CN114846245A - 具有非恒定返回通道叶片螺距的返回通道和包括所述返回通道的离心涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于离心涡轮机(1)的返回通道(15)。该返回通道包括围绕返回通道轴(A‑A)布置的多个返回通道叶片(15.1)。每个返回通道叶片(15.1)包括：在距返回通道轴(A‑A)的第一距离处的前缘(15.3)、在距返回通道轴的第二距离处的后缘(15.5)，第二距离小于第一距离。在每对相邻布置的返回通道叶片(15.1)之间限定相应的流动通路。返回通道叶片(15.1)围绕返回通道轴(A‑A)以非恒定螺距布置。

Description

具有非恒定返回通道叶片螺距的返回通道和包括所述返回通 道的离心涡轮机
说明书
技术领域
本公开涉及径向涡轮机。更具体地，本公开的实施方案涉及离心涡轮机，诸如离心压缩机和/或离心泵，包括一个或多个新颖的叶片式(bladed/vaned)返回通道。
背景技术
离心压缩机用于多种应用中以增强气体的压力。离心压缩机包括固定部件诸如壳体，和被布置成在壳体中旋转的一个或多个叶轮。递送到叶轮的机械能通过旋转的叶轮以动能的形式传递到气体。由叶轮加速的气体流通过周向围绕每个叶轮的漫射器，其收集气体流并降低其速度，从而将动能转换为气体压力。如果压缩机包括多个叶轮，则返回通道布置在上游叶轮的漫射器与下游叶轮的入口之间，以将气体从上游叶轮向下游叶轮输送。
为了更好地引导气体流通过漫射器和返回通道并改进压力恢复，已经开发了叶片式漫射器和叶片式返回通道。在改进压缩机效率的同时，叶片式(bladed/vaned)返回通道产生压力脉冲，所述压力脉冲激发布置在返回通道下游的叶轮的叶片的振动。叶轮振动可能由于高周疲劳(HCF)引起叶轮故障。当由布置在其下游的叶轮中的叶片式返回通道激发的振动的频率接近叶轮的临界频率或与其一致，使得可生成谐振现象时，这一问题尤为突出。目前，为了限制这个问题，选择返回通道叶片的数量，使得由下游叶轮上的返回通道诱导的振动的频率不与叶轮的谐振频率一致。
在本领域中将欢迎一种改进的返回通道设计，旨在更有效地减小压缩机叶轮中的振动。
发明内容
根据一个方面，本文公开了一种用于离心涡轮机(具体地是离心压缩机)的新颖的叶片式(bladed/vaned)返回通道。所述返回通道包括围绕返回通道轴布置的多个返回通道叶片。每个返回通道叶片包括前缘和后缘。在每对相邻布置的，即连续返回通道叶片之间限定相应的流动通路。返回通道叶片围绕返回通道轴以非恒定螺距布置。
根据另一方面，本文公开了一种离心涡轮机，具体地是离心压缩机，其包括固定部件，诸如壳体，和至少两个叶轮，所述至少两个叶轮被布置成在固定部件(即，在壳体中)旋转。漫射器布置在每个叶轮的下游。此外，如上所述的新颖的叶片式返回通道布置在第一叶轮和第二叶轮之间。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1示出了压缩机的一部分的示意性截面图；
图2示出了在一个实施方案中根据与旋转轴正交的平面的返回通道的示意性截面图；
图3示出了返回通道的一部分的等距视图；
图4示出了在另一实施方案中根据与旋转轴正交的平面的返回通道的示意性截面图；并且
图5和图6示出了显示对根据背景技术的实施方案和图2和图4的实施方案中的叶轮振动的谐波量分析的比较图。
具体实施方式
为了减小离心涡轮机(具体地是离心压缩机)中的叶轮叶片的振动，涡轮机的一个、一些或全部返回通道的叶片(blade/vane)根据非恒定螺距布置，即限定返回通道流动通路的至少一对返回通道叶片之间的间距不同于限定另一返回通道流动通路的至少另一对返回通道叶片之间的间距。在减小叶轮叶片振动的振幅方面，非恒定螺距具有有益的影响，如下文将详细描述。
现在参考图1，示出了离心压缩机1的一部分。图1的截面限于离心压缩机的两个级。压缩机级的数量并且因此叶轮的数量根据压缩机设计和压缩机要求可在不同的压缩机中有所不同。根据本公开的返回通道的新颖特征可以体现在压缩机中提供的一个、一些或优选所有返回通道中。
