CN1034606C - 具有能使流动稳定的机匣的离心压缩机 - Google Patents

具有能使流动稳定的机匣的离心压缩机 Download PDF

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Abstract

一种具有能使流动稳定的机匣的离心压缩机包括：一个叶轮(2)和一个压缩机机匣(4)以及一族长形的稳定槽(5)，这些槽(5)在流道的进口区内沿流动方向延伸，且槽(5)从机匣内壁(4a)处穿入机匣(4)，槽(5)分布在机匣(4)的内周缘上。为了把稳定工作范围延伸到较小流量范围，该稳定槽(5)相对于叶轮旋叶(3)安排成，稳定槽(5)的面向轴向进口(10)的前端位于旋叶前缘(6)下游的某一预定距离处。

Description

具有能使流动稳定的机匣的离心压缩机
本发明有关于离心压缩机。它有关于一种离心压缩机，其机匣能使流动稳定，该离心压缩机包括有：
(a)一个可绕机轴旋转地支撑的叶轮；且该叶轮具有一个轮毂，该轮毂的周缘上具有一族旋叶；
(b)一个压缩机机匣，该机匣围绕着叶轮，面机匣的内壁形状是与叶轮旋叶的外形相匹配的，且机匣的内壁与叶轮轮毂一起形成了在轴向进口和径向出口之间延伸的流动通道；
(c)一族使流动稳定的长槽，这些长槽在流动通道的进口区沿着流动方向延伸且从机匣内壁穿入机匣，并且这些长槽分布于机匣的内周缘上。
例如，大家知道的这种类型的径向压缩机为美国专利文献US4212585公布的那种压缩机。
对于离心压缩机，由于所谓的喘振边界的原因而当在小容积流量严重节流时，其稳定工作范围是受到限制的，压缩机在超越喘振边界线的情况下是不再能可靠工作的，并且在超越喘振边界线的情况下由于流动不稳定会对各个组件引起非常严重的机械载荷，这些载荷对于压缩机能导致其损伤甚至全面的破坏。
对于许多实际应用的情况，把离心压缩机的喘振边界线推移到更小的容积流动处以增加压缩机的稳定工作范围是很有意义的，要做到这一点的前提是需了解出现喘振边界的决定性原因以及确定其位置。
关于流经压缩机稳定流动的遭到破坏的现象，做过许多理论及实验方面的研究，专家们普遍认为当压缩机节流时在叶轮前区形成的回流旋涡是引起喘振开始的重要因素，因此以往所有的推移压缩机喘振边界线的各种方案都是想要抑制或影响该旋涡。
前述美国专利中叙述了一种称为“机匣处理”的解决办法，这种办法如图1简图所示，其特征是在压缩机机匣4中具有一族起流动稳定作用的窄槽5，这些槽5是从叶轮2的叶轮旋叶3的前缘6处开始的，或者槽5是从前缘6的某个很短的上游距离处开始的。这些槽对叶轮2的旋转方向是倾斜的，并且在某些情况下对于旋转轴7亦是安排成倾斜的。这些槽5在子午剖面内具有直角形状，其前壁5a及后壁5c对于旋转轴7近似地为直角。
在以前的方案中，喘振边界线的推移主要是在压缩机特性图的上部区，而在较低的转速范围，这种形式的机匣处理并未提供任何改善而且甚至可能更坏。因此，这种形式的机匣处理是适合于那些旋转转速偏离名义转速不大的压缩机，而对工作转速变化很大的压缩机例如废气涡轮增压器中的压缩机，由于前述低转速下的稳定问题而不适用了。
为此，本发明的目的就是要提供这样的一种离心压缩机，它具有革新的能使流动稳定的机匣，这种机匣能在整个特性图的范围内把喘振边界线推向更小的容积流量区。
根据本发明提供的一种具有流动稳定机匣的离心压缩机，它包括有：
(a)一个可绕机轴旋转地支承的叶轮，且该叶轮具有一个轮毂，该轮毂的周缘上具有一族旋叶；
(b)一个压缩机机匣，该机匣围绕着叶轮，而机匣内壁形状是与叶轮旋叶的外形相匹配的，且机匣外形与轮毂一起形成了在轴向进口及径向出口之间延伸的流动通道；
(c)一族使流动稳定的长槽，这些长槽在流动通道的进口区沿着流动方向延伸且从机匣内壁穿入机匣，并且这些长槽分布于机匣的内周缘上；其特征在于，
