CN101532507A - 可调式压缩机抽气系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过分段式环形抽气狭缝将空气抽送至离心式压缩机的叶轮入口区或从所述叶轮入口区抽出的可调式抽气装置及方法。连接到固定式进气口机壳上的环形支承件支承下游环形罩盖分段和上游环形罩盖分段，使得下游罩盖分段的下游端不受约束。罩盖分段之间间隔开的距离限定一环形抽气狭缝，所述环形抽气狭缝被桥式构件分段。罩盖分段与环形支承件之间的连接件构造成使得环形抽气狭缝的间隔开的距离可调。环形支承件和固定式进气口机壳之间的连接件构造成使得下游罩盖分段和叶轮之间的运行间隙可独立于抽气狭缝的宽度进行调节。

Description

可调式压缩机抽气系统及方法

技术领域

本发明涉及离心式压缩机，更具体地说，涉及利用叶轮入口区中的抽气装置来调节和稳定某些工作参数的高性能离心式压缩机。本发明还涉及使用这种高性能离心式压缩机的燃气轮机动力设备。

背景技术

离心式压缩机在各种系统中应用，以便提供高压空气，所述高压空气然后通常被导向例如燃气轮机动力设备中的燃烧室。这些压缩机在运行期间，尤其是在叶轮加速和减速期间常常经历流动不稳定性。这些不稳定性一般由全速运行期间在叶轮入口区中空气短缺或者在部分速度运行期间空气剩余引起。称为阻塞(choke)状况的空气短缺通常由叶轮快速加速、使得增加的压缩机泵送能力超过系统进气能力而引起。称为喘振状况的空气剩余通常由叶轮快速减速、导致压缩机泵送能力降低而引起。早先的系统把空气抽送到叶轮入口区以及将空气从所述叶轮入口区抽出，以便限制这种不稳定性。

例如，授予Chapman等人的名称为“Dual Function Compressor Bleed(双功能压缩机抽气装置)”的美国专利No.4248566公开了一种采用环形压缩机罩盖的系统，所述罩盖具有分段式环形狭缝，所述环形狭缝构造成在全速运行速度下给叶轮入口区提供空气，而在部分运行速度下从叶轮入口区去除空气。该专利显示，这种系统通过扩大喘振裕度和改善高速流动能力提高了压缩机的工作效率。然而，这种设计的一个缺点是，抽气狭缝的宽度在生产压缩机之后是固定的。此外，环形罩盖不能在平行于压缩机轴线的方向上调节以便调整叶轮和罩盖之间的运行间隙或调节抽气狭缝相对于叶轮的位置。而且，环形罩盖固定地安装在叶轮后缘附近的结构上。这种构型妨碍了那部分罩盖的受控形态(conformation)，从而由于叶轮和罩盖之间的摩擦而降低了系统效率并增加了成本。

授予Tremaine的名称为“Single Slot Impeller Bleed(单狭缝叶轮抽气装置)”的美国专利No.6183195公开了一种采用两构件式环形罩盖的系统，此处每个分段都以悬臂的方式独立被支承，以便形成连续的环形狭缝。虽然该系统允许调节运行间隙和连续的环形狭缝宽度二者，但这些调节不能独立进行。在Tremaine的构造中，通过调节下游分段的位置，运行间隙和连续的环形狭缝的宽度二者同时改变。因此，为了改变运行间隙而不改变抽气狭缝的宽度，需要两组调节。因此，这种构型增加了系统复杂性和组装时间。而且，悬臂式安装设计要求将罩盖固定地安装到叶轮后缘附近的结构上。

需要有一种消除或至少缓解这些缺点中的一个或多个的系统，以便允许使用离心式压缩机的燃气轮机动力设备有效运行。

发明内容

本发明构成一种可调式抽气装置和方法，其通过允许独立调节分段式环形抽气狭缝的宽度和叶轮与罩盖之间的运行间隙，以及提供下游罩盖分段在叶轮出口区中的受控形态，来实现离心式压缩机的有效运行。独立调节减少了系统复杂性和装配时间。提供下游罩盖分段的受控形态通过减少结构应力和部件磨损而提高运行效率并降低运行成本。

