CN1080032A - 用于压缩机的变截面集流器 - Google Patents

Abstract

一种用于离心式压缩机内带叶片扩压器的变截 面集流器，其中集流器出口通道入口处的集流器外壳 的径向截面面积是出口通道入口面积的40％至 80％，并且平顺地逐渐增大至出口通道入口的面 积。集流器外壳截面面积的逐渐增长是由集流器轴 向高度的变化产生的。在与出口通道的交接处，集流 器在轴向高度上有一个台阶，以便至少部分地将来自 集流器的切向气流导入出口通道入口。

Description

本发明总的涉及用于增加气体压力的离心式压缩机，特别是指这种离心式压缩机的集流器。

离心式压缩机在许多工业中具有广泛的用途。在低温空气分离工业中，离心式压缩机用于将进入设备内的输入空气予以压缩，使空气在该设备中液化并分离成它的各个组份。离心式压缩机还可用来压缩氮气和氧气产品。压缩这些气体所需要的能量是该设备运行中的一项主要成本。因此，在离心式压缩机压缩效率方面的改进即使是微小的，对该操作的经济效益也具有显著的影响。

一种常规的离心式压缩机具有一根旋转轴，其上装有一个叶轮，该叶轮具有用于在轴向上吸入气体的叶片。叶轮的旋转使气体的速度增加并提高其压力。然后气体按径向方向从叶轮排出，其速度很高并具有一个大的切向分量。接着，气体进入一个扩压器，在那里它转向以更为径向的方向向外流动，同时减速并连续地提高其静压。该扩压器可以有叶片以导引气流，或者也可以没有叶片成为无叶片空间。在径向填充很重要和视效率为最重要的一些应用中，带叶片的扩压器，由于其效率更高，较之无叶的扩压器更为优越。

气体离开扩压器时带有的动能相当于叶轮赋于气体能量的百分之一至四。离开扩压器的气体速度具有一个径向分量和一个切向（周向）分量。带叶片的扩压器比一个无叶片的扩压器以更小的切向速度分量将气体排出。

一个带有一条内凹槽的外壳围绕在扩压器的出口，该内凹槽具有一个与扩压器出口对准的开口。该凹槽接受从扩压器圆周方向排出的气体。凹槽壁将气流导入切向方向，以便在凹槽内以切向流动。该凹槽将气流积聚和汇合成单一流体，该流体通过从凹槽外壳伸出的出口通道离开该凹槽。通常出口通道沿着切向从外壳露出以尽量减少流量的损失。出口通道将压缩的气流传送至一根管道，再由该管道将压缩气体传送至下一操作工位。

为了积聚和收集从无叶扩压器排出的气体，通常使用一种称作蜗壳的积聚凹槽。常规的蜗壳包括一个外壳，其截面从业内被称为舌部的一个截面接近零的起始点开始逐渐加大直至其出口称为喉部的最大截面处。这种面积安排要求形成一个小的舌角，例如从切线方向测量为10°。一个可用于无叶扩压器的蜗壳通常以大的切向分量和小的出口角（从切向测量）将气流排出。这样，相对于舌部的气流倾角就小而且倾角损失也小。带叶片的扩压器通常将气流更多地转为径向，而以一较小的切向分量将气流排出。因此，来自带叶片扩压器的气流进入蜗壳时在蜗壳舌部将具有一个较大的倾角，由此增加了气流的能量消耗。

为了避免由蜗壳舌部造成的倾角损失，一种被称作集流器的积聚凹槽被用于带叶片的扩压器。一种常规的集流器包括一个蜗壳形外壳，该外壳具有一个足够大面积作为增压室的恒定径向截面，以减少集流器内周边的压力变化。

通常用于带叶片扩压器的这种普通集流器提供了改进的机会。在集流器起始点机靠近该处的周边位置处（该位置邻接于伸出的出口通道的入口）集流器内几乎没有切向流动。在那里，离开扩压器的气流由于整个压力方面的损失在进入集流器时突然地减速。在接近集流器端头的周边位置处，也就是接近出口通道处，大量的切向气流积聚在集流器内，而离开扩压器的气流进入集流器时就开始加速。随后，这些加速的气流由于总的压力方面的损失通常被减速。