(d)这些稳定槽对于叶轮旋叶是这样安排的，其稳定槽的面向轴向进口的前端是位于旋叶前缘之后的下游处。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，稳定槽的后端是位于从轴向进口流动到径向出口流动之间转折的开始区。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，叶轮旋叶包括主旋叶和较短的中间旋叶，其中，主旋叶从轴向进口延伸到径向出口，而较短的中间旋叶是在各主旋叶之间，且只是在轴向进口之后才开始，而稳定槽的后端是位于中间旋叶开始的地方。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽相应地有一个平的底部，这些底部的方向是近似地与相邻叶轮旋叶的外形相切。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽各自有一后壁而形成了稳定槽后端边界，该后壁的方向要比机匣内壁的当地法向要更平一些，而后壁方向与上述法向之间形成一锐角(γ)。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，各后壁各自以其弧形部分并入底部。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽有一平的底部，该底部以与机匣内壁小于90度的夹角在槽后端处并入机匣内壁。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，每个稳定槽是由其前壁形成了槽前端的边界，这些前壁以其弧形部分并入到平的底部。
根据本发明提供的离心压缩机，其特征在于，稳定槽是安排成与叶轮转动方向相倾斜的。
本发明具有下列优点，即此类压缩机是靠下述的(d)达到优良效果：
(d)这些起稳定作用的槽相对于叶轮旋叶是这样安排的，槽的面向轴向进口的前端是位于旋叶前缘的下游的某一予定距离处。
本发明的核心是把稳定槽以这种方式来安排，以使在增加节流时形成的回流旋涡在其充分发展之前就能被这些槽所影响。
在本发明中，压缩机具有稳定槽，其优点是该稳定槽的后端是位于从轴向进口流动到径向出口流动之间转折的开始区，这一措施保证了旋涡在其生成的过程中就已达到了槽的影响区。
本发明还有其它优点，即，叶轮旋叶包括从轴向进口延伸到径向出口的主旋叶和较短的中间旋叶，较短的中间旋叶位于主旋叶之间且。只是在轴向进口之后才开始，而稳定槽的后端是位于中间旋叶开始的地区。其优点是对于具有不同长度的叶轮旋叶的转子也可同样的体现。
如果稳定槽的形状流动地与回流旋涡的位置相匹配，则还具有其它的优点。即，上述流动地匹配是由下述特点达到的：各个稳定槽相应地有一个沿流动方向直线地延伸的底部，这些底部的方向是近似地与转子旋叶的外形相切；稳定槽有一后壁而形成了稳定槽后端的边界，该后壁的方向比机匣内壁的当地法向要更平一些，而槽后壁方向与上述法向之间形成一锐角(γ)；后壁各自连续地以切向并入槽的底部。
在相应的专利权利中给出了各种进一步的实施例。
现参照附图作详细说明，以对本发明及由此以来的各优点能有更完全的了解及理解。
图1以横剖示图表示了采用现有技术“机匣处理”稳定流动的压缩机；
图2表示了按本发明稳定槽的压缩机的第一较佳实旋例，图(b)类似于图1图(a)为沿图2(b)所示的A-A剖面；
图3表示了与图2(b)相比的采用不同的槽形状的第二较佳实施例。
参照这些附图，图中相同的数码代表同一或相应的零件。首先利用图1来简要说明如本文开始提及那项已公布专利的现有技术，以使弄清本发明与现有技术的不同处。如图1所示，这项现有技术的具有稳定机匣的离心压缩机包括有一个叶轮转子2，它是可旋转地支承在转轴7上并在轮毂9上带有一族叶轮旋叶3，这些旋叶是以周向均布地安排在轮毂9的周缘上，该叶轮转子是安装在压缩机机匣4中(在图1中只是表示了其部分剖面)，在机匣4的内侧，该压缩机机匣4具有一个内壁4a，这个内壁与叶轮旋叶3的外形相匹配，而机匣内壁4a及轮毂9形成了要被压缩介质的流动通道，该通道从轴向进口10转向径向出口11，而被压缩的介质是在该流动通道的中心区域中连续地从轴向进口流动折转为径向出口的流动。