压缩机包括固定部件3，诸如壳体3，其中布置了分离连续压缩机级的隔膜5。每个压缩机级包括支撑用于在壳体3中旋转的叶轮7。叶轮7可以收缩配合在旋转轴9上。在未示出的其他实施方案中，根据离心压缩机领域的技术人员已知的设计，叶轮7可以是堆叠的叶轮，并且本文未公开。叶轮7和轴9累积地形成压缩机转子，所述压缩机转子被布置成围绕旋转轴A-A在壳体3中旋转。叶轮7具有叶轮轮毂7.1，其中多个叶轮叶片7.3从其伸出。每个叶轮叶片7.3具有前缘7.5和后缘7.7。前缘7.5沿叶轮入口布置，并且后缘7.7沿叶轮出口布置。在图1所示的实施方案中，叶轮7还包括护罩7.9。在其他实施方案中，叶轮7可以是半开式叶轮，在这种情况下，将省略护罩7.9。
在每个叶轮出口周围布置漫射器11。每个漫射器11围绕叶轮7的出口并与其同轴，即漫射器11的中心轴与叶轮7的旋转轴A-A重合。
在图1的实施方案中，漫射器11是所谓的叶片式(vaned/bladed)漫射器。每个叶片式漫射器设置有围绕漫射器轴A-A布置的多个漫射器叶片11.1。漫射器叶片11.1的目的是沿更径向的方向重新引导进入的气体流，即减小进入漫射器11的气体流的速度的切向分量并增加压力恢复和总体级效率。每个漫射器叶片11.1包括前缘11.3和后缘11.5。
在其他实施方案中，漫射器11可以是非叶片式漫射器，即可以省略漫射器叶片11.1。
在每个漫射器11(除了在最下游叶轮之后的那个漫射器(未示出))的下游提供了回转弯头13。回转弯头13在离开漫射器11的气体流的方向上从径向向外到径向向内产生180度转弯。在回转弯头13之后，提供返回通道15，其将来自回转弯头13的气体流向内引导到下一叶轮7。返回通道的功能是以最小损失将气体流均匀地递送到其下游的每个叶轮7。每个返回通道15设置有多个返回通道叶片(vane/blade)15.1。每对相邻布置的返回通道叶片15.1在其间形成气体流通路。返回通道叶片15.1的形状和分布将在下文更详细地描述。如上所述，最下游漫射器未设置有回转弯头13，而是流体地联接到涡形管(未示出)，其收集来自最后一个压缩机级的气体流。涡形管继而流体地联接到压缩机出口(未示出)。
继续参考图1，图2和图3示出了在一个实施方案中的返回通道15中的一个返回通道和相关返回通道叶片15.1的截面视图和等距视图。可以为压缩机1的所有返回通道15或其中的一些返回通道提供类似的配置。
返回通道叶片15.1围绕与旋转轴A-A重合的返回通道轴周向布置。每个返回通道叶片15.1包括前缘15.3和后缘15.5。前缘15.3在距轴A-A的第一距离处布置，并且后缘15.5在距轴A-A的第二距离处布置，第二距离小于第一距离。
在一些实施方案中，返回通道叶片15.1可以具有弯曲形状，具有凹面压力侧和凸面吸力侧，两者均从前缘延伸到后缘，如图2所示。可提供其他更简单的形状，其中每个叶片的吸力侧和压力侧相对于叶片的弧线基本上对称。
在图2的实施方案中，返回通道叶片15.1全部具有相同的形状。此外，返回通道叶片15.1全部布置在距返回通道15的中心轴A-A的相同距离处，使得返回通道叶片15.1的前缘15.3和后缘15.5全部分别布置在外圆周上和内圆周上。然而，这不是强制性的，并且替代实施方案是可能的。例如，返回通道叶片15.1可以具有可变弦。弦是叶片的前缘与后缘之间的距离。此外，后缘和/或前缘可以布置在距返回通道15的中心轴A-A的可变径向距离处。即，可以存在至少两个返回通道叶片15.1，其具有布置在距中心轴A-A的两个不同距离处的相应后缘15.5，并且/或者至少两个返回通道叶片15.1可以具有布置在距中心轴A-A的两个不同距离处的相应前缘15.3。
另外，返回通道15可以在切线方向以及流动方向上具有可变轮廓和/或可变高度。此外，返回通道叶片15.1也可以具有可变倾斜度。
