CN102686889A - 径流式压缩机扩散器 - Google Patents

Abstract

一种用于径流式压缩机级（1）的、具有流动通道（7）的径流式压缩机扩散器，所述流动通道径向向外延伸并且在径向内部具有在第一半径（10）处的圆柱形环绕的入口横截面（9）以及在径向外部具有圆柱形环绕的出口横截面（11）。在流动通道（7）中的出口横截面（11）的区域中设有径向扩散器出口叶片组（15），通过所述径向扩散器出口叶片组避免了由传统的安装叶片的扩散器已知的缺点。

Description

径流式压缩机扩散器

技术领域

本发明涉及一种用于径流式压缩机级的径流式压缩机扩散器，其中径流式压缩机扩散器具有径流式压缩机出口叶片组。

背景技术

径流式压缩机级应用在涡轮压缩机的不同的构造形式中。在此，按照应用领域区分在径流式压缩机级中的导流装置的类型。在径流式压缩机中的导流装置具有叶轮、径向扩散器和流出壳体作为基本元件。这尤其涉及单级径流式压缩机的、变速压缩机的各个级的或者多级单轴压缩机的末级的导流装置。径向扩散器既能构造为无叶片的扩散器也能构造为安装叶片的扩散器。流出壳体通常构造为螺旋形的壳体。

为了实现更好的工作特性，螺旋形壳体设计并且构成为，使得在叶轮外周上的或者在径向扩散器的外周上的静压力是恒定的。为此必需的是，螺旋部的流动横截面精确匹配于存在于径向扩散器的出口处的流动数据。但是，因为流动数据在沿着压缩机特征曲线工作时发生变化，所以该匹配常常仅非常不完整地实现：例如，螺旋部仅对于特定设计点精确匹配于流动数据，而在压缩机的其他工作点（“非设计工作点”）上不存在螺旋部的特别的匹配。换而言之，根据相应的工作点，在一方面叶轮和扩散器和另一方面螺旋形壳体之间或多或少存在大的空气动力错误匹配，这相应地导致对于径向扩散器的工作性能的负作用。

下面，为了实现在叶轮外周或者扩散器外周上的恒定的静压力，示例地说明一种用于计算螺旋形壳体的横截面尺寸的运算过程，该计算过程在Eckert/Schnell，“Axial-und Radial-Kompressoren（轴流式压缩机和径流式压缩机）”，Springer Verlage，1961，417页以及之后）中加以说明。因此，螺旋部尺寸参数C用作为用于横截面尺寸的重要参数，所述螺旋部尺寸参数如下计算：

$C=\frac{720\mathrm{\π}\·c_u\·r}{Q},$

其中c_u：流速的在进入到螺旋部中的入口处的用于螺旋部设计点的切向分量，r：在螺旋部入口处的半径，Q：在进入到螺旋形中的入口处的用于螺旋部设计点的体积流量，π：圆周率。

由此变形之后得出：

$C=\frac{360}{b\·\tan {\mathrm{\α}}_C}$

或者

${\mathrm{\α}}_C=\arctan \left(\frac{360}{b\·C}\right),$

其中b：在螺旋部入口处的扩散器宽度。

因此适用的是：对于具有特征在于螺旋部尺寸参数C的给定螺旋部的压缩机级而言，当流动角度根据上述关系设定为数值α_C时，则精确实现在叶轮外周或者扩散器外周上的恒定的压力。在螺旋部入口处出现的流动角度α的特征在于叶轮和所述流动在径向扩散器中的继续发展。该角度决不是恒定的，而是沿着压缩机特征曲线变化。因此，仅在适用α=α_C的特殊工作点上观察到在叶轮、扩散器和螺旋部之间的最佳的相匹配。在偏离于该工作点的工作点中由于α≠α_C而可预期损失。

此外，经常省略螺旋部的明确的设计，并且取而代之地将叶轮和扩散器与已经存在于标准化的模块结构系统的范围中的螺旋部组合。这经常由于成本原因而发生，其中，有利于成本状况地接受非最佳的工作特性。上面描述的问题尤其在无叶片的径向扩散器中出现，但是也在安装叶片的径向扩散器中出现。特别地，在无叶片的径向扩散器的情况中，错误匹配的螺旋形壳体经常特别负面地影响压缩机级的工作性能。

