NO327889B1 - Flerfaseturbomaskin for forbedret blanding, samt tilknyttet fremgangsmate - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en innretning av turbomaskintype og utført for å tilføre energi til eller utvinne energi fra et flerfasefluid, samt spesielt for å variere dets trykk. Denne innretning er utstyrt med midler som tjener til å forbedre sammenblandingen av de forskjellige væske- og gassfaser som utsettes for varia-sjonen i trykk.

Den er først og fremst, men ikke utelukkende, beregnet for anvendelse i det område som går ut på pumping av et flerfasefluid, f.eks. et tofaset petroleumutløp bestående av en blanding av olje og gass.

Den kan også anvendes i innretninger for ekspansjon av flerfasefluider, hvilket tillater utvinning av mekanisk arbeide.

Pumpingen og også ekspansjonen av et flerfasefluid som består av minst én væskefase og en gassfase medfører et problem som er vanskelig å løse.

Når det f.eks. gjelder kompresjon av et flerfasefluid, viser erfaring at den klassiske sentrifugalpumpes ytelse faller så snart gassandelen overskrider noen få prosent.

De best tilpassede klassiske rotodynamiske pumper tillater ikke at gassan-deler på 20 til 25% overskrides uten at trykkstigningene faller i betraktelig grad. De øvrige pumpetyper, slik som resiproserende forskyvningspumper eller skruepum-per, strålevirknings-pumper, er også begrenset med hensyn til deres anvendelser og deres energi-virkningsgrad.

Forskjellige pumpeinnretninger er blitt utviklet i den kjente teknikk som et forsøk på å forbedre ytelsen for pumper som arbeider med flerfasestrømning.

F.eks., franske patenter FR 2,333,139, FR 2,471,051 og FR 2,665,224 angir hydrauliske celler for aksiale og kvasi-aksiale pumper som oppviser skovlings-og mellom-skovlings kanalgeometrier tilpasset pumping av flerfasefluider. Disse celler sikrer både begrensning av akselerasjonene og god homogenisering av fluidet, hvilket utgjør vesentlige elementer for å oppnå god ytelse ved tofasestrøm-ning. Disse pumper består av to eller flere celler av denne type, og som er montert i påfølgende trinn på den roterende aksel.

Patent FR 2,743,113 beskriver en innretning som omfatter skovling anordnet i tandem for å sikre passasje av væskefasen fra forsiden, samt for å forbedre sammenblandingen av væskefasen og gassfasen i strømningskanalene.

Patent GB 2,287,288 viser et eksempel på en stator for en aksial flerfasepumpe utført for å veksle rotasjonsretningen for flerfasestrømningen mellom rotor-utløpet og statorinnløpet. Et slikt arrangement ville gjøre det mulig å forbedre sammenblandingen av væskefasen og gassfasen.

GB 2,168,764 angår en sentrifugalpumpe. Sentrifugalpumpen har lede-skovler 210 som separerer væsken fra gassen for å danne et væskelag. Dette væskelaget føres deretter foran væsken 215 for igjen å blande væsken med den separerte gassen.

Patent US 5,628,616 beskriver løpehjul for en halv-radial pumpe eller en pumpetype med "blandet strømning" og som omfatter åpninger som tillater re-sirkulering av gassfasen og væskefasen med det formål å sikre deres sammenblanding.

En publikasjon med tittelen "Innovative Solutions for Multiphase Pumping", som ble presentert i juni 1995 på den 7. internasjonale konferanse med tittelen på dette område og med tittelen "Multiphase 95", angir en mot-roterende kompressor for våt gass og som omfatter skovlhjul som dreier seg i den motsatte retning omkring samme akse for derved å forbedre sammenblandingen av gassfasen og væskefasen.

Trykkstigningen i flerfasestrømning som oppnås ved hjelp av slike innretninger når som eksempel opp til 30 til 80% av den trykkstigning som ville blitt opp-nådd ved et enfasefluid og med en densitet lik den midlere densitet for blanding-en.

Muligheten for å oppnå god ytelse med en flerfasepumpe skriver seg for en stor del fra dens evne til å frembringe intim sammenblanding av væske- og gassfasene. Ved den foreliggende teknikkens stilling forløper imidlertid fortsatt flerfase-strømningen i cellene parallelt med skovleoverflatene, ytterhuset og navet i de hydrauliske cellene.

Formålet for foreliggende oppfinnelse er en innretning og en fremgangsmåte som er egnet for å forbedre økningen i de trykkvinninger eller trykkreduksjo-ner som flerfasefluidet utsettes for. Denne innretning er utstyrt med én eller flere mekaniske midler som tjener til å forbedre sammenblandingen av de væske- og gassfaser som er gjenstand for trykkvariasjonen.

Formålet for foreliggende oppfinnelse gjelder samtlige typer rotodynamiske flerfasepumper, samt mer generelt samtlige hydrauliske turbomaskiner for fler-fasedrift, f.eks. kompressorer for våtgass eller flerfaseturbiner.