这一已知的机匣处理只包括一族稳定槽5，这些槽是在机匣上沿圆周均布安排的，且这些槽位于旋叶前缘6的区域中，槽5沿机器转轴7的方向延伸，且在子午剖面内的形状基本上是矩形的，槽5的前端及后端的边界相应地分别为前壁5a及后壁5c，且5a及5c对于旋转轴7均为直角。在此方案中，前壁5a是位于旋叶前缘6的上游，在径向的边界是底部5b，底部5b平行于机轴7延伸。
如前曾指出的那样，在机匣内壁中的槽之所以能起使流动稳定的作用是基于它影响了该叶轮前区的回流旋涡，把该回流旋涡排移出叶轮而进入到槽中去，因此旋涡对主流的影响就减少了。最近的实验研究已表明，旋涡并非直接在叶轮2的旋叶前缘6处出现，而是在旋叶前缘6的下游处即轴向进口流动转到径向出口流动的转折区的开始部分处出现的，或是在中间旋叶(当叶轮旋叶可分为主旋叶及中间旋叶时)的前缘区出现的，只有在严重节流情况下回流旋涡才可能发展到达叶轮旋叶前缘6(此处的旋叶前缘6，对于旋叶可分为较长的主旋叶及较短的中间旋叶的情况，亦是指主旋叶的前缘)。因此，图1所示的那种机匣处理方案只能影响充分发展了的旋涡。
在以往技术的机匣处理中，不仅是槽的位置(处于旋叶前缘6的开始处或上游处)与旋涡的位置匹配不佳，而且槽在子午面内的形状即呈直角状(前壁5a及后壁5c相应各自对机轴7均为直角)对于回流旋涡流动进入槽内并在其中运动亦并不有利。
因此，为了在压缩机的整个转速范围内将其喘振边界线推移至较小的容积流动区，首先应该使稳定槽的位置与回流旋涡的形状及位置以最佳的方式相匹配，其次是对于刚开始的弱旋涡亦应能使之流入稳定槽中，为此槽的外形应能使流体阴力尽可能的小。
这种经最佳化机匣处理的第一个较佳实施例是示于图2，当然叶轮转子的结构并非一定要是图2的那一种，即叶轮旋叶3分为较长的主旋叶3a(它从轴向进口10延伸至径向出口11)以及较短的中间旋叶3b(这组旋叶的前缘8是靠后的)的那一种结构。在这一实施例中，不仅是稳定槽5的位置而且其形状相对于现有技术都是经过修改了的。其面对轴向进口10的前端部亦即前壁5a是位于旋叶前缘6下游的某一预先设定的位置处。
槽的后端是位于从轴向进口流动转入径向出口流动的转折区，这个位置对于图2(b)所示的那种叶轮旋叶3的叶轮转子结构面言，就是指中间旋叶3b的前缘8的紧邻后方区。稳定槽5的最佳位置及长度可由专家容易地通过回流旋涡位置及尺寸的计算或实验来确定。此外，如图2(a)(沿图2(b)的A-A线横剖)所示，槽亦可安排成与转子2的旋转方向相倾斜的。
除了稳定槽5的位置及长度作了修改之外，相对于现有技术还作形状方面的改变。虽然图2(b)的例中前壁5a对于机轴7基本上仍保持直角，但其直底部5b是不再平行于机轴而是与邻近的叶轮旋叶3的外形近以地相切，从而底部5b的方向适应于回流旋涡。另外，每个稳定槽5的后端边界为后壁5c，该后壁5c延伸的方向比机匣内壁4a的当地法向要更平些，而后壁5c与上述法向构成的锐角为(γ)，这个角度亦是作成适应于回流旋涡的情况，面该角γ亦是需求得的。最后，槽内的为直角的各角落从水力学最佳化的角度来讲是不利的，这也已避免，因为槽5的前壁5a及后壁5c是光滑连续地相切并入到底5b中去的。依靠上述各项措施，回流旋涡是在叶轮转子2之外且在该旋涡生成的早期阶段以及全部过程中能被较好地影响并稳定。
在图3所述的另一个实施例中，对稳定槽5的形状作了简化，而其位置相对于图2的实施例而言近似未变。图3实施例的槽5不再有后壁，而槽5的底部5b在其后端处延伸并以楔状进入机匣内壁4a之中，这种方案使槽的加工得以简化而同时对于旋涡仍具有类似的有利影响。
总之，本发明的离心压缩机在全部特性图线范围内使稳定工作范围显著地扩展至小容积流量区。
显然，按照上述技术，可对本发明作许多修改及变化，因此在本发明所附的权利要求范围之内而在本文所专门叙述的实施例之外可以另外有各种实施方法，当然这应被理解是属于本发明权利要求范围之内的。
标号表：1  离心压缩机2  叶轮3  叶轮旋叶3a 主旋叶3b 中间旋叶4  压缩机机匣4a 机匣内壁5  稳定槽5a 槽的前壁5b 槽的底部5c 槽的后壁6  旋叶前缘7  机轴8  中间旋叶的前缘9  轮毂(叶轮)10 轴向进口11 径向出口γ 角度

