CN1871438A - 离心压缩机的扩压器 - Google Patents

Abstract

一种离心压缩机(60)的扩压器(30)，该扩压器(30)具有形成在扩压器叶片(32)前缘部分(36)和相邻扩压器壁面(70)之间的流动狭槽(34)，该狭槽为工作流体(67)提供了从叶片的压力面(40)流到吸力面(42)的通道。通过叶片的部分工作流体(38)喷射到流动边界区域(43)内，从而使沿吸力面的流动分离区(58)的增长最小化。

Description

离心压缩机的扩压器

相关申请

本申请要求于2003年9月24日递交的申请号为60/505885的美国临时专利申请的优先权。

技术领域

本申请通常涉及涡轮机领域，尤其是涉及离心压缩机的扩压器。

背景技术

众所周知，离心压缩机利用扩压器来将离开压缩机叶轮的工作流体的一部分动能转变成静压力，这个转变过程是通过工作流体经过膨胀流体区域时降低流速来实现的。扩压器可以带有通常称为是叶片的翼型，它用于导引工作流体通过膨胀体来增强上述能量转变过程，其中每一个叶片具有相对于工作来流的攻角的压力面和吸力面。图1示出了现有技术中的扩压器10在一定条件下如何在扩压器叶片16的吸力面14形成大流动分离区12。该流动分离区12基本上是流动边界层，这里的速度要比流体的其他地方低，所以会阻碍整个流体的流动速率。流动分离区12产生扭曲的压缩机排出流18，因此会降低压缩机的效率，可能还会导致压缩机的失速和喘振现象，这样会对压缩机和/或涡轮增压式发动机的下游区域造成破坏。对于压缩机作为铁路机车上柴油机涡轮增压器的实施例而言，当机车运行在高纬度、低环境温度和高空气温度的条件下时，该压缩机最容易出现失速和喘振事故；例如当机车恰好从高纬度的隧道驶出时。

如图1所示，压缩机扩压器叶片16设计的传统理论是提供从叶片前缘22到尾缘24的连续表面20，从而使暴露在吸力面14和压力面26之间的压差下的叶片表面积最大化。需要以一种折衷的方式来选取叶片的位置和角度的，即，既要防止流体的失速，又要维持有望冲击道叶片上的各种进入气流的攻角的有效压力恢复。

附图说明

图1示出了现有技术的离心压缩机中的扩压器叶片吸力面上的流动边界层分离现象。

图2示出了狭槽式扩压器叶片的吸力面上的流动条件。

图3是现有技术的叶栅扩压器的压缩机图。

图4是具有狭槽式叶片的多级扩压器的压缩机图。

图5是具有狭槽式扩压器叶片的压缩机的局部剖面图。

图6示出了具有狭槽式叶片的岛式扩压器(island diffuser)的喉部区域。

图7示出了开槽叶片叶栅式扩压器的喉部区域。

图8是从叶片压力面至吸力面具有若干流道的压缩机扩压器的局部剖面图。

图9是带有具有前缘支撑件的狭槽式叶片的一部分扩压器的透视图。

具体实施方式

申请人通过实验已发现，在为实现扩压器性能最佳化的现有技术中离心压缩机的设计中，由于在叶片吸力面上形成有流体分离区域，因此压缩机的效率可能会降低，并且叶片很可能会引起喘振，从而导致压缩机失速。另外，正如以下将详细说明的，申请人已发现通过形成流动开孔，让部分工作流体从叶片压力面流经或流过吸力面，从而流体分离区域可以变小或消除，效率因此得到提高，并且喘振或失速发生的可能性也将降低。

图2示出了一改进后的离心压缩机的扩压器30。扩压器叶片32均包括允许部分工作流体38从叶型的压力面40流到吸力面42的开孔。此开孔在图2里作为形成在叶片32的前缘部分36和匹配的扩压器壁部件间的狭槽34。为了更清楚看到叶型和工作流的流动路径，该匹配的壁部件没有在图1和2中示出；然而，将要理解的是，扩压器的相对壁部件可安置在叶片的上方和下方并且延伸在叶片之间，以在其间限定工作流体的流道。狭槽34允许部分工作流体38从叶片压力面40至吸力面42而流过叶片32，从而重新激励贴着吸力面42流动的工作流体的流体边界区域43，并因此使任何可能趋于形成的流体分离区44最小化。相信是流过叶片32的部分工作流体38产生了干涉流体分离区生长的涡流。图1与图2的对比示意性地说明了在相同入口攻角和流动条件下，与现有技术的叶片16相比，叶片32的流动分离区域44尺寸减小并且出口流46的均匀性改善。

