CN100406683C - 用于涡轮压缩机的再循环结构 - Google Patents

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Abstract

用于涡轮压缩机的再循环结构，具有一设置在叶片轮缘(29至32)的叶片自由端(25至28)区域内的径向与主流动通道邻接的环形腔(29至32)，和具有大量设置在环形腔内的均布在其圆周上的导向元件(37至40)，其中环形腔在前部和/或后部区域内可以圆周方向流通流体，并且导向元件与环形腔的至少一个壁固定连接并且此外还构造成悬空的。导向元件朝向环形腔的尖端伸展到主流动通道的轮廓上和/或附近，并和叶片自由端轴向重叠或者与叶片自由端的区域轴向邻接。

Description

用于涡轮压缩机的再循环结构
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮压缩机的再循环结构。
背景技术
很久以来就已知用于涡轮压缩机的再循环结构，在本技术领域通常称之为“机匣处理”(Casing Treatments)，它的首要任务是，提高涡轮压缩机的空气动力学的稳定运行范围，其中将所谓的喘振界限推移到更高的压缩压力，亦即更高的压缩机负荷。对于局部的流动图和最终对于压缩机的喘振有影响的扰动在机壳一侧出现在一个或多个压缩级的工作叶片末端上，而在轮毂一侧则出现在位于径向内部的导向叶片端部上，因为在这些区域内空气动力负荷最大。通过在叶片尖端之间的再循环以叶片转速旋转的、具有较小能量的“空气颗粒”进入主气流，在能量加大的情况下使叶片端部区域内的流动重新稳定。因为流动干扰通常在压缩级周边不是均匀出现，除了基本上轴向的再循环外，在流体力学方面应该也可以在圆周方向平衡。已知“机匣处理”的主要缺点在于，它虽然提高了喘振界限，但同时又降低了压缩机效率。
DE 3322295C3涉及一种带“机匣处理”的轴流式风机的专利保护。在那里公开了一环形腔(8)，它里面固定安装导向元件(9)。在下游区域工作叶片端部上方有一沿圆周方向开口的区域，导向元件不延伸到该区域内。这种类型的“机匣处理”的特征是有一大致与主流动通道对齐的封闭环(7)，它将再循环结构后部的入口区与前部的出口区分开，并形成一光滑的封闭表面区。
由DE 3539604C1已知一种完全相似的“机匣处理”，其中这里在环形腔(7)的前部和后部区域内存在一沿圆周方向开口的区域。在这里还可看到位于径向内部的环6。
由US 5,282,718A已知一种新的“机匣处理”。这里在流体力学方面改进了环形腔(18，28)和导向元件(24)。这里再循环流动的入口和出口也通过一整体的朝向叶片的光滑和封闭的环隔开。这种在叶片区内的环对于在与叶片端部接触的情况通常必须配备摩擦涂层或导向涂层(Anstreif-bzw.Einlaufbelag)。
由EP 0719907A已知一种具有一在叶片区内的环和一在朝向叶片的环表面上的导向涂层的“机匣处理”。这里环称为“第三弯曲元件”(第46项)，导向涂层称为“摩擦材料涂层”(第72项)。这里称为“叶片壁”(第64项)的导向元件径向向外设置在环上(第46项)以及其前棱和后棱上(第78和80项)。
还存在其他带轴向或轴向倾斜槽的“机匣处理”，例如在US 5,137,419A中所公布的那样。对此这里将不加考虑，因为在这种方案中槽相互缺少连接，在圆周方向不可能有流动平衡。
US 4,511,308A申请保护具有构造得不同的“机匣处理”的风机(风扇、鼓风机)。按图6的最简单的结构只有一个不带导向元件的环形腔。在按图1和3的结构中导向元件固定在环形腔内，上游的机壳壁(22)按圆柱形或圆锥形管接头的形式一直延长到导向元件(21)的径向内棱边上方，使得在上游环形腔的前端处不可能有再循环流动进入主气流。图5表示导向元件(21)，它们固定在环形腔的前端壁和外围上，此外做成悬空的，这里不存在管状或环形的、在圆周方向连接和覆盖导向元件的元件，导向元件(21)的在径向内部的自由棱边从前向后从入口壳体(15)直径加大到环形腔(16)的最大直径。因此虽然导向元件在下游区域内与叶片末端(14)的上游区域轴向重叠，通过这个区域在导向元件(21)和叶片末端(14)之间形成大的径向距离，但是不可能有效和确定地引导再循环空气。此外缺点是环形腔(16)相对于工作叶片尺寸大的体积。这种类型的结构不管在空气动力学方面还是结构方面都不适合于涡轮压缩机。
发明内容
鉴于按现有技术方案的缺点，本发明的目的是，提供一种用于涡轮压缩机的再循环结构，它可以显著提高喘振界限，从而显著加大稳定的工作区，而不使压缩机效率有明显恶化。
