico de entrada dividido pela velocidade rotativa do impulsor. Um difusor, de acordo com a presente invenção “3D” possui um pico de eficiência no estágio similar ao pico de eficiência do estágio do difusor de aerofólio de alta eficiência “HSA”. O pico de eficiência é mantido ao longo de uma faixa mais ampla de taxas de fluxo. O difusor de aerofólio de baixa solidez “LSA” ao mesmo tempo em que exibe uma faixa operacional ampla, similar àquela do difusor de aerofólio, de acordo com a presente invenção, exibe também uma baixa eficiência do estágio.
[41] Em uma nova referência adicional à Fig 9, é comparada a capacidade de recuperação da pressão dos difusores especificados na Tabela
III. Conforme se pode observar a partir dos resultados gráficos mostrados na
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Fig 9, a faixa operacional de um difusor de acordo com a presente invenção “3D” é comparável àquela do difusor de baixa solidez “LSA”. Além disto, o coeficiente de recuperação da pressão “CP” do difusor de aerofólio de alta solidez “HSA” cai muito rapidamente à medida que o coeficiente do fluxo aumenta acima do ponto do projeto. Isto se deve à asfixia do gargalo do difusor. Entretanto, a despeito do alto coeficiente de recuperação da pressão nas condições do projeto do fluxo de Q/N de 0,04, este não é mantido ao longo de uma ampla faixa de declínio, em decorrência da separação do fluxo nas pás dianteiras do difusor e do conseqüente aumento do bloqueio do fluxo no gargalo do difusor. A recuperação da pressão de um difusor de acordo com a presente invenção “3D” é comparável àquela do difusor de aerofólio de alta solidez “HSA” nas condições de fluxo do projeto. Além do mais, esta recuperação da pressão é mantida ao longo de uma faixa mais ampla do que aquela do difusor de baixa solidez. Na ausência de um gargalo geométrico devido à variação da solidez, combinada com a torção da pá e inclinada, que configuram estruturas de fluxo tridimensional favoráveis nas passagens do difusor, e permitem ao difusor da presente invenção casar a faixa operacional do difusor de baixa solidez com a recuperação de altas pressões similar à do difusor de alta solidez. Para tais finalidades, conforme deve ser do conhecimento dos especialistas da técnica, o termo “CP” é uma quantidade dada pela descarga da pressão do difusor, menos a pressão na entrada do difusor, dividida pela cabeça dinâmica na entrada do difusor. A cabeça dinâmica na entrada do difusor é igual a .05 x a densidade da entrada x o quadrado da velocidade do fluxo de entrada.
[42] Embora a presente invenção tenha sido descrita tendo por referência o modo de realização preferencial, conforme devem ter entendido os especialistas na técnica, várias modificações e acréscimos podem ser feitos sem que se afaste do espírito e do escopo da presente invenção, da maneira em que é estabelecida nas reivindicações ainda pendentes e que se seguem.
Claims (14)
1. Difusor de aerofólio para um compressor centrífugo, caracterizado pelo fato de compreender:
uma área de passagem de difusor definida entra uma placa de cubo e uma porção externa de uma carcaça localizada oposta à placa de cubo, a placa de cubo e a parte formadora de carcaça do compressor centrífugo e cada um tendo uma configuração geralmente anular para permitir que um impulsor do compressor centrífugo gire dentro de uma sua região anular interna;
uma pluralidade de pás de difusor localizadas dentro da área de passagem do difusor entre a placa de cubo e a porção externa da carcaça em um arranjo circular e conectadas à placa de cubo ou à porção externa da carcaça; e as pás do difusor tendo uma configuração torcida em uma direção de empilhamento considerada entre a placa de cubo e a porção externa da carcaça, de modo que, para cada das pás do difusor, o ângulo de entrada de pá decresce da placa de cubo para a porção externa da carcaça e um ângulo de inclinação em cada das pás do difusor, medido na placa de cubo, está em um valor negativo na borda dianteira e um valor positivo na borda de fuga quando visto em uma direção de rotação de impulsor e medições de solidez nas bordas de ataque das pás de difusor variando entre um baixo valor de solidez, medido na placa de cubo, menor do que 1,0 e um maior valor de solidez, medido na porção externa da carcaça, de não mais do que 1,0.
2/3
2. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de:
o baixo valor de solidez está em uma faixa inferior entre cerca de 0,5 e cerca de 0,95; e o maior valor de solidez está em uma faixa superior entre cerca de 1 e cerca de 1,4.
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3/3 espessura/corda de cerca de 0,045 como uma média entre medições feitas na porção externa da carcaça e na placa de cubo.
3. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o baixo valor de solidez ser de cerca de 0,8 e o maior valor de solidez ser de cerca de 1,3.
4. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ângulo de entrada da pá variar em uma relação linear em relação à direção de empilhamento.
5. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o valor absoluto do ângulo de inclinação não ser maior do que cerca de 75 graus.
6. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ângulo de entrada de pá, medido na placa de cubo, está entre cerca de 15,0 graus e cerca de 50,0 graus e, medido na porção externa da carcaça, está ente cerca de 5,0 graus e cerca de 25,0 graus, e o ângulo de câmber tanto na placa de cubo como na porção externa da carcaça, para cada uma das pás de difusor, está entre cerca de 0,0 graus e cerca de 30 graus.
7. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o ângulo de câmber está entre cerca de 5 graus e cerca de 10 graus.
8. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada uma das pás de difusor ter uma seção de aerofólio NACA 65.
9. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de cada uma das pás de difusor ter uma relação máxima de espessura/corda entre cerca de 2 porcento e cerca de 6 porcento, quando medida na porção externa da carcaça e na placa de cubo, respectivamente.
10. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de cada uma das pás de difusor ter uma relação de
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11. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato das pás de difusor nas bordas de ataque das mesmas serem desviadas a um desvio constante de um raio interno da placa de cubo, quando medido na placa de cubo, ente cerca de 5,0 porcento e cerca de 25 porcento de um raio de impulsor de um impulsor usado em conexão ao difusor de aerofólio.
12. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato do desvio constante ser de cerca de 15,0 porcento.
13. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de haver entre 7 e 19 pás de difusor.
14. Difusor de aerofólio de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de:
a borda dianteira e a borda de fuga não serem arrastadas;
o ângulo absoluto de inclinação não ser maior do que cerca de 75 graus quando medido na placa de cubo; e o ângulo de entrada de pá, quando medido na placa de cubo, estar entre cerca de 15,0 graus e cerca de 50,0 graus e, quando medido na porção externa da carcaça, estar entre cerca de 5,0 graus e cerca de 25,0 graus.
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