如图2所示，间距S(即，在其间形成相应流动通路的两个相邻或连续返回通道叶片15.1之间的螺距)是非恒定的。螺距或间距变化可以遵循不同的标准。图2的实施方案提供了18个叶片，布置成形成四个90°扇区。所述扇区中的两个扇区包括彼此以18°布置的五个叶片，而其他两个扇区包括以22.5°布置的四个叶片。针对图2中的每个流动通路指示每对相邻返回通道叶片15.1之间的角度。因此，在此实施方案中，返回通道叶片15.1的分布是规则的，即分布螺距在围绕返回通道15的完整360°延伸的后续扇区中重复。
在其他实施方案中，分布可以是完全随机的，如例如图4中所示。此处，18个返回通道叶片15被布置成使得限定相应流动通路的连续或相邻返回通道叶片15.1之间的角度随机变化，例如从17°的最小值到23°的最大值。可变角度间距对应于相邻返回通道叶片15.1对之间的可变螺距。
可以从图5和图6的两个图理解非均匀或非恒定分布的返回通道叶片15.1对叶轮叶片7.3的振动的影响，图5和图6示出了在三种不同情况下表示激发源的相应谐波量。在两个图中，圆周顺序绘制在水平轴上，并且振幅绘制在垂直轴上。
更具体地，在图5中，示出了当前技术的离心压缩机中的谐波量与包括根据图2的返回通道叶片15.1的分布模式(即分别为18°和22.5°的两个不同螺距的常规重复)的压缩机中的谐波量的比较。谐波量基本上由非恒定螺距增加，并且激发振幅减小。
图4的实施方案表示对图2的实施方案的进一步改进，如可从图6中理解。图6中所示的图示出了在图2的实施方案中的谐波量与图4的实施方案中的谐波量的比较，根据图4，返回通道叶片15.1以完全随机方式布置。与图2的实施方案相比，谐波量进一步增加，并且最大激发振幅进一步减小。
作为进一步的改进，返回通道叶片15.1的螺距和弦可以彼此相关，以进一步改进涡轮机的效率。更详细地，可以选择螺距和弦，使得限定在两个相邻返回通道叶片15.1之间的相关流动通路的密实度保持基本上恒定。密实度是叶片弦(即，叶片的后缘与前缘之间的距离)与两个连续叶片之间的螺距之间的比率。在本上下文中，定义“基本上恒定”可以被理解为处于围绕恒定预设密实度值的+/-20％的范围内的密实度。根据本文公开的实施方案，“基本上恒定”可以被理解为保持在围绕预设恒定密实度值的+/-10％的范围内、并且优选地为+/-5％的范围内并且更优选地为+/-2％的范围内的密实度。
弦和螺距之间的相关性使得将由返回通道叶片15.1之间的螺距增加而引起的密实度减小至少部分地由弦长度增加来抵消。
更具体地，返回通道叶片15.1的弦B与螺距(即，连续或相邻的返回通道叶片15.1之间的间距S)相关，使得在连续返回通道叶片15.1之间形成通路的返回通道叶片15.1中的一个返回通道叶片的增加的弦B如下重新平衡通路密实度：
Figure BDA0003709700630000061
其中Bi是限定第i个通路Pi的两个返回通道叶片15.1中的一个返回通道叶片的弦。更具体地，Bi是返回通道叶片的弦，该叶片的吸力侧面向第i个通路Pi。在本发明情况下，将返回通道流动通路的密实度定义为其吸力侧面向流动通路的返回通道叶片15.1的弦与两个返回通道叶片15.1(其间限定流动通路)之间的螺距之间的比率。
通过使每个第i个流动通路Pi的第一返回通道叶片15.1的弦B取决于形成该通路的两个返回通道叶片之间的螺距或间距Si，由螺距变化引起的密实度变化的影响由弦变化进行平衡。
因此，通过利用相关返回通道叶片11.1的弦的增加来平衡将由螺距增加引起的密实度减小，实现了螺距变化在叶轮振动减小方面的有益效果，而对压缩机可操作性没有负面影响。
在优选实施方案中，每个返回通道叶片弦Bi与每个第i个流动通路Pi的螺距或间距Si之间的关系使得所述流动通路的所述密实度σPi保持恒定。
然而，严格恒定的密实度值不是强制性的。如果密实度围绕预设值保持基本上恒定，也可以实现在增强的压缩机可操作性方面的有益效果。根据本文公开的实施方案，“基本上恒定”可以被理解为保持在围绕预设恒定密实度值的+/-10％的范围内、并且优选地为+/-5％的范围内并且更优选地为+/-2％的范围内的密实度。