为此，本发明提供一种用于涡轮压缩机的再循环结构，具有一在一叶片轮缘的叶片自由端区域内与压缩机轴线同心设置的环形腔，其轴向中点位于叶片自由端的上游，亦即叶片自由端的轴向中点之前，并在径向与所谓环形腔的主流动通道的轮廓邻接；还具有许多设置在环形腔内的、在其圆周上均布的导向元件，其中环形腔在前部和/或后部区域内可以沿圆周方向流通流体，导向元件与环形腔的至少一个壁连接并且此外还构造成悬空的，其特征为：导向元件从径向最靠外的环形腔壁或径向最靠内的环形腔壁向主流动通道延伸，使导向元件在环形腔的整个径向高度上延伸，导向元件朝向环形腔的自由尖端伸展到主流动通道的轮廓上和/或附近，并与叶片自由端轴向重叠，或与叶片自由端的区域轴向邻接，环形腔在主流动通道轮廓上的轴向长度与叶片末端的轴向长度之比为0.2至1.5。
本发明的构思在于，导向元件朝向环形腔的尖端位于主流动通道的轮廓上或附近，并与叶片自由端轴向重叠，或轴向与叶片自由端区域邻接。这里可以取消带有摩擦涂层等等的环形元件。上述专利资料显示，本技术领域至今在各方面试图，将朝向主流动通道的，亦即朝向所谓的环形腔的再循环结构在尽可能大的轴向范围内做得光滑、无间隙和封闭，以造成主流动通道轮廓尽可能有利于流动和损失少的加长。与此不同本发明造成间隙、开裂的表面等等，从而显得有缺点和不适宜。但是试验表明，本发明的再循环结构不管在喘振界限方面还是效率方面都优于已知方案。这在空气动力学方面可以这样解释，即在带有悬空导向元件的开口环形腔内再循环流动的自由、非强制形成和在圆周方向的流通连通比主流动通道轮廓尽可能无间隙地加长更重要。缺少一个封闭的环还有另一个优点，即对于导向元件不需要摩擦涂层或导向涂层，并节省径向结构空间以及重量，这造成结构力学方面的好处。但是只有导向元件的外露棱边分布在比较靠近叶片棱边和轴向部分地与叶片棱边重叠或至少与其区域邻接时，才能达到再循环流动确切的导向-不用环形元件。只有这样最终才有可能达到紧凑的、适合于压缩机的“机匣处理”。环形腔轴向长度与叶片末端轴向长度之比最好为0.2至1.5。在叶片末端处具有大的轴向尺寸的宽叶片时比例接近于0.2，在叶片末端处具有小的轴向尺寸的窄叶片时比例接近于1.5。
在优选结构中，环形腔径向高度与轴向长度之比为0.1至1.0。在安装位置、轮廓曲线等等方面具有非常严格规定的航空发动机中，人们试图用一个小的比例亦即小的径向高度满足要求。在具有足够安装位置的固定式应用场合可以宁可接近上限。在轴向短的环形腔时更多地接近于上限。
此外优选地，导向元件朝向环形腔的尖端至少在叶片自由端区域内径向缩回这么远，使得在正常运行时叶片末端和导向元件之间不发生接触。这考虑这样的事实，即工作叶片尖端在擦上特别是硬的不能弯曲的导向元件尖端时可能受到损坏。导向元件尖端的后端与尖端应该在或接近主流动通道的轮廓的要求不矛盾，因为用来避免擦碰的小的径向间隙量在流体力学方面实际上无关紧要，亦即对再循环没有不利影响。
由下文可进一步得知本发明再循环结构的优选结构。本发明提出的再循环结构可以用于涡轮压缩机、航空发动机和固定式燃气轮机。
附图说明
接着借助于附图详细地说明本发明。其中用简化的、不按比例的视图表示：
图1一轴流式压缩机在机壳一侧的再循环结构区域内的局部纵剖视，
图2一在轮毂一侧的再循环结构区域内的类似局部纵剖视，
图3按图1的再循环结构的局部横剖视，
图4按图1和3的再循环结构的从内部的径向局部视图，
图5一在机壳一侧的相对于图1略有改变的再循环结构区域内的局部纵剖视，
图6在机壳一侧的相对于图1和5的变型再循环结构区域内的局部纵剖视，
图7在机壳一侧的再变型的再循环结构区域内的另一纵剖视。
具体实施方式
按图1的再循环结构1内置在涡轮压缩机的机壳5内，因此称为“机匣处理”。装有顺片的主流动通道9内的流动方向在左面用一箭头表示，亦即它从左向右伸展。气流在所示区域内首先出现在一导向叶片轮缘(导流栅)13上，然后在一工作叶片轮缘20上，最后重新回到导向叶片轮缘14上。主流动通道9的径向外轮廓11相当于机壳5的内轮廓，为了表示清楚在视图本身的左右用点划线延长。静态的再循环结构1与工作叶片轮缘20共同作用，并且大部分位于其轴向前面，亦即位于工作叶片轮缘的上游。和导向元件37共同构成再循环结构1的环形腔29从外部径向与主流动通道9邻接，并朝主流动通道开口。导向元件37的尖端位于主流动通道的轮廓11上，或在其附近，亦即它至少近似与机壳内轮廓对齐。导向元件37可以由金属如镍基合金，或由轻金属如铝，或由塑料如热塑性塑料、热固性塑料或弹性体组成。环形腔29的前壁33和后壁34从其径向内棱边35、36出发向前倾斜，以利于小箭头表示的再循环的流动。