在一个方面，本文所公开的用于压缩机——该压缩机具有包括叶片并可绕一轴线旋转的叶轮、环绕叶轮的环形罩盖、和固定式进气口机壳——的可调式抽气装置包括构造成安装到固定式进气口机壳上的环形支承件。该装置还包括下游环形罩盖分段，所述下游环形罩盖分段在下游环形罩盖分段的上游端附近连接到环形支承件上，下游环形罩盖分段的下游端不受约束。该装置还包括上游环形罩盖分段，所述上游环形罩盖分段在上游罩盖分段的下游端处具有多个桥式构件，桥式构件安装在一凸缘上。该凸缘与环形件和下游罩盖分段连接。桥式构件将环形抽气狭缝分段。分段式环形抽气狭缝的宽度是上游罩盖分段的下游端与下游罩盖分段的上游端之间沿轴向方向间隔开的距离。可调式抽气装置的部件之间的连接件构造成使得分段式环形抽气狭缝的宽度可调。

在另一方面，用于将空气抽送至叶轮入口区或将空气从叶轮入口区抽出的方法包括：将环形罩盖构造成两个分开的环形分段，即上游罩盖分段和下游罩盖分段；提供连接于固定式进气口机壳和下游罩盖分段的上游端的环形支承件；通过环形支承件支承上游罩盖分段的下游端，所述上游罩盖分段的下游端与下游罩盖分段的上游端间隔开，以便提供分段式环形抽气狭缝；以及，调节抽气狭缝的宽度，以便在压缩机运行期间提供希望的抽气流量。根据运行状况，将空气抽送至叶轮入口区或从叶轮入口区抽出。

包括在说明书中并构成说明书的一部分的附图举例说明所公开的可调式抽气装置的实施例，并和说明书一起用来阐明所述装置和方法的原理。

附图说明

图1是包括按照本发明的可调式抽气装置的离心式压缩机的示意性侧剖视图；

图2是图1的实施例中桥式构件、上游和下游环形罩盖分段、以及环形支承件的详细的立体图；

图3是图1实施例中固定式进气口机壳的示意性详细侧剖视图；和

图4是图1实施例中固定式进气口机壳在环形内腔/空腔和大气之间包括管道的变型的示意性详细侧剖视图。

应该理解，上面的概要说明和下面的详细说明仅仅是示例性的和说明性的，并且不限制如权利要求所述的本发明的范围。

包括在说明书中并构成该说明书一部分的附图示出本发明的几个实施例，并和说明书一起用来阐明本发明的原理。

具体实施方式

参见图1，图1示出总体用附图标记10表示的离心式压缩机。压缩机10包括具有多个叶轮片22a和22b、总体用附图标记20表示的压缩机叶轮和总体用附图标记14表示的环形罩盖，叶轮20和罩盖14一起限定叶轮入口区24和叶轮出口区26。叶轮20可绕压缩机轴线28旋转，所述轴线28限定轴向方向和径向方向。此外，压缩机10包括压缩机机壳进气口区30和固定式进气口机壳40，固定式进气口机壳40的一部分形成机壳入口44。

进入压缩机机壳进气口区30的空气沿流动箭头32a和32b的方向向下游流动，并沿基本上与压缩机轴线28平行的轴向方向进入叶轮入口区24。

当被叶轮片22加速时，空气进一步沿流动箭头34a和34b的方向向下游流动至叶轮出口区26，并沿基本上与压缩机轴线28相切的径向方向流出。

按照本发明的一个方面，如本文所实施和概括说明的，可调式抽气装置包括一环形支承件，所述环形支承件构造成用于安装到固定式进气口机壳上。在图1所示的实施例中，环形支承件50通过连接件56连接到固定式进气口机壳40上，所述连接件56包括螺栓52。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它安装构型。

另外按照本发明的第一方面，如本文所实施和概括说明的，可调式抽气装置包括下游环形罩盖分段60，所述下游罩盖分段60连接到靠近下游罩盖分段60的上游端62的环形支承件50上，因此下游罩盖分段60的下游端64在压缩机10的运行期间不受约束。允许下游端64不受约束地运行具有明显优于现有技术的优点。这种构造使得能够实现下游罩盖分段60、更具体地为下游端64的热和弹性形态，由此防止和/或显著限制叶轮片22和下游罩盖分段60之间的摩擦。因此减小了可能的部件磨损和结构应力，同时导致系统效率的提高和运行成本的降低。