图3和图4的对比提供了一种图解性的示例，它表明通过采用图2的狭槽式扩压器叶片32将使压缩机的性能得到提高。图3和图4是传统压缩机性能曲线图，每一个图形包括若干基本上水平的线，代表压缩机在各自经温度校正的压缩机运行速度下的压缩机的性能(经温度校正的流速与压缩机分级压力的比)。图3是使用现有技术中叶栅扩压器的压缩机的性能曲线图50，该扩压器具有图1所示的那种叶片。图4是已经作了改进的从而包括与图2所示的那些类似的流动狭槽34的同一压缩机的等效图(equivalent map)52。注意图4压缩机的工作速度在任何给定的压缩机运行速度下都能够获得扩展的流速范围(即，扩展至相对较低和较高流速的曲线的更长的水平部分)。喘振线54，56是通过连接各个校正后的速度线的左端(低速流)点形成的。通常，在相同条件下，图4的压缩机能在发生失速现象之前就可运行在较低流速下。同样也要注意图4里改进型设计的各个性能线的右侧一般不如图3的性能线的右侧下落得快。线58，60(阻塞流)通过连接各个校正后的速度线的右端(高速流)点形成的。这两条线的差别显示了图4压缩机比图3现有技术中的压缩机要具有提高的流速效率。由于采用了流动开口34而得到的性能提高，可提供防止失速/喘振事故产生的改良幅度或者部件设计者可采用其它的方式来利用它以提高部件设计的整体性能。

流动开口狭槽34是当组装扩压器30时形成于叶片32和与其匹配的扩压器壁之间的间隙(在图2中未示出)。叶片32通常是与基盘形成一体，如用一单件材料来加工这些部件，或者把单独形成的叶片焊接到基盘上。可以在每一叶片顶部表面被连接到各自相应的扩压器壁之前将凹口或者凹槽加工在这些表面内从而使其在压力侧40和吸力侧42之间延伸。当组装扩压器30时，这些凹口表示将材料去掉，从而沿着最接近相匹配的扩压器壁的叶片前缘部分36限定了流动狭槽34。

图5是包含图2改进型扩压器30的压缩机60的局部剖面图。叶轮62在进气外壳64和压缩机外壳70之间可旋转，以使压缩工作流体67流过扩压器30并进入道排风机外壳66内。扩压器叶片32位于相对的扩压器壁之间；在此实施方式里，一个壁为扩压器基盘68，另一相对壁为压缩机外壳70。流动狭槽34形成在与外壳70相邻的扩压器叶片32的前缘处。

图6是改进型叶片岛式扩压器(楔型扩压器)72的局部俯视剖面图。图7是改进型多级扩压器74的局部俯视剖面图。这些各自扩压器72，74的喉部76，78是相邻叶片沿它们各自的弦长方向在它们最近点之间的距离。本发明的流动开口可以从叶片前缘或者从前缘下游一点处沿着叶片弦长延伸合适的距离，例如，在多种实施方式里其范围从叶片弦长的至少5％到不多于25％或不多于38％。如图6所示，流动狭槽可以仅沿叶片前缘部分从叶片喉口处向上游延伸，而不是从喉部延伸到喉部的下游点处。

槽的深度可为合适的尺寸，如在一个实施例中，是不多于垂直于叶片弦长的叶片高度的10％，或者在另一实施例里，不多于该叶片高度的5％。因为开口定义了流体流动的路径，所以为避免工作流体带入碎屑而引起的堵塞现象，因此需建立实际上的最小距离值，例如50密耳。

