CN102655925B - 用于离心压缩机的液滴捕捉器 - Google Patents

Abstract

一种安装在压缩机叶轮中的液滴捕捉装置，该装置包括设置在叶轮的表面上且构造成接收液滴的孔口，以及设置在孔口下方且与孔口处于流体连通的通道，其中，通道构造成将液滴引导远离孔口且引导出压缩机叶轮。

Description

用于离心压缩机的液滴捕捉器

发明背景

本公开大体涉及离心压缩机，并且更具体而言，涉及用于从压缩机环境移除液体的液滴捕捉器。本公开还涉及包括这样的装置的离心压缩机，以及改进具有装置的压缩机的性能的方法。

压缩机典型地用来通过接收来自电机或涡轮的动力以及对工作流体施加压缩力来提高工作流体的压力。工作流体可为空气、气体、制冷剂等等。压缩机典型地分类成正排量压缩机、动态压缩机或涡轮压缩机(turbo compressor)，这取决于他们进行压缩所采用的方法。

正排量压缩机典型地用来通过减小体积来提高工作流体的压力。一种类型的正排量压缩机是离心压缩机。离心压缩机通过使用旋转叶片加速工作流体(例如气体)且然后约束离开的气体使得其被压缩而来运行。

入口气体中的污染物(例如液体或固体颗粒)可对压缩机可靠性有严重的影响。离心压缩机的机械失效在许多情况下可由进口气体的液体气溶胶污染(即，液滴)引起。在气体冲击压缩机内的表面时，液滴可由于冷凝而积聚在气体流中。图1示出了现有技术离心压缩机10的一部分和在这种当前的离心压缩机中看到的气体-液滴流动型式。如图1显示的那样，液滴12首先在叶轮14的表面处，具体而言在叶轮的叶片16处冲击压缩机。液滴12撞击旋转叶轮14，彼此碰撞且形成较大的液滴。虽然较大的液滴的一部分可能沿压缩机的气流方向继续，但是较大的液滴的其余部分粘到旋转的叶轮表面上。这个较大液滴现在更可能与冲击表面的新的液滴聚结。液滴因而变得更大，它们的蒸发被阻碍，并且它们的腐蚀可能性更高。压缩机中的液相体积可增大，并且压缩机的效率成比例降低。由于液滴沉积而形成在叶片表面或壳体上的液体膜可变得不稳定，并且可还导致形成较大大小的液滴，这从腐蚀的观点看潜在地非常有害。随着时间的过去，增大的液相体积和与其相关联的污染物将腐蚀和损害压缩机，从而导致失效或至少导致频繁停机以进行检查和修理。

不论何时在入口处的流中包含可不忽视的量的水，液滴分离装置都安装在当前离心压缩机中的第一级的上游，以从混合物中分离出所有的水含量。但是，当前的液滴分离装置没有提供在液滴能够聚结且变得更大之前俘获液滴的分离技术。这导致液相有强的中间冷却效应、延迟的蒸发和高的局部体积分数/浓度，从而强烈地影响压缩机的性能。

发明简述

本文公开了用于从离心压缩机移除液滴的液滴捕捉器。在一个实施例中，本文包括安装在压缩机叶轮中的液滴捕捉装置。该装置包括设置在叶轮的表面上且构造成接收液滴的孔口，以及设置在孔口下方且与孔口处于流体连通的通道，其中，通道构造成将液滴引导远离孔口且引导出压缩机叶轮。

在另一个实施例中，一种离心压缩机包括离心叶轮。离心叶轮包括：多个旋转的一体式叶片，该多个旋转的一体式叶片中的各个具有根部部分和尖部部分，其中，该多个旋转的一体式叶片构造成在离心重力场中压缩空气；以及设置在该多个旋转的一体式叶片上的多个液滴捕捉装置，其中，液滴捕捉装置包括设置在叶轮的表面上且构造成接收液滴的孔口，以及设置在该多个旋转的一体式叶片内的孔口下放且与孔口处于流体连通的通道，其中，通道构造成将液滴引导远离孔口且引导出离心压缩机。

一种通过移除液滴来改进离心压缩机的性能的方法，包括：将液滴捕捉装置定位在离心叶轮的对于在与离心叶轮冲击的点处俘获液滴有效的部分中，其中，液滴捕捉装置包括设置在离心叶轮的表面上的孔口，以及设置在离心叶轮内的孔口下方且与孔口处于流体连通的通道；将液滴俘获在液滴捕捉装置的孔口中；以及通过将液滴从孔口引导到液滴捕捉装置的通道来从离心压缩机移除液滴。

