CN102822533A

CN102822533A - 非周期性离心式压缩机扩压器

Info

Publication number: CN102822533A
Application number: CN2010800632181A
Authority: CN
Inventors: M·格里格里夫; C·V·斯瓦泰克; J·海特
Original assignee: Cameron International Corp
Current assignee: Cameron International Corp
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-12-12
Also published as: EP2531733A1; KR20120125483A; JP5753199B2; JP2013519036A; US20120294711A1; WO2011096981A1

Abstract

在特定实施例中，一种系统包括具有安装面和多个在轴向从安装面延伸并且围绕扩压器的外周形成非对称（例如，非周期）图形的扩压器叶片的离心式压缩机扩压器。非对称图形可以根据从离心式压缩机的叶轮穿过其扩压器并且通过其涡壳的流体的特性确定。

Description

非周期性离心式压缩机扩压器

相关专利申请的相互参照

本申请要求2010年2月4日提交的名称为“非周期性离心式压缩机扩压器（Non-Periodic Centrifugal Compressor Diffuser）”的第61/301,580号美国临时专利申请的优先权，在此通过引用包括该专利申请的全部内容。

背景技术

本小节意在向读者介绍与下面描述的和/或者要求保护的本发明的各方面相关的各方面技术。可以相信这里的讨论有助于为读者提供易于更好地理解本发明的各方面的背景信息。因此，应当明白，要从该角度阅读这些陈述，而未承认这些陈述是现有技术。

可以采用离心式压缩机为各种应用提供加压流体流。这种压缩机通常包括由电动机、内燃机或者另一种被配置为提供转动输出的驱动单元驱动而旋转的叶轮。当叶轮旋转时，以轴向进入的流体在周向和径向被加速并且被排出。然后，高速流体穿过扩压器，扩压器将流体的速度头转换为压头（即，降低流速，而升高流压）。然后，蜗壳或者涡壳收集径向出流，并使它进入管子。这样，离心式压缩机产生高压流体输出。整个级的效率是这三个部件（即，叶轮、扩压器和蜗壳或者涡壳）如何单独高效执行以及它们如何一起工作的结果。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，可以更好地理解本发明的各种特征、方面和优点，在所有附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：

图1是具有叶轮、非周期性扩压器和涡壳的离心式压缩机级的典型实施例的轴向图；

图2是具有叶轮、非周期性扩压器和涡壳的离心式压缩机级的典型实施例的透视图；

图3是图1和2所示离心式压缩机级的叶轮和非周期性扩压器的透视图；

图4是图1至3所示叶轮的透视图；

图5是图1至3所示叶轮的侧视图；

图6是图1至3所示非周期性扩压器的透视图；

图7是周期性扩压器的透视图；

图8是沿图7的线8-8所取的周期性扩压器的部分透视图；

图9是图1至3和图6所示非周期性扩压器的轴向图；以及

图10是用于获得围绕非周期性扩压器的安装面以非对称（例如，非周期）图形排列多个扩压器叶片的几何形状和取向的方法的流程图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或者多个特定实施例。所描述的这些实施例仅是本发明的举例说明。此外，为了简明描述这些典型实施例，实际实现的所有特征可能未在本说明中全部描述。应该明白，在任何这种实际实现的开发中，与在任何工程或者设计项目中相同，为了实现开发者的特定目标，必须进行许多特定实现判定，诸如服从相关系统限制和相关商业限制，许多特定实现判定从一种实现到另一种实现可以变更。此外，应当明白，这种开发工作可能是复杂并且耗时的，然而，尽管如此，开发工作对于受益于本公开的普通技术人员仍是从事设计、装配和制造的例行工作。

本公开的实施例包括增强径向扩压器（例如，用于离心式压缩机系统中的扩压器）的设计。特别是，所公开的实施例使扩压器与相关叶轮和涡壳或者蜗壳匹配。离心式压缩机系统中的扩压器用于许多用途。扩压器的主要功能之一是当气体通过叶轮的出口到涡壳或者蜗壳时，用于扩压（例如，慢下来）压缩气体。如何精确实现它可能对整个压缩机级的等熵效率的损失具有显著影响。

历史上，扩压器设计基于对从叶轮出来的平均流动条件的预测。还假定不存在涡壳施加的周向压力畸变并且不存在蜗壳舌引起的局部压力畸变。这些假定等同于假定离开扩压器的流进入传统的管道压缩机的集流器（dump collector）或者无叶回流通道。换句话说，假定扩压器的出口处具有均匀周向压力分布。该假定产生了周期性（例如，周向对称）的扩压器设计。