从扩压器翼型的压力侧到吸力侧形成流动开口的准确位置和几何形状可根据不同的应用场合发生变化。流动路径可以是单个开口或者是沿叶片弦长间隔的多个开口。这些多个开口中的每一个可以有相同或不同的几何形状。流动狭槽被认为最好形成在叶片和相应的相对壁的接合处，这是因为流动分离一般首先是沿着这个角落产生。然而，在某些实施方式中，开口可以形成在稍微移出相邻壁面的叶片内，或者如图8所示，形成在匹配的壁面部件内。图8是具有叶片82的压缩机扩压器80的局部剖面图，该叶片连接在相对壁面84，86之间从而指引工作流体88的流动。至少有一个钻穿叶片82的孔90，使最接近第一壁面84的压力面上有入口，吸力面有出口，以允许工作流体88的第一部分流经那里。孔90的出口位于叶片82的喉口位置89上游处的吸力面上(虚线所表示的)。工作流体88的第二部分可以通过作为槽92形成在第二壁面86内的开口从压力面流到吸力面一侧。沿叶片82弦长的孔90和槽92的位置可被选择为以优化旁通流对下游流动分离区形成的影响。从制造方面来看，这样是方便的，在使壁面与叶片相匹配之前，将流动开口形成为沿着压力侧和吸力侧之间叶片上表面的机加工槽，和/或是将其形成为扩压器壁面里的机加工凹槽。在某些实施方式中，理想的是，将流动狭槽形成在最接近于两个相对的扩压器壁面的叶片两相对侧上。

通常地，希望产生最少的旁通流通过叶片，其中所述旁通流是将叶片吸力面上的流动分离区的扩张抑制到一定程度所必需的，从而能够使出口流分布和扩压器的低高速流动的性能达到预期程度的提高。通常，更多的旁通流将会使低高速流动的性能得到更大的改进，同时还会使压缩机最高效率相应的降低，因此，建议对于某一专门应用而言，应对达到理想的旁通流开口几何形状进行成本/效益分析。诸如对于本申请受让人制造的现代机车所使用的涡轮增压器扩压器而言，通常扩压器叶片可以有大约4英寸的弦长和大约0.9英寸的叶片高度。在这种装置中，已对宽度为0.050英寸和0.085英寸并大约沿着弦长的15％延伸的流动狭槽进行了成功的测试。

图9是另一实施例的局部透视图，其中在叶片98的前缘96和扩压器壁面100之间使用了支持连接件94，如果有必要或理想的是为叶片98的前缘96提供机械支持。流动开口102从支持连接件94处沿着叶片98的前缘部分向下游延伸。这个支持连接件94可以是叶片材料的整体延伸部或者是例如可通过焊接制造而成，或者是单独连接的片状材料。在一个实施例里，对于机车涡轮增压器压缩机而言，流动开口102可以从如上面所述的叶片98的前边缘96向后大约0.1英寸处开始。前边缘支持件可以用来处理扩压器叶片的振动问题，尤其是薄叶片扩压器的振动问题。这种振动可由压缩机叶轮叶片和扩压器叶片之间流动的相互作用引发。支持件94会对叶片98的前边缘96产生机械约束，所以该支撑件可以防止对部件寿命造成损害的过度振动。

这里在对本发明的一些优选特征加以了图示和介绍的同时，明显地是，仅仅是以示例的方式来提供这些实施例。在不偏离本发明的前提下，对于本领域的技术人员而言，可进行各种改变和替换。因此，本发明仅仅由所附权利要求的精神和范围来限定。

Claims (10)

1、压缩机(60)的扩压器(30)，该扩压器包括：

相对的壁面(68，70)，它们为接收来自叶轮的工作流体(67)定义了位于压缩机叶轮(62)下游处的空间；

叶片(32)，它包括连接在所述相对壁面之间的压力面(26)和吸力面(14)，用于指引工作流体通过所述空间；

流动狭槽(34)，它形成在叶片和一个壁面之间，该流动狭槽从叶片喉部(76)处沿着部分叶片向上游延伸，使部分工作流体(38)从叶片的压力面流到吸力面，从而抑制叶片吸力面上流动分离区(44)的扩张。

2、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽包括形成于叶片表面内的凹槽(34)，该凹槽是在将该叶片表面连接到相应相邻的壁面上之前形成的。

3、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽延伸到叶片的前缘(22)。

4、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，该槽从叶片前缘(22)下游一点处向下游延伸，从而在叶片和前缘处的一个壁面之间限定了支持连接件(94)。

5、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽具有垂直于叶片弦长的高度，其不多于垂直于叶片弦长的叶片总高度的5％。

6、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽具有垂直于叶片弦长的高度，其不多于垂直于叶片弦长的叶片总高度的10％。

7、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽沿着不多于叶片弦长的25％延伸。

8、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动狭槽沿着不多于叶片弦长的38％延伸。

9、如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，流动槽沿着至少叶片弦长的5％延伸。

10、一种压缩机(60)，其包含如权利要求1所述的扩压器(30)。

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