CN102562671A - 轻质量型无叶片式压缩机安全壳设计 - Google Patents

轻质量型无叶片式压缩机安全壳设计 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轻质量型无叶片式压缩机安全壳设计。无叶片式压缩机安全壳设计具有多于三个紧固件的内螺栓圆周，其位于无叶片空间内，以在到达外螺栓圆周及其相关的法兰之前，将三轮毂片段切碎为更小的碎片。这种安全壳设计相对于传统设计可允许最外端法兰具有更薄的径向壁厚度。更薄的径向壁厚度可以降低压缩机的重量。此重量的降低可以在压缩机空间包络几乎不增加或不增加的情况下实现。

Description

轻质量型无叶片式压缩机安全壳设计
背景技术
本发明涉及用于容纳破裂的叶轮或叶轮碎片的系统，尤其是，包括无叶扩压器的安全壳系统。
无叶片式压缩机安全壳设计通常比带有扩压器叶片的相同设计要重。原因是由于最坏的三轮毂破裂(tri-hub burst)的碎片未从三轮毂片段(tri-hub pieces)非常多地减少，如果原始叶轮不设计为带有保险件的易碎轮以便所有叶片通过扩压器叶片及相关的紧固件从与轴保持在一起的轮毂脱落。如果壁尺寸不是设计为用于由大碎片刺穿，较大的碎片达到最后的安全壳壁可以具有足够的动能径向或切向地冲出。
如图1A和1B描述的现有技术的压缩机30，可包括与转轴32接触的一个或多个叶轮31。壳体结构35，其可包括由壳体紧固件36紧固在一起的一个或多个部件，壳体结构35可封装叶轮31。扩压器叶片34被示出为使用穿过扩压器叶片的紧固件36连接壳体结构35和盖板37。壳体结构35可包括径向外壁33或蜗壳法兰，如图1B和2所示。在一些情形中，由于例如腐蚀、缺陷或疲劳，叶轮31在运行中可能从轴32断裂和破裂。在叶轮断裂的情形中，叶轮31可能断裂为两块、三块或更多的大的碎片，由于离心力，它们从轴32通过扩压器叶片34和紧固件36并朝着径向外壁33或蜗壳法兰径向向外地甩出。叶轮31的碎片能够穿透径向外壁33的薄壁部分。如图3所述，破裂的叶轮碎片能够形成穿过径向外壁33的孔38。孔38可以使得叶轮碎片从壳体35脱离。为了最小化或防止飞出物的损毁，现有技术中已经描述了用于容纳破裂的叶轮碎片的系统。
如图4所示的另一现有技术的压缩机40，包括多个紧固件或通道障碍物41，它们以压缩机40的一个半径，从叶轮42径向地向外布置。
美国专利号6695574公开了一种能量吸收器和偏转装置，其用于偏转来自燃气涡轮发动机核心的发动机残骸碎片。偏转装置包括径向间隔开并适于覆盖发动机的任何转动部件的偏转板。公开的装置可用来容纳风扇叶片碎片、转子碎片、断裂轴碎片、压缩机碎片、涡轮叶片碎片或涡轮转子碎片。不幸地是，该偏转板增加了发动机的重量并增加了发动机的包络空间。
另一种碎片安全壳方法包括增加盖板材料强度和/或增加壳体壁的厚度。不幸地是，这两种方法也增加了系统的重量。
对于某些压缩机，包含叶片式扩压器可以提供足够的碎片容纳。不幸地是，叶片式扩压器可能并不适于所有压缩机设计。
可以看到，有必要改进无叶片式扩压器压缩机安全壳系统。此外，需要安全壳系统不有害地影响发动机/机器的重量和包络空间。
发明内容
本发明的一方面，用于叶轮的系统包括环绕叶轮的壳体；由壳体限定的扩压器通道；以及第一和第二组紧固件或具有阻碍部分的通道障碍物，阻碍部分穿过扩压器通道延伸，其中，第一组紧固件或通道障碍物以第一半径圆周地布置；第二组紧固件或通道障碍物以第二半径圆周地布置；并且，第一半径小于第二半径。
本发明的另一方面，用于带有无叶扩压器的压缩机的安全壳系统包括第一和第二组紧固件或具有阻碍部分的通道障碍物，阻碍部分穿过扩压器通道延伸，其中，第一组紧固件或通道障碍物以第一半径圆周地布置；第二组紧固件或通道障碍物以第二半径圆周地布置；并且，第一半径小于第二半径。
本发明的再一方面，容纳破裂叶轮碎片的方法包括利用第一和第二组紧固件或具有阻碍部分的通道障碍物阻碍破裂叶轮碎片的路径，第一组紧固件或通道障碍物以第一半径圆周地布置；第二组紧固件或通道障碍物以第二半径圆周地布置；并且，第一半径小于第二半径；至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量。
本发明的这些和其它特征、方面和优点将参照随后的附图、说明和权利要求更好的理解。
附图说明
图1A为带有无叶扩压器的现有技术压缩机的剖面图；
图1B为带有扩压器叶片的现有技术压缩机的剖面图；
图2是图1A现有技术压缩机的透视图；
图3是穿过现有技术压缩机涡室外壳的孔的透视图；
图4是无叶扩压器现有技术压缩机的剖面图；
图5是根据本发明实施例的带有安全壳系统的无叶扩压器压缩机剖面图；
图6A和6B显示图4和图5的两个无叶扩压器压缩机安全壳系统并排的对比；和
图7是根据本发明实施例描述方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述是目前最好的实施本发明典型实施的设想模式。由于本发明的范围由所附的权利要求书最佳的限定，本说明不以限制的观念被理解，而是仅仅用于说明本发明的一般原理的目的。
以下描述各种创新的特征，其每一个特征可以独立于另一个使用或者与其它特征联合使用。