前壁的倾角用α表示，它相对于后壁34的倾角可以相同或不同。在前壁33、导向元件37和后壁34之间存在空隙45、46，它们允许在环形腔内部沿圆周方向的流动过程，它附加于轴向分布的主要再循环之上，用25表示工作叶片轮缘20的叶片自由端，在其区域内最先出现扰动。导向元件37和叶片末端25之间的轴向重叠用UE1表示。
与图1不同，图2表示一内置在旋转的轮毂8内的再循环结构2。在主流动通道10内从左向右可以看到一工作叶片轮缘21、一导向叶片轮缘15连同位于径向内部的叶片自由端26，和一工作叶片轮缘22。再循环结构的这种新布局可以前后一致地称为“轮毂处理”(HubTreatment)。由环形腔30和导向元件38组成的具有在环形腔30的前后壁和离环形腔一定距离的导向元件38之间的前后空隙47、48的再循环结构2与大部分位于下游的导向叶片轮缘15共同作用。因为这里“轮毂处理”旋转，而导向叶片轮缘15不动，转子转速完全起差速作用。工作原理在原则上与“机匣处理”没有不同，在一台涡轮压缩机内“机匣处理”和“轮毂处理”也可以相互组合并在许多级内采用。这里主流动通道的径向内轮廓12相应于轮毂8的外轮廓。UE2是导向元件38与导向叶片轮缘15的叶片末端26的轴向重叠量。
图3以横剖视表示图1的一个局部。导向元件37相对于半径方向这样地倾斜一个角度β，使得工作叶片轮缘20的叶片末端25将再循环气流没有大的损失地送入环形腔29，这里应该注意旋转方向(见箭头)，在导向元件相应地弯曲的情况下倾角β可以从径向向外逐渐减小，直至为“零”。
导向元件也可以径向布置，亦即β＝0°，但是不太有利于流动。
按图4加上图3的视图表示工作叶片轮缘20的叶片造型连同其旋转方向(箭头)，并提供了导向元件37有利于流动的造型和曲率的一种好的想法。本领域技术人员可以看出，这里在环形腔29上游边35区域内再循环出口相对于工作叶片轮缘20应该反方向旋转。用36表示环形腔的下游边。
按图5的再循环结构3是一带有内置在机壳6内的环形腔31的“机匣处理”。这里导向元件39一直伸展到环形腔31的前壁，在后部区域内存在空隙49，在紧靠工作叶片轮缘23的叶片末端27附近。UE3表示导向元件39与叶片末端27的轴向重叠量。LR是环形腔31的轴向长度，HR是其径向高度。用LS表示叶片末端27的轴向长度。LR与LS之比应该是0.2至1.5，HR与LR之比为0.1至1.0。这里导向元件39的尖端43在叶片末端27的旋转区域内径向向外偏移，以避免接触。用16和17表示导向叶片轮缘。
在图6中的具有环形腔32的再循环结构4同样是一“机匣处理”，它内置在一壳体7内，并与工作叶片轮缘24共同作用，与图5不同，这里导向元件40一直伸展到环形腔32后壁。这里由于与环形腔32前壁离开一定距离的导向元件40空隙50设置在前部区域内，导向元件40的尖端44一直伸展到叶片末端28的旋转区内。
按图7的再循环结构51与上述结构的区别在于，对于在环形腔53圆周方向的流动过程，在导向元件56的前后区域内存在各个方面有限制的开口58、59。因此留有提高强度的筋60、61，导向元件56通过它与机壳52环形腔53的前后壁54、55连接。作为另一种选择，开口58和59可以通过由于导向元件离环形腔53的壁一定距离造成的上述空隙代替。当然也可以在导向元件的前或后部区域内仅仅设置一个开口58或59。
对于再循环结构的所有方案，如果导向元件由软的轻金属或塑料制成的话，那么导向元件37至40和56的尖端41至44和57不必径向向外偏移，因为可以允许与叶片末端25至28接触，而不损坏叶片。

Claims (22)

1.用于涡轮压缩机的再循环结构，具有一在一叶片轮缘的叶片自由端区域内与压缩机轴线同心设置的环形腔，其轴向中点位于叶片自由端的上游，亦即叶片自由端的轴向中点之前，并在径向与所谓环形腔的主流动通道的轮廓邻接；还具有许多设置在环形腔内的、在其圆周上均布的导向元件，其中环形腔在前部和/或后部区域内可以沿圆周方向流通流体，导向元件与环形腔的至少一个壁连接并且此外还构造成悬空的，其特征为：导向元件从径向最靠外的环形腔壁或径向最靠内的环形腔壁向主流动通道延伸，使导向元件在环形腔的整个径向高度上延伸，导向元件(37至40、56)朝向环形腔的自由尖端(41至44、57)伸展到主流动通道(9、10)的轮廓(11、12)上和/或附近，并与叶片自由端(25至28)轴向重叠(UE1至UE4)，或与叶片自由端(25至28)的区域轴向邻接，环形腔(29至32、53)在主流动通道(9、10)轮廓(11、12)上的轴向长度(LR)与叶片末端(25至28)的轴向长度(LS)之比为0.2至1.5。