在所公开的实施例中，在围绕扩压器的安装面（例如，该特殊情况下的轮毂）的周向上，扩压器叶片以非对称（例如，非周期）图形排列。至少部分地因为存在涡壳或者蜗壳，被压缩的流体的压力分布在围绕安装面的不同周向位置不同。考虑到这样变化的压力分布，可以改变扩压器叶片的形状、取向和/或者位置，以提高扩压器的效率。换句话说，可以根据靠近扩压器叶片的特定压力和流动特性，专门设计每个单独扩压器叶片。

图1是轴向图，而图2是具有叶轮12、非周期性扩压器14和涡壳16的离心式压缩机级10的典型实施例的透视图。可以采用离心式压缩机级10对各种应用提供加压流体流。叶轮12可以由电动机、内燃机或者另一种被配置为提供转动输出的驱动单元驱动而旋转。当叶轮12旋转时，以轴向进入的流体在周向或者径向被加速并且被排出。然后，高速流体穿过扩压器14，扩压器14将该流体的速度头转换为压头（即，降低流速，而升高流压）。然后，例如，涡壳（或蜗壳）16收集径向出流，并使它进入管子。这样，离心式压缩机级10产生高压流体输出。总级效率是这三个部件（即，叶轮12、扩压器14和涡壳16）如何单独高效执行以及它们如何一起工作的结果。为了进行分析，蜗壳和涡壳是用于接收径向流、可以扩压流也可以不扩压流、然后使流进入出口管的同一个装置的可互换名称。

涡壳16可以使扩压器14的流场畸变，并且在某些情况下，可以在叶轮12的出口测量涡壳16引起的周向畸变。涡壳16引起的压力畸变通常是可变的。特别是，涡壳16通常在3个流动区域（例如，平衡流动、加速流动、以及减速流动）之一工作。由离心式压缩机级10的特定应用确定涡壳16工作的区域。在具有较高流速的应用中，涡壳16的平均流动在接近涡壳16的舌部时会被加速。这对扩压器14产生周向压力畸变。相反，在较低流动的应用中，涡壳16中的流动在减速，并且在加速流动的相反方向，施加周向压力梯度。畸变程度与此应用距离平衡点有多远大致相关。在每个涡壳或者蜗壳中，存在涡壳或者蜗壳内的流动既不加速也不减速（例如，扩压）的应用点。即使在该平衡点，涡壳16的舌部可以施加影响扩压器14的一个区域的压力畸变和流场畸变，但是不会围绕扩压器14周向延伸完整的360度。流动畸变的局部区域可以从舌部区域延伸到叶轮12的出口。

图3是图1和2所示离心式压缩机级10的叶轮12和非周期性扩压器14的透视图。如图所示，叶轮12具有多个轮片18。当叶轮12由外源（例如，电动机、内燃机等）驱动从而旋转时，通过轮片18的可压缩流体加速到达靠近叶轮12径向布置的扩压器14。如图1和2所示，涡壳16与扩压器14直接相邻布置，并且用于收集离开扩压器14的流体流。扩压器14被配置，以将来自叶轮12的高速流体流转换为高压流（例如，将动压头转换为压头）。

在本实施例中，扩压器14包括围绕安装面22在周向31上以非对称（例如，非周期）环形配置与扩压器14的安装面22（例如，该特定情况下为轮毂）连接的扩压器叶片20。扩压器叶片20被配置，以提高扩压器效率。如下所述，每个扩压器叶片20都包括：前缘部分42和后缘部分46。此外，每个扩压器叶片20还包括从位于扩压器叶片20的两侧的前缘部分42到后缘部分46延伸的承压面50和吸面52。通过根据扩压器叶片20附近的特定压力和流动特性设计每个单独扩压器叶片20，与传统的、周期性（例如，对称性）扩压器相比，可以提高扩压器14的效率。

图4是图1至3所示叶轮12的透视图，而图5是其侧视图。如图5所示，可压缩流体流24可以相反于轴向26被引导到叶轮12。换句话说，可压缩流体流24可以沿叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴被引导到叶轮12。如上所述，当叶轮12旋转时，以轴向26进入的流体在周向和径向被加速和排出。更具体地说，如图5所示，加速流体流28至少部分地在径向30被引导。叶轮12的径向30可以是垂直于与叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴重合（在位置和方向二者）的轴向26的任何方向。此外，加速流体可以在可以是围绕叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴的任何转动方向的周向31被至少部分地引导。

图6是图1至3所示非周期性扩压器14的透视图。如图所示，扩压器14与图4和图5中的叶轮12共享轴向26上的公共中心轴。此外，扩压器14的径向30与叶轮12的相同。换句话说，扩压器14的径向30可以是垂直于与叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴重合（在位置和方向二者）的轴向26的任何方向。此外，如上所述，扩压器14包括围绕扩压器14的安装面22在周向31上以非对称图形排列的扩压器叶片20。换句话说，在一个扩压器叶片20与下一个扩压器叶片20之间，扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置是非周期的（例如，非对称的）。扩压器14的周向31可以是围绕叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴的任何转动方向。