另外按照本发明的第一方面，如本文所实施和概括说明的，可调式抽气装置包括上游环形罩盖分段70，在上游罩盖分段70的下游端72处具有多个桥式构件76。桥式构件76通过周向地分布的连接件68与环形支承件50和下游罩盖分段60连接，使得上游罩盖分段70的下游端72与下游罩盖分段60的上游端62沿轴向间隔开，并形成分段式环形抽气狭缝80。在图1所示的实施例中，连接件68包括螺栓82，以便连接下游罩盖分段60、环形支承件50和桥式构件76。为了适应这种连接，将下游罩盖分段60的凸缘61攻出螺栓82的螺纹构型。在一个实施例中，桥式构件76和上游罩盖分段70例如通过铸造成一个组件而一体地连接。

如图2所示，各个桥式构件之间的周向距离被一部分凸缘66跨越。在这个实施例中，上游罩盖分段70、凸缘66、和桥式构件76例如通过铸造成一个部件而一体地连接。环形支承件50和凸缘61中的螺栓孔与凸缘66中的那些螺栓孔对准，以便提供定中心。连接件68包括螺栓82，所述螺栓82使凸缘66、环形支承件50、和下游罩盖分段60的凸缘61互相连接。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它的连接构型。

在图1和图2所示的实施例中，分段式环形抽气狭缝80被桥式构件76分段，上述桥式构件76使得分段式环形抽气狭缝80周向地横贯时(形成的)否则为连续的开口中断。图2示出包括桥式构件76的大约10个桥式构件中的3个。这个实施例仅是示例性的，其它实施例可以包括更多或更少的桥式构件。

连接件68构造成能够调节分段式环形抽气狭缝80的宽度。在图1和2所示的实施例中，连接件68包括一个或多个间隔件84，以便调节宽度。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它的间隔构型。

如上概括所述，根据压缩机的工作状况的不同，分段式环形抽气狭缝80允许空气流出和流入叶轮入口区24，如本领域技术人员可以理解的。授予Chapman等人的美国专利No.4248566和授予Tremaine的美国专利No.6183195讨论了使用抽气狭缝调节和稳定离心式压缩机运行期间的工作参数。这两篇参考文献的教导并入本文作为参考文献。

通常，在叶轮全速运行期间，运行状况使得空气穿过抽气狭缝朝向叶轮入口区的方向流动。相反，在叶轮部分速度运行期间，静态压差使得空气穿过抽气狭缝沿相反方向流动。这种现象一般称为“抽送”空气至叶轮入口区和从叶轮入口区“抽出”空气。如现有技术参考文献教导以及如上所述，这种抽气优化了压缩机操作和效率。

由于许多因素，可能需要调节分段式环形抽气狭缝80的宽度，上述因素包括但不限于：环境空气温度、计划的运行速度、是否存在开口或管道、涡轮机设计、和/或叶轮转子设计。

另外按照本发明的第一方面，环形支承件50和固定式进气口机壳40之间的连接件56可以构造成能够相对于叶轮片22调节包括上游罩盖分段70、下游罩盖分段60和环形支承件50的组件的轴向位置。这种调节使得能够在保持分段式环形抽气狭缝80的宽度的同时设定下游罩盖分段60和叶轮片22之间的最佳运行间隙。在图1所示的实施例中，各垫片54能够实现这种调节。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它用于连接件56的构型。

由于许多因素，可能需要调节下游罩盖分段60和叶轮片22之间的运行间隙，上述因素包括但不限于：环境空气温度、计划的运行速度、是否存在来自环形内腔的管道系统或通道、涡轮机设计、叶轮转子设计、和/或叶轮和环形罩盖中所用材料的选择。

此外，如果下游罩盖分段60和叶轮片22之间的运行间隙调节不合适，则可能造成压缩机无效。如果运行间隙太大，则空气将在叶轮片22的周围泄漏，从而妨碍压缩机10在叶轮入口区24和接收来自叶轮出口区26的高速空气的扩压器(未示出)之间达到最大可能的压力比。如果运行间隙太小，则叶轮片22将摩擦到下游罩盖分段60，从而导致系统摩擦和材料磨损。因此，设定最佳运行间隙使得压缩机10产生最大的压力比、泵送能力和工作效率。

但是，尽管如此，优选地在罩盖分段60邻近叶轮片22a、22b的表面上包括耐磨涂层，例如图2中所示的铝涂层63。还可以优选地至少在上游罩盖分段70的内表面的与叶轮片22a、22b相对的那部分上包括耐磨涂层如铝涂层73。参见图1。