Foreliggende oppfinnelse gjelder en innretning som gjør det mulig å variere trykket for et flerfasefluid som omfatter minst én væskefase og minst én gassfase, idet innretningen omfatter minste ett ytre hus, et nav, en roterbar aksel, midler som gjør det mulig å variere fluidets trykk (skovlhjul, diffuser), idet minst ett av nevnte midler har minst to skovler (6i, 6i+1) som avgrenser en strømningskanal for flerfasefluidet.

I et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en aksialstrømnings-turbomaskin som varierer trykket i et flerfasefluid som omfatter minst én væskefase og minst én gassfase, idet nevnte innretning omfatter et hus, et nav, en roterende aksel, minst to skovler som avgrenser minst én strømningskanal for flerfasefluidet, idet aksialstrømsturbomaskinen er kjennetegnet ved minst ett middel anordnet inne i nevnte minst ene strømningskanal, der det minst ene middel er valgt fra gruppen bestående av vulst, spor, vridd strimmel, hjelpeskovl eller mellomskovl, og idet nevnte minst ene middel frembringer en turbulent sone inne i nevnte minst ene strømningskanal, for derved å blande sammen væskefasene og gassfasene i flerfasefluidet.

Disse ett eller flere midler gjør det f.eks. mulig å generere en enkelt eller en dobbelt eller til og med flere skrueformede strømninger inne i nevnte strøm-ningskanal eller -kanaler.

Den skrueform eller de skrueformer som frembringes kan oppvise en slik vinkel a at strømningsintensiteten kan karakteriseres ved et dimensjonsløst forhold L eller "virveltall":

hvor U| er hastighetens komponent i lengderetningen, ux og uy er dens tverrkomponenter (i rotasjonsplanet), mens rmax er den største verdi av

og

verdien av S ligger da mellom 0,3 og 0,8 samt fortrinnsvis mellom 0,5 og 0,75, i det S karakteriserer strømningens rotasjonsintensitet, samt nærmere bestemt er

fastlagt som forholdet mellom fluksen av det kinetiske rotasjonsmoment og bevegelsesmengdefluksen i lengderetningen.

Dette innebærer at det kan være én eller flere "vulster" med en skrueform og som befinner seg i en skruebane langs veggene på minst ett av skovlene og navet.

Disse vulster befinner seg f.eks. inne i minst én strømningskanal for én eller flere skovlhjul og/eller diffusorer.

Vulstens høyde er f.eks. mellom 1/5 og 1/10 av bredden av strømnings-kanalen eller -kanalene, idet strømningskanalens eller -kanalenes bredde er f.eks. definert ved den minste avstand mellom to påfølgende skovler.

Innretningen som er konstruert for å avgi energi til et flerfasefluid, er karakterisert ved at vedkommende midler kan være utformet som ett eller flere spor i en skruebane dannet i én av veggene som i det minste danner én strømningskanal samt over i det minste en del av kanalens lengde.

Dette eller disse spor har en dybde på f.eks. mellom 1/20 og 1/10 av tykkelsen av én av nevnte blader som danner nevnte strømningskanal.

Skruebanen har f.eks. varierende stigning. Skruebanens stigning avtar f.eks. i strømningsretningen for flerfasefluidet.

Nevnte ett eller flere spor er f.eks. plassert på minst ett skovlhjul og/eller minst én oppretter.

Den innretning som er utført for å overføre energi til et flerfasefluid omfatter f.eks. minst ett av følgende elementer: en vridd strimmel, en hjelpeskovl, idet disse elementer er anordnet i én eller flere av strømningskanalene.

Elementet er f.eks. en vridd strimmel anordnet i nærheten av innløpet til én eller flere strømningskanaler.

Foreliggende oppfinnelse gjelder også en fremgangsmåte for å forbedre den energioverføring som frembringes i en innretning som tjener til å variere trykket i et flerfasefluid som omfatter minst én gassfase og én væskefase, idet innretningen omfatter én eller flere strømningskanaler. Fluidet føres inn i minst én strømningskanal som er utformet av minst to midler som gjør det mulig å variere trykket, slik som skovler, et nav og et ytterhus, idet nevnte kanal er utstyrt med mekaniske midler som gjør det mulig å opprette en turbulent sone med det formål å øke sammenblandingen av væske- og gassfasene.

I et andre aspekt tilveiebringer derfor oppfinnelsen en fremgangsmåte for overføring av energi som frembringes i en aksialstrømnings-turbomaskin som varierer trykket i et flerfasefluid som omfatter minst én gassfase og én væskefase, idet nevnte aksialstrømnings-turbomaskin omfatter minst en strømningskanal, idet fremgangsmåten er kjennetegnet ved at nevnte flerfasefluid bringes til å passere gjennom den minst ene strømningskanal idet nevnte kanal omfatter minst ett middel som frembringer en turbulent sone for å øke sammenblandingen av væskefasen og gassfasen, og der det minst ene middel er valgt fra gruppen bestående av vulst, spor, vridd strimmel, hjelpeskovl eller mellomskovl.