为了说明非周期性扩压器14的扩压器叶片20的非周期性设计，将非周期性扩压器14与围绕扩压器的安装面在周向31上具有对称（例如，周期）图形的基本相同扩压器叶片的扩压器进行比较。例如，图7是周期性扩压器32的透视图。此外，图8是沿图7的线8－8取的周期性扩压器32的部分透视图。如图7所示，周期性扩压器32包括围绕周期性扩压器32的安装面36（例如，在这种情况下是轮毂）在周向31上以对称（例如，周期）图形布置的多个基本相同扩压器叶片34。

图8示出周期性扩压器32的单个扩压器叶片34，它被用作标准叶片。对于每个扩压器叶片34的任何给定的轴高z，可以沿其法线与轴向26重合的基准平面限定基准面38。在图8所示的标准扩压器叶片34上，基准面38由扩压器叶片34的外表面限定。然而，在此描述的分析可以用于任何轴高的扩压器叶片34。换句话说，基准面可以被限定在扩压器叶片34的任何轴高。在所示的例子中，基准平面包括穿过叶轮12、扩压器14和涡壳16的公共中心轴的基准中心点Z_ref。

基准面38的特性可以由通过离开基准中心点Z_ref的径向距离r、角位置θ、以及轴高z限定的一组独特点进行描述。对于任何给定的基准平面，一组独特点的轴高z是相同的。然而，径向距离r和角位置θ会不同，并且将基准面38的各个独特点限定在基准平面上。例如，对应于扩压器叶片34的前缘部分42的前缘点40可以被定义为基准面38的基线点，因此，它可以由径向距离r₀和等于0度的角位置θ₀限定。同样，对应于扩压器叶片34的后缘部分46的后缘点44可以由径向距离r₁和角位置θ₁限定。此外，承压面点48可以由径向距离r₂和角位置θ₂限定。因此，扩压器叶片34的承压面50可以由沿扩压器叶片34的承压面50的多个点限定。然而，扩压器叶片34的吸面52可以被同样限定。的确，在图8所示的基准扩压器叶片34的基准面38上可能有无数个独特点。然而，为了有助于计算扩压器叶片34的形状、取向和/或者位置，可以限制用于限定各扩压器叶片34的设计的独特点的数量。

此外，图7所示扩压器32的扩压器叶片34中的每一个均可以同样包括沿基准平面的一组独特点。换句话说，扩压器叶片34中的每一个都可以包括通过沿诸如图8所示基准扩压器叶片34的基准面38的基准平面的一组独特点限定的二维区域。对于图7和8的周期性扩压器32，对于位于基准扩压器叶片34的基准平面（例如，基准面38）上的二维域内的每个点，以由360.0除以N的整数倍旋转这些点中的每一个，将产生位于另一个扩压器叶片34的基准平面的二维域内的点，其中N是扩压器32的扩压器叶片34的数量。例如，图7所示的扩压器32包括9个扩压器叶片34。这样，对于位于基准扩压器叶片34的基准平面（例如，基准面38）的二维域内的每个点，点旋转40度、80度、120度、160度、200度、240度、280度和320度（例如，360.0度除以9的整数倍，即40.0度的整数倍）将产生位于另一个扩压器叶片34的基准平面的二维域内的点。

相反，不满足该要求的任何扩压器都可以被看作是非周期性的。例如，图9是图1至3和图6所示的、具有多个围绕安装面22的周向31以非周期（例如，非对称）图形排列的扩压器叶片54、56、58、60、62、64、66、68和70的非周期性扩压器14的轴向图。为了说明图9所示非周期（例如，非对称）图形的性质，基准点A、B、C、D、E、F、G、H和I定位在围绕安装面22的等间距周向位置。如图所示，图9的扩压器14包括9个扩压器叶片20。这样，基准点A、B、C、D、E、F、G、H和I以40度的弧角

等间隔分离（例如，360.0度除以9）。

所示的扩压器叶片54、56、58、60、62、64、66、68和70中的每个通常都与基准点A、B、C、D、E、F、G、H和I之一相关联（例如，扩压器叶片54与基准点A相关联、扩压器叶片56与基准点B相关联、扩压器叶片58与基准点C相关联、扩压器叶片60与基准点D相关联、扩压器叶片62与基准点E相关联、扩压器叶片64与基准点F相关联、扩压器叶片66与基准点G相关联、扩压器叶片68与基准点H相关联、扩压器叶片70与基准点I相关联）。基准点A、B、C、D、E、F、G、H和I用于说明扩压器叶片54、56、58、60、62、64、66、68和70的形状、取向和/或者位置如何沿安装面22的周向31从一个扩压器叶片到另一个扩压器叶片变化。