上面描述的特征和其它特征由以下图和详细描述例示。

附图简述

现在参照附图，其中相同元件以相同方式标号：

图1是现有技术离心叶轮，其显示液滴流动型式；

图2是常规工业压缩机的离心级的横截面示意图；

图3是常规燃气轮机发动机的横截面示意图；

图4是用于图3的燃气轮机发动机的离心叶轮的横截面示意图；

图5是结合了本文公开的液滴捕捉装置的离心叶轮的一个示例性实施例的横截面示意图；

图6以放大的细节示出图5的示例性液滴捕捉装置中的一个；

图7是槽口类型的液滴捕捉器的一个示例性实施例的横截面示意图；以及

图8是图3的叶轮的放大视图，其示出了可选的条纹或凹槽。

发明详述

本公开涉及用于从离心压缩机移除液滴的液滴捕捉装置(下文为“液滴捕捉器”)。本文描述的液滴捕捉器使得能够高效地收集液滴且将它们引导到将它们引导出压缩机的通道中。液滴分离器的现有概念大体基于安装在压缩机护罩的外周边上的捕捉器或过滤器。这些分离器的一个缺点是在从叶轮移动到压缩机的外周边之前，液滴有时间来聚结和增长。这个延迟容许液体的全局体积分数在压缩机内增长。这样的分离器的另一个缺点是通过打破压缩机表面上的不断增长的液体膜来分开较大的液滴。本文公开的液滴捕捉器在发生聚结之前在与叶轮表面冲击的期望点处移除液滴。粘住的液滴立即被液滴捕捉器从表面上移除，使得液体没有机会会在压缩机附近加速而再次形成新的液滴。因此，压缩机中的液相的全局体积分数可保持在可接受的最小范围处，从而使运行状况保持在针对压缩机设计的那些附近。

如提到的那样，本文公开的液滴捕捉器可用于适于压缩气态流体的任何离心压缩机中。这种压缩机的实例可在例如燃气轮机发动机系统或工业压缩机系统中看到。大体参照附图且具体而言参照图5，将理解，例示用于描述本文公开的液滴捕捉器的特定实施例的目的，而不意图限于此。

图2是典型的工业压缩机的离心级的示意性横截面图。具体而言，图示出通过工业压缩机内的离心区段100的气流路径。来自入口102的空气行进通过扩散器104。空气被向前驱动通过扩散器，并且迂回通过通向离心叶轮108的返回通道106。叶轮叶片向外驱动空气，并且在空气进入燃烧区域(未显示)中之前，进一步压缩空气。在离心叶轮108处，空气体积被叶轮本身和离心级套管110所容纳。如下面将更详细地论述的那样，工业压缩机的离心叶轮108可有利地结合本文公开的液滴捕捉器，以提供液滴的高效收集，并且防止它们在叶轮叶片上聚结和潜在地损害压缩机效率。

图3显示其中可有利地采用本文描述的液滴捕捉器的另一个应用。在图3中，示出了一个示例性燃气轮机发动机的示意性横截面图。从这个点前进，本文将参照在燃气轮机发动机系统中采用的离心压缩机的使用。但是，应当理解，压缩机以及从而本文公开的液滴捕捉器可有利地用于其中在压缩机系统(诸如例如如上面描述的那样的工业压缩机)中存在液滴会损害效率和/或工作寿命的任何系统或工艺中。

图3显示通过具有常规轴线离心压缩机20的燃气轮机发动机18的中心部分的气流路径。来自入口21的空气行进通过成一系列轴向级的旋转叶片24和静态定子22。这些旋转的轴向级驱动空气向前，并且从而以高效的方式压缩空气。在空气传送通过压缩机20的轴向区段之后，离心叶轮26向外驱动空气，并且在空气进入扩散器28和燃烧区域30之前进一步压缩空气。在离心叶轮26处，空气体积被叶轮本身和叶轮护罩23所容纳。压缩空气在燃烧区域中被加热，并且行进通过涡轮喷嘴32和旋转的涡轮转子34，在涡轮转子34处，从高温、高度压缩的气体中回收功。

图4是在图3中以横截面图显示的常规离心叶轮26的透视图。旋转的一体式叶片38可描述为设计成在离心重力场中压缩空气的扭转的片材。分流叶片40(其为较大的连续叶片38的局部形式)防止气流过渡扩散，因为空气通道的大小随着叶轮周边从空气入口42到出口44不断增大而增大。应当注意，现代叶轮大体加工成一个零件。