Minst én skrueformet rotasjon kan påføres strømningen inne i kanalen, for derved å øke sammenblandingen av væskefase og gassfase.

Denne strømning er f.eks. en enkeltstående skrueformet strømning av en slik art at intensitetsforholdet S for strømningen beregnet i minst ett tverrsnitt av kanalen ligger mellom 0,3 og 0,8, samt fortrinnsvis mellom 0,6 og 0,75.

Den skrueformede strømning finner f.eks. sted i motsatt retning av rotasjonsretningen for innretningens bevegelige deler.

Minst to skruebaner kan f.eks. genereres inne i samme kanal, og disse to skruebaner har da en motsatt rotasjonsretning, idet denne rotasjonsretning er fra ytterhuset mot strømningskanalens midtpunkt.

Stigningen av den skruebane som genereres av den skrueformede bevegelse kan varieres slik at stigningen reduseres progressivt for å omforme den kinetiske translasjonsenergi for væskefasen eller væskefasene til rotasjonsenergi og således redusere deres strømningsenergi i lengderetningen.

Innretningen og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan med fordel anvendes for pumping av et flerfasefluid, slik som en petroleum-utstrømning.

Innretningen og fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse vil gjøre det mulig å forbedre ytelsen for maskiner utført for kompresjon eller ekspansjon av et flerfasefluid til det nivå som oppnås ved enfase-maskiner.

Når det gjelder en innretning for flerfasepumping vil den skrueformede bevegelse som et fluid kan anta gjøre det mulig å øke den trykkstigning som frembringes av hver kompresjonscelle og forbedre dens totale ytelse. Når det gjelder anvendelse på en turbin, vil den føre til en økning i den mekaniske effekt som avgis ved konstant ekspansjon.

Ytterligere fordeler og særtrekk ved anordningen i henhold til oppfinnelsen vil bli bedre forstått ved gjennomlesning av følgende beskrivelse av et ikke-begrensende utførelseseksempel under henvisning til de vedføyde tegninger hvorpå: fig. 1 viser en perspektivskisse av en kompresjonscelle i henhold til tidligere kjent teknikk,

fig. 2 og 4 viser fluidstrømningens atferd i de hydrauliske celler i henhold til kjent teknikk,

fig. 3A og 3B viser to varianter av bevegelse som påføres flerfasefluidet i strømning, og

fig. 5, 6, 7 og 8 viser forskjellige midler som gjør det mulig å påføre fluidet en slik strømningsstruktur at sammenblandingen av gassfase og væskefase for-bedres.

For å sikre en bedre forståelse av innretningen og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, vil følgende beskrivelse, som gis for å anskueliggjøre og på ingen måte er begrensende omhandle en innretning utført for kompresjon av et flerfasefluid.

Oppfinnelsen går ut på å fremme interaksjon mellom fasene ved å frembringe mer kompliserte strømninger enn de som forekommer i den kjente teknikk, inne i én eller flere kanaler i kompresjonsinnretningen. Strømningen kan utgjøre en enkel turbulent sone eller fortrinnsvis en mer organisert struktur.

Slike strømningstyper gjør det mulig særlig å øke lengden av den midlere bevegelsesbane for partiklene i fluidene, og således å forbedre den innbyrdes på-virkning mellom væskefasen og gassfasen, slik som tidligere nevnt.

Det mekaniske arbeide som avgis av skovlhjulene i en pumpe omformes til energi i fluidet, nemlig nærmere bestemt til entalpi som er proporsjonal med fase-nes massestrømning, og overføres således hovedsakelig til den eller de faser som har størst densitet. I fravær av interaksjoner mellom fasene eller hvis interaksjon-ene er svake, så vil trykkøkningen som må forbli den samme mellom samtlige faser hovedsakelig bli bestemt av gassfasen. Overskuddsentalpien for fasene med størst densitet frembringer da hovedsakelig en akselerasjon av denne fase, sammen med en korrelerende retardasjon av gassfasen. For å oppnå godtakbar ytelse fra en flerfasepumpe, er det av vesentlig betydning at en overføring av energi og bevegelsesmengde finner sted mellom de foreliggende væsker og gassen.

Ved at sammenblandingen av fasene fremmes lettes overføringen av bevegelsesmengde fra væskefasen til gassfasen, og således den energioverføring som påføres flerfasefluidet eller den kompresjon som påføres dette fluid (eller kompresjonsforholdet).

Den bevegelse som genereres i én eller flere kanaler kan spesielt være en strømning i form av en skruebane, idet denne skruebane kan være mer eller mindre sammensatt.