另一方面，在提供一种超大型集流器的地方，来自扩压器的气流进入集流器时将绕着集流器的整个周边减速，这将导致更大的动能丧失。因此，常规的集流器不可能很好地保存离开带有叶片的扩压器的气体中的动能。

本发明的目的是克服上述缺点提供一种用于压缩机的变截面集流器。

本发明提供的离心式压缩机包括：

（a）一根旋转轴;

（b）一个装在该轴上的叶轮;

（c）一个围绕在叶轮周围的带叶片扩压器，该扩压器具有一个与叶轮的排出口相连通的入口和一个出口;

以及（d）一个绕着叶轮的新颖集流器。

所述的集流器本身就是本发明的一个方面，它包括：

（a）一个具有周边入口的外壳，该入口位于外壳的内径壁上并能够围绕在带叶片扩压器的出口周围并与其相连通;

（b）一个从外壳伸出的出口通道，该出口通道具有一个入口并在该入口处与外壳的外径壁形成一个锐角交叉部。

外壳在与锐角交叉部径向对齐的一个第一角度位置处具有一个大约为出口通道的入口面积40%至80%的径向截面面积。在该新颖集流器中，轴向远离外壳入口的外壳表面上在沿着出口通道的交叉处轴向高度上具有一个台阶，以便至少部分地将气流从外壳导引至出口通道，并且减小外壳内气流的回流。

该外壳的径向截面面积，即便在开始出现切向流动处的那一部分外壳，即邻近出口通道的入口处的径向截面面积也是足够的大，以便提供增压效应，减轻对进入气流角度的敏感性，并促进涡流。

下面结合较佳实施例和附图对本发明进行详细的说明，附图中：

图1是体现本发明提出的离心式压缩机的轴向剖视图;

图2是图1中所示的集流器的截面平面视图;

图3-9是沿图2中相应标号的箭头方向截取的图2中所示的集流器的各个截面的示图。

本发明的一个例子显示在图1-9中。在图1中，体现本发明的一个离心式压缩机包括一根其上装有一个叶轮14的旋转轴12。叶轮上具有叶片16用以将气体轴向吸入叶轮并径向排出。叶轮将气体排入一个围绕着叶轮的带叶片扩压器18。绕在扩压器周围的是一个集流器20，如图2所示，它包括一个大致为蜗壳形的外壳22，该外壳在各个不同的角位置处具有各个径向的截面;如图3-9所示。外壳22于其内壁26上具有一个周边入口24。内径壁是面朝蜗壳形外壳的中心轴线并位于垂直于轴线和与外壳表面相切的两个平面之间的壁部。入口24能够接纳来自准备作为新颖集流器的带叶片扩压器的气流。入口24的截面轴向高度的一端最好容许气流切向进入外壳横截面内。这样一种进入走向可以使进入的气流在到达集流器的外径壁之前部分地减速，从而将其一部分的速度转变成静压的增加。进入的切向走向还在集流器截面内促成了涡流，该涡流扫过集流器的内壁，从而减小了壁上的边界层厚度。这样就稳定了集流器内的切向气流，从而防止了气流与壁部的分离并减少了气流摩擦损失。

一个出口通道30从外壳22切向伸出。虽然出口通道并不一定要切向地伸出，但是对于减少能量损失来说，切向伸出比较好。由箭头8-8标示的出口通道的入口32，它的截面形状可与紧接着出口通道伸出口上游处的外壳截面形状相同，如图8所示，但也可以是其它的形状，例如，是圆形的。在蜗壳技术中，出口通道的入口被称作为喉部。在邻近出口通道入口的一个周向位置处，出口通道与集流器的外径壁形成一个锐角交叉部34。出口通道还与集流器的外径壁形成一个平缓的交叉部36。对于一个切向伸出的出口通道，形成锐角交叉部34的壁具有一个大约60°的夹角。形成锐角交叉部的壁的边缘为了制造的目的可以稍许成圆形，以便在该位置处更好地与流动方向配合。在蜗壳技术中，该锐角交叉部被称作为舌部。当出口通道切向伸出时，平缓的交叉部36本身也是切向的。