Claims (9)

1.一种具有流动稳定机匣的离心压缩机，它包括有：
(a)一个可绕机轴旋转地支承的叶轮，且该叶轮具有一个轮毂，该轮毂的周缘上具有一族旋叶；
(b)一个压缩机机匣，该机匣围绕着叶轮，而机匣内壁形状是与叶轮旋叶的外形相匹配的，且机匣外形与轮毂一起形成了在轴向进口及径向出口之间延伸的流动通道；
(c)一族使流动稳定的长槽，这些长槽在流动通道的进口区沿着流动方向延伸且从机匣内壁穿入机匣，并且这些长槽分布于机匣的内周缘上；其特征在于，
(d)这些稳定槽对于叶轮旋叶是这样安排的，其稳定槽的面向轴向进口的前端是位于旋叶前缘之后的下游处。
2.如权利要求1中所述的离心压缩机，其特征在于，稳定槽的后端是位于从轴向进口流动到径向出口流动之间转折的开始区。
3.如权利要求1中所述的离心压缩机，其特征在于，叶轮旋叶包括主旋叶和较短的中间旋叶，其中，主旋叶从轴向进口延伸到径向出口，而较短的中间旋叶是在各主旋叶之间，且只是在轴向进口之后才开始，而稳定槽的后端是位于中间旋叶开始的地方。
4.如权利1至3中之一所述的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽相应地有一个平的底部，这些底部的方向是近似地与相邻叶轮旋叶的外形相切。
5.如权利要求4所述的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽各自有一后壁而形成了稳定槽后端边界，该后壁的方向要比机匣内壁的当地法向要更平一些，而后壁方向与上述法向之间形成一锐角(γ)。
6.如权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，各后壁各自以其弧形部分并入底部。
7.如权利要求1至3中之一所述的离心压缩机，其特征在于，各稳定槽有一平的底部，该底部以与机匣内壁小于90度的夹角在槽后端处并入机匣内壁。
8.如权利要求1至3中之一所述的离心压缩机，其特征在于，每个稳定槽是由其前壁形成了槽前端的边界，这些前壁以其弧形部分并入到平的底部。
9.如权利要求1至3中之一所述的离心压缩机，其特征在于，稳定槽是安排成与叶轮转动方向相倾斜的。
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