为了改进的振动减小，也可以根据变化的，即非恒定或非均匀的螺距来布置漫射器叶片11.1。
上述实施方案具体地指离心压缩机。然而，根据本公开的新颖的返回通道也可有利地在离心泵中使用，所述离心泵具有类似于图1所示的结构的结构。
上文已经公开了示例性实施方案并且在附图中说明。本领域技术人员将理解，在不脱离如以下权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，可以对本文具体公开的内容进行各种改变、省略和添加。

Claims (13)

1.一种用于离心涡轮机(1)的返回通道(15)，所述返回通道包括围绕返回通道轴(A-A)布置的多个返回通道叶片(15.1)；其中每个返回通道叶片(15.1)包括：在距所述返回通道轴(A-A)的第一距离处的前缘(15.3)、在距所述返回通道轴的第二距离处的后缘(15.5)，所述第二距离小于所述第一距离；其中在每对相邻布置的返回通道叶片(15.1)之间限定相应的流动通路；其特征在于，所述返回通道叶片(15.1)围绕所述返回通道轴(A-A)以非恒定螺距布置。
2.根据权利要求1所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)根据随机螺距布置。
3.根据权利要求1或2所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)具有非恒定弦。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)在切线方向和/或流动方向上具有可变轮廓。
5.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)具有所述前缘(15.3)的可变径向位置。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)具有所述后缘(15.5)的可变径向位置。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)具有可变倾斜度。
8.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道高度在切线方向和/或流动方向上是可变的。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的返回通道(15)，其中所述返回通道叶片(15.1)具有可变长度的弦；其中选择每对相邻布置的第一返回通道叶片和第二返回通道叶片(15.1)之间的所述螺距(S1,S2)以及所述第一返回通道叶片(15.1)和第二返回通道叶片(15.1)中的一者的所述弦，使得每个流动通路的密实度保持在围绕恒定密实度值的范围内。
10.根据权利要求9所述的漫射器(11)，其中所述范围等于所述恒定密实度值的+/-20％，优选地等于所述恒定密实度值的+/-10％；更优选地为+/-5％，并且甚至更优选地为所述恒定密实度值的+/-2％。
11.一种离心涡轮机(1)，所述离心涡轮机包括：
固定部件(3)；
被布置成围绕旋转轴(A-A)旋转的至少第一叶轮(7)和第二叶轮(7)；
围绕所述第一叶轮(7)的第一漫射器(11)和围绕所述第二叶轮(7)的第二漫射器(11)，所述第一漫射器和所述第二漫射器适于将来自所述相应叶轮(7)的流体流的速度转换为压力；和
根据前述权利要求中任一项所述的布置在所述第一漫射器(11)与所述第二叶轮(7)之间的返回通道(15)。
12.根据权利要求9所述的涡轮机(1)，其中所述漫射器(11)是叶片式漫射器，并且其中所述漫射器叶片(11.1)根据恒定或非恒定螺距布置。
13.根据权利要求11或12所述的涡轮机，其中所述涡轮机是离心压缩机。
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