2.按权利要求1的再循环结构，其特征为：所述再循环结构是燃气轮机的涡轮压缩机的再循环结构。
3.按权利要求1的再循环结构，其特征为：环形腔(29至32、53)的径向高度(HR)与轴向长度(LR)之比为0.1至1.0。
4.按上述权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：环形腔(29至32、53)的轴向前壁(33、54)和轴向后壁(34、55)从其圆形环绕的棱边(35、36)出发向主流动通道(9)的轮廓(11)上游亦即向前倾斜相同或不同的角度(α)。
5.按权利要求4的再循环结构，其特征为：环形腔的轴向前壁和轴向后壁从半径方向出发的角度(α)具有在30°至60°范围内的数值。
6.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：导向元件(37至40、56)做成具有变化的厚度和确定的截面轮廓的空间弯曲的叶片形。
7.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：在轴向观察时，导向元件(37至40、56)在圆周方向倾斜一角度(β)，或在圆周方向弯曲设置，其中角度(β)在导向元件(37至40、56)的长度上可以变化，并这样选择，使得按流体力学再循环气流进入环形腔(29至32、53)更容易，亦即有利于进行流动。
8.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：导向元件(39)朝向环形腔的尖端(43)至少在叶片自由端(27)区域内径向缩回，缩回的量使得在涡轮压缩机正常运行时叶片末端(27)和导向元件(39)之间不发生接触。
9.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：导向元件(37至40)由金属如钢或镍基或钴基合金、轻金属如铝、或塑料如热塑性塑料、热固性塑料或弹性体组成。
10.按权利要求9的再循环结构，其特征为：导向元件(37至40)朝向环形腔的尖端(41至44)在导向元件由轻金属或塑料组成的情况下离叶片自由端(25至28)如此之近，使得在运行时可以接触。
11.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：沿圆周方向的流体流通通过在导向元件(37至40、56)前部和/或后部区域内的开口(58、59)进行。
12.按权利要求1的再循环结构，其特征为：环形腔(29至32、53)和导向元件(37至40、56)与一个支承它们的构件(5至7、8、52)做成一体。
13.按权利要求1的再循环结构，其特征为：环形腔(29至32、53)包括导向元件(37至40、56)做成一体，或做成至少两个在圆周方向邻接的扇段，并可拆卸地固定在一支承它们的构件(5至7、8、52)上。
14.按权利要求12或13的再循环结构，其特征为：它铸造或切削加工或电化学加工(ECM)地制成。
15.按权利要求14的再循环结构，其特征为：所述的铸造为精密铸造。
16.按权利要求1的再循环结构，其特征为：导向元件(37至40)独立地做成单个构件或组件，并可拆卸地固定在环形腔(29至32)内。
17.按权利要求16的再循环结构，其特征为：所述单个构件或组件为导向元件扇段。
18.按权利要求16的再循环结构，其特征为：导向元件(37至40)通过锻造或铸造或电化学加工(ECM)和/或切削加工制造。
19.按权利要求16至18中任意一项的再循环结构，其特征为：环形腔(29至32)切削加工和/或通过铸造或锻造制成。
20.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：它与机壳一重或多重固定，亦即静止地设置在一个或多个工作叶片轮缘(20、23、24)区域内，和/或与轮毂一重或多重固定，亦即可旋转地设置在一个或多个导向叶片轮缘(15)的区域内。
21.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：沿圆周方向的流体流通通过空隙(45至50)进行。
22.按权利要求1至3中任意一项的再循环结构，其特征为：沿圆周方向的流体流通通过在环形腔(29至32、53)前部或前后部区域内导向元件(37至40、56)上的空隙(45至50)和/或开口(58、59)进行。
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