在安装叶片的径向扩散器中，能够很大程度上避免与错误匹配的螺旋形壳体关联的损失。借助于安装叶片的扩散器，能够实现相对于未安装叶片的扩散器的效率优势，其中，但是这仅当安装叶片的扩散器尽可能接近于叶轮定位时才实现。出于这个原因，在安装叶片的扩散器中的入口比r₃/r₁（r₃在此表示径流式压缩机叶片的径向延伸向内终止处的半径，并且r₁表示叶轮出口的或者流动通道的入口横截面所位于的半径）通常在r₃/r₁＝1.05至r₃/r₁＝1.2之间。然而，安装叶片的扩散器不总是期望的，并且此外具有限制可用的运行范围的缺点并且造成提高的压缩机噪声。在安装叶片的径向扩散器中，可能会由于叶轮导轮相互作用产生激振，更确切地说，产生在扩散器叶片和动叶片之间相互作用，这可导致高负荷叶轮的激振。因此，在安装叶片的径流式压缩机扩散器中，可基于叶轮的尾随低压来估算进入扩散器叶片中的入流的显著的波动，此外由于与扩散器叶片的相互作用还导致压缩机噪声的上面说明的显著升高。半径比r₃/r₁越小，基于叶轮导轮相互作用所引起的不利影响就越显著。

发明内容

本发明的目的是，提供一种径流式压缩机，其在不最佳匹配于流出壳体的情况下具有改进的工作特性，并且不具有从传统的安装叶片的扩散器中已知的缺点。

根据本发明，提出一种用于径流式压缩机级的径流式压缩机扩散器，其具有流动通道，所述流动通道径向向外延伸，并且在径向内部具有在第一半径处圆柱形环绕的入口横截面以及在径向外部具有圆柱形环绕的出口横截面，并且所述流动通道构造成，在径流式压缩机扩散器工作时，使从直接设置在径流式压缩机扩散器上游的径流式压缩机叶轮流出的并且通过入口横截面进入到流动通道中的气流减速，以便通过出口横截面流出到流出螺旋形壳体中。在流动通道中的出口横截面的区域中设有径向扩散器出口叶片组，所述径向扩散器出口叶片组的作用是，使得气流的由径向扩散器出口叶片组确定的流出角度几乎不受径流式压缩机叶轮的工作状态影响，并且径向扩散器出口叶片组的径向延伸向内终止在第三半径上，其中第三半径与第一半径的比值为至少1.2。此外，根据本发明提出一种具有根据本发明的径流式压缩机扩散器的径流式压缩机级。

根据本发明的径流式压缩机扩散器的优点是，对于径向扩散器的靠外的区域使用即使在体积流量沿着特征曲线变化时也引起具有值α_C的近似恒定的流出角度α的导向叶片，由此，在特征曲线的整个范围中实现进入螺旋部的最佳入流，并且避免在效率和压缩机工作方面的损失。

根据本发明的扩展形式，径流式压缩机扩散器的径向扩散器出口叶片组具有多个设置在外周上的导向叶片，所述导向叶片的前缘环绕地设置在第三半径上。在此，多个设置在外周上的导向叶片优选具有环绕地设置在第三半径和出口横截面的半径之间的区域中的后缘。

根据本发明的径向扩散器出口叶片组具有相比于在传统的安装叶片的扩散器的情况中的入口半径比更高的入口半径比r₃/r₁，因此，导向叶片安置在存在相对低的速度水平（在扩散器中的速度水平大约与径向尺寸的倒数成比例）的区域。由此，一方面在叶片组的入口处的冲角损失低，另一方面在级之间的狭窄部位中存在这样的低速度水平或马赫数水平，使得即使对于高体积流量也达不到临界质量流密度。因此，在根据本发明的叶片组中不出现如在传统的安装叶片的扩散器的情况中的工作区域的限制。此外，在半径比r₃/r₁≥1.2时，很大程度上补偿了尾随低压，使得避免由于叶轮导轮相互作用引起的负面影响。优选的是，第三半径与第一半径的比值为至少1.35。

根据本发明的径向扩散器出口叶片组的作用是，明显的流出角度确保更好地流入到螺旋形的收集腔中，并且所述径向扩散器出口叶片组的径向延伸向内终止在第三半径上，其中第三半径与第一半径的比至少大到使得避免了由传统的安装叶片的径向扩散器已知的缺点。