空气在轴向入口区域42中进入离心叶轮26。在入口处进入的空气已经被离心叶轮的上游的轴向压缩机级压缩。在入口处的空气因此沿平行于旋转轴线的方向移动，并且已经被高度压缩。在叶轮中的空气的内部流径由叶轮毂27形成。空气本身被驱动向前且被叶轮叶片38在叶片的从叶片根部29到叶片尖部31的所有区域中压缩。在空气行进通过离心叶轮时，流动方向从平行于旋转轴线变成在所有方向上垂直于该旋转轴线。在空气到达出口44时，空气主要从旋转轴线向外移动，而不再沿着那个轴线移动。在该点处的流场可描述为离心流场，因为在离心叶轮出口44处的空气的主要方向是切向的。

现在参照图5，示出了结合了本公开的液滴捕捉器60的离心叶轮50的横截面。叶轮50可安装在图2的离心压缩机中，代替常规叶轮26，或代替包括常规液滴分离器的现有叶轮。此外，在另一个实施例中，液滴捕捉器60可设置在结合了压缩机的叶轮上，该压缩机包括现有护罩捕捉器或过滤器。液滴捕捉器60可置于沿着叶轮50的表面的任何位置处。在一个示例性实施例中，液滴捕捉器60在叶轮50的各个叶片52处设置在液滴的期望冲击点处。液体的期望冲击点可取决于许多变量，诸如，例如，压缩机速度、叶轮的大小、各个叶片的大小、叶轮叶片的角度、在压缩机中冷凝的液体(例如水)等。

在这个特定实施例中，各个液滴捕捉器60显示为设置在各个叶片50的根部部分54上。捕捉器60可进一步延伸到叶片本身上，以及在根部部分附近结合邻近的毂表面的一部分。叶片捕捉器60在叶轮50上的期望冲击点上包括具有槽口形状的孔口62。槽口孔口62对于为液滴提供流动的入口是有效的。这个使得能够高效地收集液滴，并且将它们引导到液滴捕捉器60的通道(未显示)中，这些通道将液滴引导出压缩机。

图6更详细地示出了液滴捕捉器60中的一个。液滴捕捉器60的示例性实施例包括3个单独的槽口孔口62。在另一个实施例中，可存在超过3个或少于3孔口。例如，在一些实施例中，可在给定的液滴捕捉器上存在多个槽口孔口。在一个不同的实施例中，对于液滴捕捉器仅需要一个槽口孔口。槽口孔口62与通道64处于流体连通，通道64设置在液滴捕捉器60的本体内的孔口和/或叶轮叶片50本身下方。对于特定系统，槽口孔口可具有适于在第一次冲击时、在液滴有机会在叶轮表面聚结之前俘获液滴的任何大小、形状、数量和尺寸。槽口参数(例如，大小、形状、数量、尺寸)将取决于液滴捕捉器设置在其上的压缩机的流动参数和运行状况。槽口参数应当设计成使得实现液滴的高效收集，并且液滴被引导到通道中，通道将积聚的液体引导出压缩机系统。在确定槽口孔口的参数方面要考虑的重要因素包括(无限制)叶轮大小、叶片设计、液滴捕捉器位置、压缩机大小、压缩机速度、液滴成分等。此外，通道深度将足以在液滴进入捕捉器60时携带液滴远离槽口孔口62且携带出压缩机，而不会导致液体倒退返回到叶轮表面上。通道构造成使得旋转的叶轮的离心力对于沿着通道64将液滴抽离槽口入口62且抽出压缩机护罩是有效的。

图7示出液滴捕捉器80的可选的实施例。液滴捕捉器80是槽口类型的捕捉器，其对于直接从叶片表面移除液滴是有效的。如图7中显示的那样，液滴捕捉器80可为在涡轮叶片84的表面中的类似槽口的孔口82。箭头指示了跨过叶片84的流体(例如水)的流向。捕捉器80的入口侧(即，上游端)向下弯曲且同时在叶片84的表面下放延伸以及沿下游方向延伸远离表面叶片84，使得沿箭头的方向行进的液滴将遵从捕捉器的弯曲部且被从叶片表面移除。液滴捕捉器80特别适于从涡轮表面排出最近形成的膜。因而，液滴捕捉器80可定位在液滴冲击区域的下游。因为最佳效果的差异的原因，槽口类型的液滴捕捉器80可有利地与上面描述的液滴捕捉器60结合起来使用。液滴捕捉器60可直接定位在与液滴冲击的点处，因为为了那个目的，液滴捕捉器60的较简单的开口对于移除液滴可更有效，而槽口类型的液滴捕捉器80可在液滴捕捉器60的下游定位在对于排出由未被液滴捕捉器60捕捉或落在液滴捕捉器60下游的液滴最近形成的液体膜有效的区域中。图5中包括黑点，以示出液滴56在压缩机中的流动型式。如上面描述的那样，液滴捕捉器60定位成在与叶轮冲击的期望点处俘获那些液滴。