为方便起见，定义了一个参考角度38，它的起始点位于从外壳的轴线通过锐角交叉部的径向线上。当按初始方向离开平缓的交叉部测量时，也就是说，沿着外壳内指定的切向流动方向测量，参考角度为正的。在与锐角交叉部平齐的第一角度位置处，即参考角度为零度处，由箭头3-3标示的外壳径向截面面积是出口通道入口32的截面面积的大约40%至大约80%。这一位置是外壳内的切向流动的起始点。在外壳的这个起始部份径向截面面积具有这样一个尺寸，使从扩压器进入的气流出现一些突然的膨胀，但是相对于常规的集流器来说，这种膨胀较小而且损失也较低。然而，在起始部位的截面面积的尺寸足够的大，而外壳的外径壁离外壳入口的距离也足够的远，以致相对于一个蜗壳来说，对进入的气流倾斜角度的敏感度减小了，因而流量的损失也减少了。

在参考角度从大约120°至大约320°的第二角度位置处，外壳的截面面积是出口通道入口的截面面积的大约80%至大约100%。在图2中，这一位置由箭头5-5标示并显示在图5中。

从第一角度位置至第二角度位置，面积的转变可以追随一个线性关系，或者非线性关系，但是该转变最好是平顺的，在变化率上没有减小，也没有突然的变化，从而减小气流的压力损失。例如，在一个介于第一和第二角度位置中间的位置，例如由箭头4-4标示并显示在图4中的截面，其截面面积的大小介于在第一和第二角度位置的面积之间。在本文中所说的平顺意味着外壳壁的总的扩张角度不会超过15°台阶和突跃不超过0.01英寸，由率半径也不能小于0.5英寸。

在外壳中紧接前面的位置处，标记为第三角度位置，在该位置外壳中的大部分气流完全垂直于径向方向。这一位置在图2中由箭头6-6标示并显示在图6中。在本发明的一个实施例中，外壳的截面面积从第二角度位置至第三角度位置是恒定不变的。然后从第三角度位置至出口，外壳截面面积平顺地增大直至出口。

虽然这里描述的是一种截面面积从第一径向位置至出口通道入口增大的特定方案，但其它的面积变化方案，例如，一个线性增大的面积，也是可用的。在本发明中重要的是，外壳截面面积即便在外壳的起始部分，也就是说，在邻近出口通道入口处也是足够的大，以便使外壳能对从带叶片扩压器进入的气流提供一个增压效应。由于外壳内的周边压力变化被减小了，所以在叶轮的出口处施加一个更为均匀的压力，从而提高了叶轮的性能。在外壳起始部位的截面面积也有足够的大，以便在外壳内激发涡流。然而，与常规的集流器相比，截面面积在起始部位就减小了，以便在起始部位减少气流进入的膨胀损失。

在第一角度位置处的外壳截面（由箭头3-3标示）是一个带圆角的正方形或长方形，如图3所示。因此，外壁与入口隔开，允许进入的气流有一些扩散，以使该截面内的涡流发展并减小对进入气流角度的敏感性。截面面积从第一径向位置至出口的增大最好通过增大外壳的轴向高度来完成，同时维持其径向宽度不变。这样，截面就从正方形逐渐发展成长方形，如图3-6所示。与锐角交叉部径向对齐的第一角度位置处的外壳截面的轴向高度对径向宽度的比率最好约为0.85至1.25。其它形状的外壳截面也同样可用，例如，圆形，椭圆形和其它带圆角的多边形。多边形不一定要是等边或等角的。例如，一个平行四边形也照样可用，如带有一个80°锐角的平行四边形。

随着由轴向高度的增加而造成的外壳内截面面积的增大，外壳的截面面积的矩心保持在一个相对于外壳轴线恒定的半径上。这种恒定性减少了外壳内的旋涡扩散和压力变化，从而提高了叶轮的性能。