Fig. 1 viser, sett i perspektiv, et ikke-begrensende eksempel på et element eller en celle i en flerfasepumpe i henhold til kjent teknikk og som omfatter et skovlhjul og en oppretter eller diffusor anordnet i et hus 1.

Skovlhjulet 2 er låst til et nav 4 som selv er fastlåst på den roterende aksel 5, som drives i rotasjon i en retning som angitt ved pilen K mens innretningen er i drift.

Oppretteren 3 er fast forbundet med huset 1 ved hjelp av midler som normalt anvendes av fagkyndige på området.

Skovlhjulet omfatter flere skovler 6i. To påfølgende skovler 6i, 6i+1, huset 1 og navet 4 avgrenser en sirkulasjonskanal 7 eller strømningskanal for flerfasefluidet i strømning.

Pilen É angir strømningsretningen for flerfasefluidet inne i en kanal.

De geometriske særtrekk ved skovlene og/eller sirkulasjonskanalene for fluidet kan oppvise geometriske og dimensjonene forhold av den art som er beskrevet i en av de tidligere nevnte patenter som innehas av de franske søkere, nemlig FR 2,333,139, FR 2,471,051 og FR 2,665,224 eller i patentet GB 2,287,288.

Fig. 2 viser et skjema over sekundærstrømningen av fluider i et rett snitt gjennom kanalene, hvilket kan opptre helt naturlig på grunn av rotasjonen av skovlhjulet 2.

I de aksiale eller halv-aksiale pumper er den dominerende komponent av strømningshastigheten for flerfasefluidet i retning parallelt med rotasjonsaksen. I de dreibare partier av disse pumper blir den relative akselerering av fluidsirkula-sjonen i kanalene samt den sentrifugalakselerasjon som frembringes ved rotasjonen grovt sett utbalansert av den komplementære Coriolis akselerasjon gitt ved vektorproduktet itl a\)v , hvor ti er rotorens rotasjonsvektor og $ er den relative hastighet avfluidpartiklene i forhold til skovlhjulet. Denne komplementære akselerasjon er rettet mot pumpens akse i betraktning av de vanlige orienteringer av og \)v som fører til økning av fluidets energi.

Den nøyaktige balanse mellom forskjellige radiale akselerasjonskomponen-ter kan bare oppnås ved en spesiell hastighet \)v som er en funksjon av vinkelen for vektorene ti og \)v, hvilket vil si den midlere lokale vinkel for kanalen i forhold til pumpens akse. Da den hastighet som frembringer balanse ikke nødvendigvis er den samme over hele lengden av kanalen, kan verdiene for skovlvinklene velges innenfor de verdiområder som er gitt i de tidligere nevnte patenter for å begrense akselerasjonenes amplitude.

I nærheten av skovlenes vegg er hastigheten vV av fluidet redusert innenfor grenselagets tykkelse. Den komplementære Coriolis-akselerasjon reduseres og den resulterende akselerasjon er rettet mot pumpehuset, hvilket innfører en hydro-dynamisk ubalanse i tverrplanet gjennom strømningskanalene. Dette komplementære fenomen sikrer en begrenset naturlig sammenblanding i strømningen.

Den grad av rotasjon som således frembringes og som er vist i fig. 2, bidrar til å homogenisere flerfasefluidet, men akselerasjonenes ubalanse forblir avgren-set til et forholdsvis tynt tykkelsesområde av grensesjiktet.

Med den hydrauliske diameter Dh for skovlhjulkanalene som er fastlagt i samsvar med det som er angitt i de tidligere nevnte patenter, og som ligger mellom 20 og 35 mm, vil den midlere relative hastighet for fluidet i forhold til kanalenes vegger under de vanlige driftsforhold for disse pumper nå opp til i det minste 50 til 70 m/s. Den kinematiske viskositet for de pumpede væsker ligger f.eks. mellom 1 og 100 cStockes. Under slike forhold kan den fagkyndige på området fast-legge forskyvningstykkelsen ved anvendelse av teorien for grensesjikt, hvilket tilsvarer den sone hvori fluidets fart senkes i nærheten av veggen og som er av størrelsesorden fra noen få ti-talls mikrometer til omkring en millimeter.

Ett av de midler som anvendes for å øke overføringen av bevegelsesmengde fra væskefasene til gassfasen består i henhold til oppfinnelsen i at

volumet av det fluid som settes i rotasjon økes inne i kanalene.

Det er f.eks. mulig å frembringe med kunstige midler en rotasjon om strøm-ningens hovedretning, på en slik måte av fluidstrømningsbanene danner en skrueform i en referanse forbundet med rotoren. Forskjellige varianter er gitt i figurene 3A og 3B og midlene for å oppnå disse er angitt i fig. 5 til 8.