另外，上游罩盖分段70、间隔件84、环形支承件50、和下游罩盖分段60可以在机器装配时预组装并夹紧，同时最后机加工出耐磨涂层63和73，以确保匹配和对准的内部涂覆表面。如本领域技术人员可以理解的，下游罩盖分段60的肩部65通过与凸缘66的内表面67接合来提供轴向对准功能，由此用作导向件或“联接器(spigot)”，以便在装配期间使上游罩盖分段70相对于下游罩盖分段60定中心。

与现有技术所公开的构型不同，在本发明中可独立调节分段式环形抽气狭缝80的宽度和可调式抽气装置相对于叶轮20的轴向位置。这种独立(调节)具有许多明显的优点，这些优点包括但不限于减少系统复杂性和压缩机装配时间。此外，本发明的构型可以使得可调式抽气装置作为一个完整的组件运送。

另外，按照本发明，可调式抽气装置可以包括环形内腔86，所述环形内腔86大体由上游罩盖分段70、固定式进气口机壳40、和环形支承件50之间的环形体积形成。如上所述，在叶轮部分速度运行期间，来自叶轮入口区24的空气从叶轮入口区24流出、穿过分段式环形抽气狭缝80、经过桥式构件76、并进入内腔86。然而，在叶轮全速运行期间，空气从内腔86流出、经过桥式构件76、穿过分段式环形抽气狭缝80进入叶轮入口区24。

另外按照本发明，可调式抽气装置可以包括密封件78，所述密封件78位于上游罩盖分段70的上游端74和固定式进气口机壳40上的台肩42之间，以便防止空气通过上游罩盖分段70沿任一方向泄漏。在图1所示的实施例中，密封件78是橡胶O形密封圈。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它密封机构。

台肩42必须足够宽，以便防止压缩机机壳进气口区30和叶轮入口区24之间扰动的气流，而同时允许上游罩盖分段70的轴向移动，所述上游罩盖分段70的轴向移动由通过间隔件84调节分段式环形抽气狭缝80的宽度导致或由通过垫片54调节可调式抽气装置相对于叶轮20的轴向位置导致，或者由上述两种调节共同导致。密封件78还必须构造成能通过上游罩盖分段70在台肩42上轴向平移。

在图3所示的实施例中，可调式抽气装置还可以包括位于固定式进气口机壳40中的开口46，该开口允许空气在内腔86和压缩机10外部的大气之间沿两个方向流动。这种构型的一个优点是增加了压缩机效率。例如，在叶轮稳态全速运行期间，一个或多个开口46使内腔86能提供连续的气流，因为空气供应不是仅限于内腔86中的空气。同样，在叶轮稳态部分速度运行期间，各开口46使得环形内腔86能够排出连续的气流，因为系统排气能力不限于内腔86的容积。

在图4所示的另一实施例中，开口46不是直接通向大气，而是空气通过一个或多个管道48离开内腔86和从大气进入内腔86。在这个实施例中，性能增加可能超过图3的实施例，因为抽出的空气进一步远离压缩机机壳进气口区30排出。允许较热的并因此密度较小的抽出的空气与进入压缩机机壳进气口区30的较冷空气混合，可能会导致效率降低和压缩机泵送能力降低。

如上所述的装置可以用于将空气抽送至离心式压缩机的叶轮入口区和/或从离心式压缩机的叶轮入口区抽出空气的方法中。按照本发明的第二方面，所述方法包括将环形罩盖构造成两个分开的环形分段，即上游罩盖分段和下游罩盖分段。提供环形支承件并将其连接到固定式进气口机壳和下游罩盖分段的上游端。将上游罩盖分段的下游端连接到下游罩盖分段的上游端，所述两个罩盖分段被多个桥式构件间隔开，以便在桥式构件使狭缝中断的情况下形成分段式环形抽气狭缝。以这种方式，环形支承件为环形罩盖提供支承。

调节分段式环形抽气狭缝的宽度以在压缩机运行期间提供希望的抽气流量。在一个实施例中，通过去除和/或替换间隔件进行调节。如上所述，由于许多因素，可能需要调节分段式环形抽气狭缝的宽度。

另外按照本发明的第二方面，相对于叶轮调节包括上游和下游环形罩盖分段及环形支承件的组件的轴向位置，以便在叶轮和下游罩盖分段之间提供合适的运行间隙。如上所述，由于许多因素，可能需要这种调节。同样如上所述，在本发明中可以单独对分段式环形抽气狭缝的宽度和运行间隙进行调节。