从外壳至出口通道的过渡最好由一个从外壳的入口轴向隔开的表面上（也就是如图3-7所示的外壳顶表面）的台阶40来完成。从由箭头6-6所示的角度位置（或大于该角度的位置）至由箭头8-8所示的位置，外壳的顶表面逐渐地从在箭头6-6处所达到的高度降低到箭头3-3所示剖面的高度。这种过渡显示在图7和图9中。在这些附图中的显著特征是入口24的上边缘46，外壳的下顶表面48和外壳的更高顶表面50。台阶40由箭头6-6所示的位置开始逐渐增大至由箭头8-8所示的位置，也就是说至外壳的锐角交叉处。这个台阶至少部分地将周边气流导入出口通道并减少外壳内周边气流的回流。

虽然本发明是参照特定的实施例和样本予以描述的，但应当理解到，它应该包括在权利要求范围内所有的变更型和等同物。

Claims (10)

1、一种用于离心式压缩机内的带叶片扩压器的变截面集流器，所述的集流器包括：

(a)一个具有周边入口的外壳，所述的周边入口位于所述外壳的内径壁上，所述入口能够围绕带叶片扩压器的出口周围并与其相连通；

(b)一个从所述外壳伸出的出口通道，所述出口通道具有一个入口并在所述入口处与所述外壳的外径壁形成一个锐角交叉部；

(c)所述外壳在与所述锐角交叉部径向对齐的一个第一角度位置具有一个大约为所述出口通道的入口面积40%至80%的径向截面面积；

(d)所述外壳从所述第一周边位置至所述出口通道入口在径向截面面积上具有平顺的过渡。

2、如权利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外壳在参考角度由所述锐角交叉部沿着在所述外壳内指定的切向流动方向从大约120°至大约320°的第二角度位置处具有的截面面积等于所述出口通道入口的截面面积的约80%至100%。

3、如权利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外壳从所述第一位置至所述第二位置具有一个基本上是恒定的径向宽度和一个逐渐增大的轴向高度。

4、如权利要求1所述的集流器，其特征在于所述外壳在所述第一角度位置处与所述锐角交叉部径向对齐的截面其轴向高度和径向宽度的比率大约为从0.85至大约1.25。

5、如权利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外壳截面矩心的径向位置的增加不会超出所述第一位置处的截面矩心的径向位置的20%。

6、如权利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外壳截面的矩心离所述蜗壳形外壳的中央轴线一段恒定的径向距离处。

7、如权利要求1所述的收集器，其特征在于所述外壳的内径壁在所述出口通道的交叉处沿轴向高度有一个台阶，以便将气流从所述外壳导入所述出口通道内并减少在所述外壳内的气流回流。

8、一种离心式压缩机，它包括：

（a）一根旋转轴;

（b）一个装在所述轴上的叶轮;

（c）一个围绕在所述叶轮周围的带叶片扩压器，所述扩压器具有一个与所述叶轮的排出口相连通的入口和一个出口;

和（d）一个绕着所述叶轮的集流器，其特征在于所述集流器包括：

（1）一个具有周边入口的外壳，所述入口位于所述外壳的内径壁上，所述入口能够围绕在带叶片扩压器的出口周围并与其相连通;

（2）一个从所述外壳伸出的出口通道，所述出口通道具有一个入口并在所述入口与所述外壳的外径壁形成一个锐角交叉部;

（3）所述外壳在与所述锐角交叉部径向对齐的第一角度位置具有一个大约为所述出口通道的入口面积40%至80%的径向截面面积;

（4）所述外壳从所述第一周边位置至所述出口通道入口在径向截面面积上有一个平顺的过度。

9、如权利要求8所述的压缩机，其特征在于所述集流器外壳从所述第一位置至所述第二位置具有一个基本上恒定的径向宽度和一个逐渐增大的轴向高度。

10、如权利要求8所述的压缩机，其特征在于所述外壳截面矩心的径向位置的增加不会超过所述第一位置处的径向位置的20%。

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