Fig. 3A og 3B viser henholdsvis en enkelt skruebevegelse og en dobbelt

skrueformet bevegelse som f.eks. oppnås ved å benytte de mekaniske midler som er nevnt tidligere i én eller flere strømningskanaler, hvorav visse eksempler er angitt i figurene 5 til 8. Arrangement og valg av disse midler vil avhenge av den fluid-blanding som skal frembringes for å oppnå bedre homogenitet av gass- og væskefasene, samt av de fysiske egenskaper av det flerfasefluid som pumpes.

Den enkle eller doble skruebane oppnås på kunstig måte ved å frembringe rotasjon om strømningens hovedretning ved hjelp av de mekaniske midler som vil bli beskrevet nedenfor.

Fig. 3A viser et eksempel på en enkeltstående skruebane hvor fluidets strømningsretning finner sted i motsatt retning av skovlhjulets rotasjonsretning. Uttrykket "enkel skruebane" tilsvarer en skrueformet bevegelse som finner sted i en enkelt retning inne i kanalene.

For å motvirke den mindre trykkøkning som frembringes av denne skruebevegelse, vil krumningen av skovlene i visse tilfeller bli øket tilsvarende.

Fig. 3B viser et eksempel hvor to skruebaner er frembrakt inne i en og samme kanal. Uttrykket "dobbelt skruebane" beskriver to skrueformede bevegel-ser som frembringes inne i en og samme strømningskanal og i innbyrdes motsatt retning. I henhold til en utførelse er den bevegelse som meddeles fluidet i skovlhjulene fortrinnsvis orientert fra ytterhuset i umiddelbar nærhet av skovlene 6i, 6j+i mot midten av kanalen for å dra fordel av de naturlige tendenser som frembringes av den komplementære Coriolis-akselerasjon.

De fluid-skruebaner som dannes på denne måte kan oppvise variable stig-ningsforhold, idet stigningsvariasjonen frembringes langs aksen av fluidstrøm-ningen inne i kanalen. Avstanden mellom to homologe punkter på skruebanen avtar tiltagende f.eks. langs strømningskanalen.

Fig. 4 viser et avsnitt i lengderetningen av et skovlhjul og angir fordelingen av gassfase og væskefase, samt i hastigheter som skriver seg fra virkningen av sentrifugalkreftene. Den lette gassfase G er konsentrert i midten av kanalen, mens væskefasene L befinner seg i periferien. Denne figur viser at konsentrasjo-nen av gassfasen vil øke fra veggene mot midten av kanalene. Dette fenomen bidrar til å fremme overføringen av energi og bevegelsesmengde i kraft av to virk-somme forhold: - strømningens geometri gjør det mulig å øke interaksjonsflaten og således også overføringen av energi og bevegelsesmengde mellom fasene, sammenlignet med en vanlig strømning som bare oppviser én eneste ensrettet tversgående kon-sentrasjonsgradient, - det gassholdige sentrale parti av strømningen har en tendens til å trekke seg sammen i aksialretningen hvis rotasjonen ikke er for hurtig, hvilket innebærer en fartssenkning av den eller de periferiske væsker samt en akselerasjon av gassen, hvilket tilsvarer den virkning som ønskes.

Intensiteten av strømningens rotasjon kan karakteriseres ved det dimensjonsløse forhold S som vanligvis angis ved uttrykket "virveltall":

hvor Ui er hastighetens komponent i lengderetningen, ux og uy er dens tversgående komponenter (i rotasjonsplanet), rmax er den største verdi av

over det rette tverrsnitt, idet integralene beregnes over et rett tverrsnitt av kanalen og origo for aksene plasseres i tverrsnittets tyngdepunkt.

Når en dobbelt skrueformet strømning frembringes, beregnes S over halvparten av strømningskanalens tverrsnitt.

Dette dimensjonsløse forhold er faktisk karakteristisk for forholdet mellom fluksen av det kinetiske moment og bevegelsesmengdefluksen i lengderetningen.

Målet vil være å arbeide med en verdi av S som er tilstrekkelig stor til å øke interaksjonslengden mellom væskefasen og gassfasen, men som ikke er for stor, for derved å unngå at sentrifugalkreftene som fremkommer ved denne rotasjon separerer fasene og frembringer den motsatte virkning av den som ønskes. For dette formål er det anordnet mekaniske midler inne i en strømningskanal, og visse eksempler på disse er gitt for å anskueliggjøre i figurene 5 til 8, idet de vil bli dimensjonert og anordnet i strømningskanalen på en slik måte at den ønskede verdi av S oppnås.

Hastighetens komponent i lengderetningen Ui er fastlagt ved de nominelle driftsbetingelser for pumpen, avhengig av dens rotasjonshastighet og dens gene-relle geometriske særtrekk. Beregningen av U|, som vil være velkjent for fagkyndige på området, vil ikke bli forklart her.