要重申，在一个可选的实施例中，额外的液滴捕捉器可定位在期望的冲击点的更下游。例如，槽口类型的液滴捕捉器，例如图7中示出的那些，可在液滴捕捉器60的下游使用，以及与液滴捕捉器60结合起来使用。流动型式示出了在冲击叶轮之后被俘获在槽口孔口62中的一些液滴。但是，液滴捕捉器60不会俘获和收集每一个液滴。流动型式显示一些液滴56冲击叶轮的在液滴捕捉器60的外部区域。离心力将把这些液滴携带到叶轮50的外部周缘。因为液滴捕捉器60已经俘获许多迫近的液滴56，所以降低了滞止(stagnant)的液滴累积在壁上和形成膜的机会。这些剩余的液滴因此可行进离开叶轮且被可选的现有液滴分离器装置俘获，例如安装在压缩机护罩上的捕捉器和过滤器。备选地，在多级离心压缩机的情况下，剩余液滴56可被位于随后的级的叶轮上的第二组液滴捕捉器俘获。照这样，多级压缩机中的液相的全局体积分数将随着液滴从一级行进到另一级而降低，使得在压缩机出口处存在最小量的液体。各个压缩机级的液滴捕捉器可具有相同的尺寸和安装位置，或捕捉器可位于叶片的不同的部分上，并且具有在不同的级之间有所变化的尺寸。例如，可为这样：随着从一级到另一级而减少液滴的量，当液滴最重且大多数污染物存在于压缩机中时，后面的级的液滴捕捉器可比前面的级中的液滴捕捉器有减小的大小和尺寸。

现在返回参照图4，离心叶轮26可进一步可选地包括设置在叶片38上的条纹或雕刻的凹槽90，以便帮助收集水。图8是叶轮26的区段的放大视图，其示出凹槽90。条纹或凹槽90可构造成沿着叶轮叶片表面将水或者排向液滴捕捉器槽口或者排向其它液滴收集装置可设置在其中的叶轮壳体。此外，图8中显示的离心叶轮可进一步可选地包括构造成从各个液滴捕捉器60收集液滴流的排出管路。排出管路可设置在液滴捕捉器下方，即，在叶轮叶片表面下方，并且因此在图中不可见。排出管路可具有用于收集液体的任何适当的形状，例如槽沟、管、管道等等。排出管路可进一步连接到设置在压缩机壳体外部的容器上，以进行收集以及定期处理在压缩机的运行期间收集的液体。

在运行中，一种从离心压缩机移除液体和污染物的方法可包括将液滴捕捉器定位在叶轮表面上，其中，液滴捕捉器设置在对于在与叶轮表面冲击的点处俘获液滴有效的位置上。液滴捕捉器可包括构造成接收液滴的槽口孔口，以及与槽口孔口处于流体连通的通道，通道构造成将液滴引导远离槽口孔口且引导出压缩机。

本文描述的液滴捕捉器提供了优于现有的液滴分离器(特别是设置在压缩机的外部周边上的那些)的清楚的优点。公开的液滴捕捉器使得能够高效地收集液滴，并且在液滴有时间聚结和增长之前将它们引导到将它们引导出压缩机的通道中。本文公开的液滴捕捉器在与叶轮表面冲击的期望点处在发生聚结之前移除液滴，从而立即从表面移除液滴，使得液体将没有机会在压缩机附近加速而再次形成新的液滴。因此，压缩机中的液相的全局体积分数可保持在可接受的最小范围处，从而将运行状况保持在为压缩机设计的那些附近，从而降低损害、改进效率和延长压缩机的寿命。

本文公开的范围是包括性的且可组合起来(例如，“高达大约25重量%，或更具体而言大约5重量%至大约20重量%”的范围包括“大约5重量%至大约25重量%”的范围的端点和所有中间值等)。“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。此外，用语“第一”、“第二”等在本文不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来使一个元件与另一个区别开，并且用语“一个”和“一种”在本文不表示数量的限制，而是表示存在所参照的项目中的至少一个。结合数量所使用的修饰语“大约”包括本数，并且具有上下文所规定的意义，(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差度)。本文所使用的复数“(一个或多个)”意图包括其修饰的用语的单数和复数两者，从而包括一个或多个该项目(例如，着色剂(一个或多个)包括一个或多个着色剂)。贯穿说明书，对“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等的参照表示结合该实施例所描述的特定要素(例如，特性、结构和/或特征)包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可存在或可不存在于其它实施例中。另外，要理解，描述的元件可以任何适当的方式结合在各种实施例中。