从广义上讲，本发明的实施例可提供一种无叶片压缩机安全壳设计，其具有带有紧固件的内螺栓圆，布置于无叶片空间内，以在到达外螺栓圆和其相关的法兰之前切碎三轮毂片段为更小的碎片。本发明安全壳设计可允许最外层法兰与传统设计相比径向壁厚更薄。更薄的径向壁厚可以降低压缩机的重量。重量的降低可以在压缩机空间包络几乎不增加或不增加的情况下实现。
关于图5，根据典型的实施例，压缩机110具有安全壳系统112。安全壳系统112可包括第一组通道障碍物或紧固件114和第二组通道障碍物或紧固件116。第一组通道障碍物或紧固件114可关于压缩机122的轴60以第一半径118布置。第二组通道障碍物或紧固件116可关于轴60以第二半径120布置。安全壳系统112可位于叶轮122径向外侧和涡室外壳安全壳法兰124径向内侧。可包括涡室外壳安全壳法兰124的壳体111和前盖板113可环绕叶轮122，并可限定扩压器通道115。第一和第二组通道障碍物114、116可与壳体111接触，并可穿过扩压器通道115轴向地延伸。轴向和径向方向可参照穿过压缩机122的轴60的中心线100进行定义。
如图5所示，通道障碍物114、116可包括带有长的肩部和螺纹端的标准紧固件。如果希望使得障碍物有更大的动能吸收能力，可采用减小的肩部直径来提高障碍物塑性弯曲。然而，主要的关注点压缩机系统重量的降低并不会提高太多。
如果考虑多级压缩机，穿过更多的中间壳体的增加的障碍物长度通过更多的塑性变形的中间障碍物用来提供更有效的障碍物。
该紧固件阻碍部分(如，肩部)可以设计为在叶轮碎片的作用下塑性弯曲，并减小碎片的速度或停止其向外运动。如果它没有完全停止碎片，碎片可能会破碎为更小的碎片。阻碍部分的直径可足够大使得叶轮碎片可以容纳，并足够小使得压缩机性能可以不降低。
还是关于图5，第一和第二组通道障碍物114、116可以位于蜗壳法兰124和蜗壳本体125上。安全壳系统112可以位于叶轮122径向外侧和蜗壳法兰124径向内侧。根据碎片的数量与障碍物的数量(＞3)相同的事实，安全壳系统112与传统的图4的设计相比，可以允许更轻的蜗壳布置。图6给出了图4和5的设计之间的真实对比。
第一组通道障碍物114可以包括从约5到约11个独立的通道障碍物，它们以半径118圆周地布置。在一个实施例中，第一组通道障碍物114可包括七(7)个通道障碍物，以半径118限定的圆周上等距间隔设置。相邻的通道障碍物之间的角度可大约为52度。
第二组通道障碍物116可以包括从约5到约11个独立的通道障碍物，它们以半径120圆周布置。在一个实施例中，第二组通道障碍物116可包括七(7)个通道障碍物，以半径120限定的圆周上等距间隔设置。相邻的通道障碍物之间的角度可大约为52度。第二组通道障碍物116可布置在由第一组通道障碍物114偏转的位置。在一个实施例中，第二组的七个通道障碍物116可布置在由第一组通道障碍物114偏转约26度的位置。在该实施例中，第二组通道障碍物116布置在第一组通道障碍物114的相邻的两个之间的中心线上。
两组通道障碍物(例如，第一和第二组通道障碍物114、116)的使用会导致具有嵌入的大大多于3个碎片的压缩机重量明显的降低。在一个典型的实施例中，可以实现重量降低大约2.7磅。在另一个典型的实施例中，可以实现重量降低大约4.2磅。这些重量的降低可能是由于在蜗壳和/或压缩机外法兰壳上能够使用减小的厚度。通过在第一组通道障碍物114中增加螺栓的数量可以实现进一步重量的降低。
上述安全壳系统112可以将第一组通道障碍物114移动到接近叶轮122。典型的实施例设计的计算流体动力学(CFD)模型已经证明了这种接近不会降低无叶扩压器的性能。图5的压缩机设计的另外的测试显示：(a)该设计超过所需的最大校正速度的75％至86％，(b)在4.1的增压比下，校正的质量流量为4.4磅质量每秒(lbm/s)，在4.0的增压比下，达到所需的4.0磅每秒(lbm/s)质量流量，(c)在每一测试速度下，峰值空气动力学效率超过75％，在最大流量要求下，达到75％，和(d)在30835rpm的校正速度和3.8lbm/s的校正质量流量下，峰值空气动力学效率为83％。
图7描述了容纳破裂叶轮碎片的方法200，所述碎片沿径向朝外的方向上的路径运动。方法200可包括以第一和第二组通道障碍物(例如，第一和第二组通道障碍物114、116)阻碍破裂的叶轮碎片的路径的步骤210；和至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量的步骤220。
阻碍破裂的叶轮碎片路径的步骤210可包括阻碍破裂叶轮碎片的路径使得破裂叶轮碎片的方向由于接触通道障碍物而改变。阻碍破裂的叶轮碎片路径的步骤210可包括阻碍破裂叶轮碎片的路径使得破裂叶轮碎片的径向运动由于接触通道障碍物而停止。
至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量的步骤220可包括利用通道障碍物至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量。至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量的步骤220可包括吸收破裂叶轮碎片的能量使得破裂叶轮碎片的速度由于接触通道障碍物而降低。至少吸收破裂叶轮碎片的部分能量的步骤220可包括通过用破裂叶轮碎片冲击阻碍部分，使通道障碍物的阻碍部分弯曲。
当然，可以理解，上述关于本发明的典型实施例，并且可以在不脱离所附权利要求书所阐述的发明理念和范围内而进行多种变型。