Rotasjonens tverrkomponent Ut = V (ux<2> + uy2) er vanligvis null eller har en liten verdi i pumper som oppviser de egenskaper som foreligger i den kjente teknikk. I innretninger som er frembrakt i samsvar med oppfinnelsen, vil verdien av tverrkomponenten anta en annen verdi enn null og frembringes av de mekaniske midler som er anordnet i kanalene.

For å oppnå den beste ytelse og gjøre den beste bruk av de spesielle trekk ved oppfinnelsesgjenstanden, vil geometrien og dimensjonene av de mekaniske midler som anbringes i kanalene bli valgt slik at de frembringer rotasjonshastighet med en rotasjonskomponent Ut hvis verdi er slik at forholdet S, slik det er gitt ovenfor, ligger i et område fra 0,3 til 0,8 og fortrinnsvis mellom 0,5 og 0,75.

Ved den kjente teknikk er den skrueformede naturlige strømning som er beskrevet ovenfor karakterisert ved verdier av S som er meget lave, nemlig godt under 0,1.

Hvis det ved beregningen antas at hastighetene Ut og ui er ensartede over tverrsnittet, forenkles uttrykket for S til å være:

hvor forholdet Ut/ui tilsvarer tangenten til vinkelen a for skruebanen.

S er således proporsjonal med tangenten til skruebanens stigningsvinkel, og verdien av dette proporsjonalitetsforhold avhenger av formen av kanaltverrsnit-tet og fordelingen av strømningen i kanalen.

Tangenten til denne vinkel kan vanligvis defineres som tg a s k <*> S, hvor k er en proporsjonalitetsfaktor som hovedsakelig avhenger av geometrien av skovlene og kanalene samt strømningsegenskapene (strømningsart, strømnings-hastighet).

Verdien av k kan oppnås eksperimentelt ved hastighetsmålinger eller beregnes ved å utnytte programvareverktøy for strømningsberegning i henhold til den såkalte Navier-Stockes teori, som vil være kjent for fagkyndige på dette området, eller ved hjelp av andre midler som er tilgjengelige innenfor dette tekniske felt.

Verdien av den vinkel a som skruebanen oppviser er fastlagt ved kjennskap til k for de strømningskanaler i en diffuser eller et skovlhjul hvori det ønskes å frembringe en strømning i form av skruebanen (enkel eller dobbel), samt ved å ta med i betraktningen de verdier av S som tilsiktes.

Ved antakelse av en verdi for k f.eks. lik 1,2 og med ønske om å oppnå en verdi for S mellom 0,3 og 0,8, vil det kunne fastlegges en skruebane med en slik vinkel at verdien av dens tangent er

0,6 < tg a < 0,9, samt mer generelt 0,35 < tg a < 1,0.

De beskrevne innretninger kan således dimensjoneres ved påfølgende til-nærmelser, som for hver gang, eksperimentelt eller ved beregning, fastlegger verdien av den proporsjonalitetsfaktor k som oppnås i trinn i, derpå korrigeres disse dimensjoner i trinn i+1 for å oppnå vedkommende vinkel a eller tallet S innenfor det ønskede område.

Fig. 5 viser en første utførelsesvariant av innretningen i henhold til oppfinnelsen og hvori de midler som anvendes for å frembringe en skruebane eller en fluidbevegelse i form av en skrueformet strømning utgjøres av en vulst 11 anordnet i skrueform på kanalveggene, fortrinnsvis på navet og skovlene som delvis avgrenser en strømningskanal.

Denne vulst kan utformes i praksis ved å påføre en sveisevulst på navet og på de to skovlvegger som avgrenser strømningskanalen for fluidet. Vulstens dimensjoner og den måte hvorpå den påføres (stigningen mellom to påfølgende partier 11b som er påført navet eller veggene, vulstens form for de tre sammenhengende partier 11a, 11b og 11c (ikke synlig i figuren) som er påført henholdsvis den første skovl, navet og den andre skovl) er da slik at en strømningsbevegelse frembringes i form av en skruebane med en vinkel a som gjør det mulig å oppnå den ønskede verdi av S.

Vulstens høyde kan f.eks. velges fra et verdiområde mellom 1/5 og 1/8 av bredden av den strømningskanal hvori den er anordnet. Kanalens bredde er definert som den korteste avstand mellom to påfølgende skovler og måles f.eks. langs en sirkelbue som er konsentrisk med pumpens rotasjonsakse.

Strømningskanalens lengde er fastlagt som lengden av medianlinjen for skovlene, og som kalles velvningslinjen.

Verdien av stigningen mellom to påfølgende partier av den vulst som er påført navet eller på bladene kan være variabel, slik som angitt tidligere.

Vulsten kan være påført på bare et parti av skovlenes lengde og det nav som delvis avgrenser strømningskanalen eller over det hele, idet fluidets strøm-ningsretning tas med i betraktningen.

En annen utførelsesvariant går ut på å danne spor (ikke vist i figurene) i de tidligere nevnte vegger på skovlene og navet.