虽然参照了优选实施例对本发明进行了描述，但将理解，可在不偏离本发明的范围的情况做出各种改变，且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下进行许多修改，以使具体情况或材料适于本发明的教导。因此，意图的是本发明不限于被公开为为了执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种安装在压缩机叶轮中的液滴捕捉装置，所述装置包括：

第一孔口，其设置在所述压缩机叶轮的表面上且构造成接收液滴；以及

通道，其设置在所述压缩机叶轮内的所述第一孔口下方且与所述第一孔口处于流体连通，其中，所述通道构造成将所述液滴引导远离所述第一孔口且引导出所述压缩机叶轮。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压缩机叶轮的表面进一步包括设置在其上的多个凹槽，所述多个凹槽构造成将所述液滴引导向所述第一孔口。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一孔口具有槽口形状。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括设置在所述第一孔口下游的第二孔口，其中，所述第二孔口包括上游端和下游端，其中，所述压缩机叶轮的在所述上游端处的表面从所述压缩机叶轮的在所述下游端处的表面向下弯曲且在所述压缩机叶轮的在所述下游端处的表面下方延伸而形成所述第二孔口，其中，所述第二孔口构造成沿着所述压缩机叶轮表面的弯曲部引导液体膜且引导其通过所述第二孔口。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一孔口在所述压缩机叶轮表面的位置上设置在液滴冲击区域处。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一孔口设置在所述压缩机叶轮的叶片的根部部分处。

7.一种离心压缩机，包括：

叶轮，其包括：

多个旋转的一体式叶片，所述多个旋转的一体式叶片中的各个具有根部部分和尖部部分，其中，所述多个旋转的一体式叶片构造成在离心重力场中压缩空气；以及

设置在所述多个旋转的一体式叶片上的多个液滴捕捉装置，其中，所述液滴捕捉装置包括设置在所述叶轮的表面上且构造成接收液滴的孔口，以及设置在所述多个旋转的一体式叶片内的所述孔口下方且与所述孔口处于流体连通的通道，其中，所述通道构造成将所述液滴引导远离所述孔口且引导出所述离心压缩机。

8.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述液滴捕捉装置进一步包括与所述通道处于流体连通的排出管路。

9.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述液滴捕捉装置中的一个或多个设置在所述多个旋转的一体式叶片中的各个的表面上。

10.根据权利要求9所述的压缩机，其特征在于，所述多个旋转的一体式叶片的表面中的各个进一步包括设置在其上的多个凹槽，所述多个凹槽构造成将所述液滴引导向所述孔口。

11.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述孔口具有槽口形状。

12.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机进一步包括设置在所述孔口下游的另一孔口，其中，所述另一孔口包括上游端和下游端，其中，所述叶轮的在所述上游端处的表面从所述叶轮的在所述下游端处的表面向下弯曲且在所述叶轮的在所述下游端处的表面下方延伸而形成所述另一孔口，其中，所述另一孔口构造成沿着所述叶轮表面的弯曲部引导液体膜且引导其通过所述另一孔口。

13.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述多个液滴捕捉装置设置在液滴冲击区域处。

14.根据权利要求13所述的压缩机，其特征在于，所述多个液滴捕捉装置设置在所述多个旋转的一体式叶片的所述根部部分处。

15.一种燃气轮机发动机，包括根据权利要求7所述的离心压缩机。

16.一种通过移除液滴来改进离心压缩机的性能的方法，所述方法包括：

将液滴捕捉装置定位在离心叶轮的对于在与所述离心叶轮冲击的点处俘获液滴有效的部分中，其中，所述液滴捕捉装置包括设置在所述离心叶轮的表面上的孔口，以及设置在所述离心叶轮内的所述孔口下方且与所述孔口处于流体连通的通道；

将所述液滴俘获在所述液滴捕捉装置的所述孔口中；以及

通过将所述液滴从所述孔口引导到所述液滴捕捉装置的所述通道来从所述离心压缩机移除所述液滴。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括设置凹槽，所述凹槽在所述液滴捕捉装置上游设置在所述离心叶轮的表面上，其中所述凹槽构造成将所述液滴引导到所述孔口。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括减少所述离心压缩机中的液相的全局体积分数。