Claims (9)

1.一种用于叶轮(122)的系统，包括：
环绕叶轮的壳体(111)；
由壳体限定的扩压器通道(115)；和
第一组和第二组紧固件或通道障碍物(114)，它们具有肩部或阻碍部分，阻碍部分穿过扩压器通道延伸，其中
第一组通道障碍物以第一半径(118)圆周地布置；
第二组通道障碍物(116)以第二半径(120)圆周地布置；以及
第一半径小于第二半径。
2.如权利要求1所述的系统，其中，阻碍部分的长度大于扩压器通道的宽度。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中，紧固件或通道障碍物包括具有紧固件肩部的紧固件部分，以及其中阻碍部分的直径小于或等于紧固件肩部的直径。
4.如权利要求1-3任意一项所述的系统，其中，所述扩压器通道包括无叶扩压器。
5.如权利要求1-4任意一项所述的系统，其中，通道障碍物包括紧固件部分，其中，壳体包括盖板、蜗壳本体、蜗壳法兰和蜗壳后壳体，其中，蜗壳后壳体和盖板由第一组紧固件连接，蜗壳后壳体和蜗壳法兰由第二组紧固件连接。
6.如权利要求1-5任意一项所述的系统，其中，紧固件或通道障碍物与壳体接触并穿过扩压器通道轴向延伸。
7.如权利要求1-6任意一项所述的系统，其中，第一组紧固件或通道障碍物的每一个在第二组紧固件或通道障碍物中相邻的两个之间等距离地布置。
8.如权利要求1-7任意一项所述的系统，其中：
第一组通道障碍物布置在蜗壳和叶轮之间；和
第二组通道障碍物布置在蜗壳和壳体安全壳结构之间。
9.如权利要求1-8任意一项所述的系统，其中，第一和第二通道障碍物布置在壳体安全壳结构和叶轮之间。
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