På nøyaktig samme måte har sporene dimensjoner og plasseringer som er fastlagt slik at den ønskede skrueformede strømning frembringes og den tilsiktede vinkel a oppnås.

Ved slike spor kan spordybden variere mellom 1/10 og 1/20 av tykkelsen av den vegg hvori det er anordnet, idet de mekaniske særtrekk ved sammenstillingen tas med i beregningen. Stigningen mellom to påfølgende spor som er anordnet henholdsvis på navet eller på skovlene kan være valgt for å oppnå en skruebane med varierende stigning. De sammenhengende partier 12a, 12b og 12c av sporene i skovlene og navet kan f.eks. være av en slik art at de gjør det mulig å oppnå en bevegelse i form av en skruebane og med en vinkel a som gjør det mulig å oppnå den ønskede verdi av S.

Bruk av spor synes å være den utførelse som er best egnet for såkalte tykke skovler.

Begynnelsespunktet for den således dannede skruebane forlegges fortrinnsvis i nærheten av innløpet til passasjen.

Fig. 6 viser en annen utførelsesvariant hvor vedkommende middel utgjøres av én eller flere vridde strimler 13 i skrueform, og som er anordnet inne i én eller flere strømningskanaler.

Hvis p betegner strimmelens vridningsvinkel, så velges verdien av (3 lik den verdi av vinkelen a som gjør det mulig å oppnå den ønskede verdi av S.

Lengden av strimmelen kan velges til å være større eller lik den lengde som tilsvarer en kvart omdreining i den frembrakte skruebane.

I det tilfelle det bare foreligger én strimmel i kanalen, kan denne f.eks. anbringes i nærheten av innløpet i betraktning av strømningsretningen for flerfasefluidet. Strimmelen har da en form og en geometri som er slik at den strekker seg over i det minste en del av lengden av denne kanal.

Slike skrueformede strimler er effektive når det gjelder å generere roterende strømninger.

Disse midler sikrer at fluidet settes i rotasjon i bare én retning. Denne ut-førelsesvariant vil fortrinnsvis bli anvendt i statorer eller dreibare partier av kompresjonsinnretningen.

For å frembringe en strømning med en dobbelt rotasjon, slik som angitt i fig. 3B, er det mulig å gå frem slik at det anbringes en slik anordning som angitt i fig. 7 inne i strømningskanalen.

Strømningskanalen er da utstyr med en skovl 14 av liten størrelse og som forløper i omkretsretningen, samt er anordnet i innløpspartiet, og hvis tverrsnitt er hensiktsmessig for å avbøye fluidet nær ytterhuset og inntil skovlene slik at det rettes mot navet i kanalenes midtområde. Denne skovl med liten størrelse er utformet som en hjelpeskovl.

Skovlen 14 kan omfatte minst tre partier 14a, 14b og 14c idet partiene 14a og 14c nærmest ytterhuset gjøres hovedsakelig lik en fjerdedel av bredden I mellom to påfølgende skovler 6i, 6j+i, og partiet 13b gjøres lik halvparten av denne bredde.

Den utforming og de dimensjoner som er angitt for partiene 14a og 14c er slik at fluidet i strømningen avbøyes f.eks. mot ytterhuset, mens den form som er gitt til partiet 14b gjør det mulig å avbøye fluidet i retning av navet.

På denne måte genereres de to skrueformede strømninger i innbyrdes motsatt retning inne i samme strømningskanal.

Avbøyningen av fluidet tilsvarer fluidets retningsforandring mellom strøm-ningsretningen ved innløpet til strømningsretningen og den strømningsretning som foreligger ved ytterenden av de tidligere omtalte partier av skovlen.

En annen utførelsesvariant av innretningen i henhold til oppfinnelsen er angitt i fig. 8.

I dette utførelseseksempel er skovler 15 som kalles "mellomskovler" og som hovedsakelig oppviser det spesielle trekk at de er kortere enn hoved-skovlene, anordnet f.eks. i den fremre tredjedel av strømningskanalens lengde og har et lengde/høyde-helningsforhold på omtrent 1 og eventuelt mindre enn 1.

Disse skovler oppviser et profilert tverrsnitt ved sin forkant, men ikke ved sin bakkant. Slike blader anvendes vanligvis av fagkyndige på området med det formål å oppnå en stor turbulent sone.

Uten å gå utover oppfinnelsens ramme er det mulig å anordne hvilke som helst fysiske midler som tjener til på kunstig måte å blande strømningen inne i én eller flere strømningskanaler for fluidet. Disse midler kan oppvise en mer eller mindre kompleks form og kan f.eks. være anordnet i det fremre parti av strøm-ningskanalen (alltid angitt i betraktning av strømningsretningen for flerfasefluidet).

Uten å gå ut over oppfinnelsens ramme kan alle de utførelsesvarianter som er angitt for skovlhjulene også benyttes i opprettere eller statorer som utgjør fast-stående partier av de hydrauliske celler.