另外按照本发明的第二方面，在运行期间，通过分段式环形抽气狭缝抽送至叶轮入口区或从所述叶轮入口区抽出的空气可以从压缩机外部的大气传送或者传送至压缩机外部的大气。

本领域技术人员可以显见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明的可调式抽气装置和方法中进行各种不同的修改和变型。此外，所公开的发明不受上述实施例限制，而仅仅由所附权利要求及其等同方案限制。

因此，如上所述，对本领域技术人员来说，通过考虑本文所公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施例将变得显而易见。本说明书和实施例应认为仅是示例性的。

Claims (13)

1.一种可调式抽气装置，用于将空气抽送到离心式压缩机的叶轮入口区或将空气从离心式压缩机的叶轮入口区抽出，所述压缩机包括可绕一轴线旋转并具有多个叶片的压缩机叶轮、环绕叶轮的环形罩盖和固定式进气口机壳，所述环形罩盖、叶轮和叶片限定穿过压缩机的流动路径，所述装置包括：

构造成用于安装到固定式进气口机壳上的环形支承件；

下游环形罩盖分段，所述下游环形罩盖分段通过靠近下游环形罩盖分段的上游端的多个第一连接件连接到环形支承件上，下游罩盖分段的下游端不受约束；和

上游环形罩盖分段，所述上游环形罩盖分段在上游罩盖分段的下游端处具有多个桥式构件，桥式构件安装在一凸缘上，所述凸缘通过所述多个第一连接件连接到环形件和下游罩盖分段上，

其中，每个第一连接件都构造成沿轴向方向将上游罩盖分段的下游端与下游罩盖分段的上游端间隔开一定距离，间隔开的距离包括分段式环形抽气狭缝的宽度，所述分段式环形抽气狭缝用于经过桥式构件把空气抽送到叶轮入口区或从所述叶轮入口区抽出，并且

其中，每个第一连接件还构造成提供可调的间隔开的距离。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，桥式构件固定地连接于凸缘和上游罩盖分段。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，环形支承件通过多个第二连接件安装到固定式进气口机壳上，所述多个第二连接件构造成提供包括环形支承件以及所连接的上游和下游罩盖分段的组件相对于叶轮的可调轴向位置，分段式环形抽气狭缝的宽度和组件的可调轴向位置可相互独立地调节。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，固定式进气口机壳、上游罩盖分段和环形支承件形成环形内腔，通过分段式环形抽气狭缝离开或进入叶轮入口区的抽吸空气分别通过进气口机壳中的一个或多个开口离开或进入所述内腔。

5.如权利要求3所述的装置，还包括密封机构，所述密封机构滑动地接合在上游罩盖分段和固定式进气口机壳上的台肩之间，用于防止空气通过上游罩盖分段和台阶或台肩泄漏到内腔或从内腔泄漏出。

6.如权利要求4所述的装置，还包括将所述一个或多个开口流动连接到大气的一个或多个管道。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，下游罩盖分段包括安装于下游罩盖分段的上游端的凸缘，第二凸缘构造成通过第一连接件连接到上游罩盖分段的下游端上的凸缘和环形件上；并且，所述安装于下游罩盖分段的凸缘包括肩部，所述肩部构造成与上游罩盖分段上的凸缘接合，以使上游和下游罩盖分段彼此沿轴向对准。

8.一种燃气轮机动力设备，安装有如权利要求1所述的可调式抽气装置。

9.一种离心式压缩机，安装有如权利要求1所述的可调式抽气装置。

10.一种用于将空气抽送到离心式压缩机的叶轮入口区或将空气从离心式压缩机的叶轮入口区抽出的方法，所述压缩机具有转子组件，所述转子组件可旋转地支承在与固定式进气口机壳连接的环形罩盖内，所述方法包括：

将环形罩盖构造成两个分开的环形分段，即上游罩盖分段和下游罩盖分段；

提供连接于固定式进气口机壳和下游罩盖分段的上游端的环形支承件；

通过环形支承件支承上游罩盖分段的下游端，所述上游罩盖分段的下游端与下游罩盖分段的上游端间隔开，以便提供分段式环形抽气狭缝；和

调节抽气狭缝的间隔开的宽度，以便在运行期间提供希望的抽气流量。

11.如权利要求10所述的方法，还包括调节环形罩盖和环形支承件相对于叶轮的轴向位置，其中，轴向位置的调节独立于抽气狭缝宽度的调节。

12.如权利要求10所述的方法，还包括在叶轮入口区和大气之间传送空气。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，提供连接于下游罩盖分段的上游端的环形支承件包括使下游罩盖分段的下游端不受约束。

Images