附图说明

下面，根据示意的参考附图阐明根据本发明的径流式压缩机扩散器的优选实施形式。附图示出：

图1示出根据本发明的第一实施例的径流式压缩机级的示意剖面图；并且

图2示出图1中的径流式压缩机级的径向扩散器出口叶片组的俯视图。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的实施例的径流式压缩机级1的示意剖面图。径流式压缩机级1具有径流式压缩机叶轮3、径流式压缩机扩散器6以及流出螺旋形壳体8。径流式压缩机叶轮3安置在用于驱动径流式压缩机叶轮3的轴2上。在径流式压缩机级1工作时，气体通过径流式压缩机叶轮3的叶轮入口4进入到径流式压缩机叶轮3中，流过径流式压缩机叶轮3并且通过叶轮出口5且通过径流式压缩机扩散器入口9进入到径流式压缩机扩散器6中。

径流式压缩机扩散器入口9设置成与轴2的轴线具有规定的、根据图1表示为半径10的径向距离。此外，径流式压缩机扩散器6具有通道7以及设置在半径12上的并且具有规定的宽度13的出口11。流出螺旋形壳体8的流出壳体入口14连接到扩散器6上。此外，扩散器6具有径向扩散器出口叶片组15。径向扩散器出口叶片组15设置为接近于径向扩散器出口11，并且在半径16，即在径向扩散器出口叶片组15的入口处的半径以及出口横截面11的半径12和第三半径16之间的区域之间延伸。在图1中示出的实施例中，径向扩散器出口叶片组15设置在径流式压缩机扩散器6的靠外的区域中，在流出螺旋形壳体8的入口区之前不远。入口半径比，在此即在径向扩散器出口叶片组15的入口处的半径16和在径向扩散器入口9处的半径10之间的比，高于在传统的安装叶片的径向扩散器中的入口半径比。

在图2中示意地示出图1中的径流式压缩机级的径向扩散器出口叶片组的一部分。叶片组15具有在半径22和半径16之间径向延伸的多个导向叶片17。在此，导向叶片17的后缘20分别位于半径22上并且导向叶片17的前缘19设置在半径16上。此外，导向叶片17相对于径向方向倾斜，使得在导向叶片17或者径向扩散器出口叶片组15的下游的出现的流速向量21具有流出角α，所述流出角在图2中用18表示。

Claims (5)

1.用于径流式压缩机级（1）的径流式压缩机扩散器，具有流动通道（7），所述流动通道径向向外延伸并且在径向内部具有在第一半径（10）处圆柱形环绕的入口横截面（9）以及在径向外部具有圆柱形环绕的出口横截面（11），其中，所述流动通道（7）构造成，使从直接地设置在所述径流式压缩机扩散器（6）的上游的径流式压缩机叶轮（3）中流出的并且通过所述入口横截面（9）进入到所述流动通道（7）中的气流减速，以便通过所述出口横截面（11）流出到流出螺旋形壳体（8）中，其中，在所述流动通道（7）中的所述出口横截面（11）的区域中，设有径向扩散器出口叶片组（15），所述径向扩散器出口叶片组的作用是，使得所述气流的由所述径向扩散器出口叶片组（15）确定的流出角度（18）几乎不受所述径流式压缩机叶轮（3）的工作状态影响，并且所述径向扩散器出口叶片组的径向延伸向内终止在第三半径（16）上，其中，所述第三半径（16）与所述第一半径（10）的比值为至少1.2。

2.根据权利要求1所述的径流式压缩机扩散器，其中，所述径向扩散器出口叶片组（15）具有多个设置在外周上的导向叶片（17），所述导向叶片的前缘（19）环绕地设置在所述第三半径（16）上。

3.根据权利要求2所述的径流式压缩机扩散器，其中，多个设置在所述外周上的所述导向叶片（17）具有后缘（20），所述后缘环绕地设置在所述第三半径（16）和所述出口横截面（11）的半径（12）之间的区域中。

4.根据权利要求3所述的径流式压缩机扩散器，其中，所述第三半径（16）与所述第一半径（10）的比值为至少1.35。

5.径流式压缩机级，具有根据权利要求1至4之一所述的径流式压缩机扩散器（6）。

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