Claims (17)

1. Aksialstrømnings-turbomaskin som varierer trykket i et flerfasefluid som omfatter minst én væskefase og minst én gassfase, idet nevnte innretning omfatter et hus (1), et nav (4), en roterende aksel (5), minst to skovler (6i, 6i+1) som avgrenser minst én strømningskanal (7) for flerfasefluidet, karakterisert ved minst ett middel (11a, 11b, 13, 14, 15) anordnet inne i nevnte minst ene strøm-ningskanal (7), der det minst ene middel er valgt fra gruppen bestående av vulst, spor, vridd strimmel, hjelpeskovl eller mellomskovl, og idet nevnte minst ene middel (11a, 11b, 13, 14, 15) frembringer en turbulent sone inne i nevnte minst ene strømningskanal, for derved å blande sammen væskefasene og gassfasene i flerfasefluidet.

2. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at det minst ene middel (11a, 11b, 13, 14, 15) gjør det mulig å frembringe en strømning i form av minst en skrueformet strømnings-bane inne i nevnte minst ene kanal.

3. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 2, karakterisert ved at den minst ene skrueformede strømningsbane oppviser en slik vinkel a at strømningsintensiteten er kjennetegnet ved et dimensjonsløst forhold S, nemlig: hvor Ui er hastighetens komponent i lengderetningen, ux og uy er hastighetens tverrkomponenter i rotasjonsplanet, og rmax er den største verdi av for en verdi av S som ligger mellom 0,3 og 0,8.

4. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i ett av kravene 2 og 3, karakterisert ved at nevnte minst ene middel utgjøres av minst én vulst (11a, 11b, 11c) med en skruelignende form og som er anordnet på veggen av minst én av de minst to skovlene og navet.

5. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte minst ene vulst er anordnet inne i minst én strømningskanal (7) på minst ett skovlhjul (2) og/eller diffusorer (3).

6. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i et av kravene 4 eller 5, karakterisert ved at høyden av nevnte vulst er mellom 1/5 og 1/10 av bredden av nevnte strømningskanal.

7. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 2, og som er utført for å tilføre energi til et flerfasefluid, karakterisert ved at nevnte minst ene middel (11a, 11b, 13,14, 15) er minst ett spor i nevnte skruebane utformet i en av veggene i en strømningskanal, samt over i det minste et parti av nevnte kanals lengde.

8. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte minst ene spor har en dybde mellom 1/20 og 1/10 av tykkelsen av én av de skovler (6i, 6i+i) som danner en strømningskanal (7).

9. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i et av kravene 7 eller 8, karakterisert ved at nevnte minst ene spor er anbrakt i minst ett skovlhjul og/eller minst én oppretter.

10. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i ett av kravene 4 eller 9, karakterisert ved at nevnte skruebane har en variabel stigning.

11. Aksialstrømnings-turbomaskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte vridde strimmel (13) er anordnet i nærheten av innløpet for den minst ene strømningskanal.

12. Fremgangsmåte for overføring av energi som frembringes i en aksialstrøm-nings-turbomaskin som varierer trykket i et flerfasefluid som omfatter minst én gassfase og én væskefase, idet nevnte aksialstrømnings-turbomaskin omfatter minst en strømningskanal, karakterisert ved at nevnte flerfasefluid bringes til å passere gjennom den minst ene strømningskanal (7) idet nevnte kanal omfatter minst ett middel (11a, 11b, 13, 14, 15) som frembringer en turbulent sone for å øke sammenblandingen av væskefasen og gassfasen, og der det minst ene middel er valgt fra gruppen bestående av vulst, spor, vridd strimmel, hjelpeskovl eller mellomskovl.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at minst én skrueformet rotasjon frembringes i nevnte strømning inne i kanalen, for derved å øke sammenblandingen av væskefasen og gassfasen.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at nevnte strømning utgjøres av en enkelt skrueformet strømningsbane av en slik art at forholdet S for strømningsintensiteten som beregnes i minst ett tverrsnitt av kanalen ligger mellom 0,3 og 0,8.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 14, karakterisert ved at nevnte skrueformede strømning finner sted i motsatt retning av rotasjonsretningen for de bevegelige deler i innretningen.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at minst to skrueformede strømningsbaner genereres inne i én og samme kanal, idet de to strømningsbaner bringes til å ha motsatt rotasjonsretning, og disse rotasjonsretninger bringes til å være fra huset mot midten av strømningskanalen.

17. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 14 til 16, karakterisert ved at helningen for den skruebane som genereres av den skrueformede bevegelse varieres på en slik måte at nevnte stigning reduseres fortløpende for omforming av den kinetiske translasjonsenergi for væskefasen eller væskefasene til rotasjonsenergi, og således at deres strømningshastighet i lengderetningen reduseres.