更具体地说，如上所述，为了被考虑为周期性（例如，对称性）扩压器14，对于位于扩压器叶片54的基准平面内的扩压器叶片54（例如，基准叶片）的二维域内的每个点，点旋转40度、80度、120度、160度、200度、240度、280度和320度（例如，360.0度除以9的整数倍，即，40.0度的整数倍）将产生位于其他扩压器叶片56、58、60、62、64、66、68和70的基准平面内的二维域内的点。然而，如图所示，对应于通过40度、80度、120度、160度、200度、240度、280度和320度的弧角旋转的基准点A的基准点B、C、D、E、F、G、H和I不都位于其他扩压器叶片56、58、60、62、64、66、68和70的基准平面的二维域内。例如，基准点E、F、G、H和I不位于扩压器叶片62、64、66、68和70的基准平面的二维域内。因此，图9所示的扩压器14是非周期性（例如，非对称性）扩压器14。

如上所述，可以通过考虑到从叶轮12穿过扩压器14并且通过涡壳16流动的流体的压力和流体流动特性，确定围绕安装面22的周向31上的扩压器叶片20的非对称（例如，非周期）图形。例如，图10是用于求得围绕非周期性扩压器14的安装面22以非对称（例如，非周期）图形排列多个扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置的方法72的流程图。通过整个叶轮－扩压器－涡壳组（例如，从叶轮12穿过扩压器14并且通过涡壳16），可以确定由离心式压缩机级10压缩的流体的压力和流体流动特性，以致当求取扩压器14的每个单独扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置时，可以考虑到流场的扰动（方框74）。更具体地说，可以利用穿过整个叶轮－扩压器－涡壳组的压力和流体流动特性求得扩压器14的每个单独扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置，以致仅通过使其他扩压器叶片20中的每个执行等于360.0度除以N的整数倍的弧角的理论旋转量，不能求得扩压器叶片20至少之一，其中N等于扩压器14的扩压器叶片20的数量（方框76）。此外，在特定实施例中，通过考虑到穿过整个叶轮－扩压器－涡壳组的压力和流体流动特性，可以对扩压器14确定扩压器叶片20的最佳数量。图10的方法72可以在被专门编程的计算机上执行，以求得扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置。计算机可以是包括一个或者多个可以与存储器通信并且执行诸如图10的方法72所示的那些指令的计算机指令的处理器的任何适当计算机（例如，膝上型、台式机、服务器等）。

根据穿过整个叶轮－扩压器－涡壳组的压力和流体流动特性求得的每个单独扩压器叶片20的形状、取向和/或者位置可以调节扩压器叶片20，这样可以降低由于例如存在蜗壳或者涡壳的舌部产生的流场扰动的不利影响。因此，非周期性扩压器14可以使其相应离心式压缩机级10的总体效率提高。例如，在特定实施例中，考虑了流体流场的变化得到的扩压器叶片20的非对称（例如，非周期）图形可以使压缩机级的效率提高约0.5％、1.0％、1.5％甚或更高。

扩压器叶片20的非对称（例如，非周期）图形可以包括从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的非对称几何形状、非对称取向或者它们二者。例如，在特定实施例中，非对称几何形状可以包括承压面50从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的变化。然而，在其他实施例中，非对称几何形状可以包括吸面52从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的变化。此外，在特定实施例中，非对称取向可以包括径向位置从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的变化。然而，在其他实施例中，非对称取向可以包括相对于等间距基准点的周向位置从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的变化。此外，在其他实施例中，非对称取向可以包括角取向从第一扩压器叶片20到第二扩压器叶片20的变化。

该方法中的唯一不同在于，对于从叶轮12的上游到涡壳16的下游延伸的计算场（computational field），利用非时稳计算流动力学（time-unsteady computational flowdynamics（CFD））分析来优化每个单独扩压器叶片20的非周期性扩压器14的性能。这种水平的分析的结果能够综合查看扩压器14内的不稳定流场并且总体评估具有扩压器14的压缩机级10的性能。扩压器叶片20的最佳设计可以将在扩压器叶片20附近产生损失的流体结构的产生降低到最少。在所公开的实施例中，单独扩压器叶片20的最佳形状、取向和/或者位置导致一个或者多个扩压器叶片20不再是沿以等于360.0度除以扩压器叶片20的数量的弧角限定的等间距径向线的空间对称的。

单独扩压器叶片20可以包括例如变换二维叶栅、三维雕刻平板设计、三维扭转叶面、或者任何三维面。叶轮12的出流场和精确蜗壳几何形状将确定最佳扩压器叶片面形状。可以根据叶轮12和涡壳16二者施加的特定局部压力和流体流动特性，专门设计每个单独扩压器叶片20。最终设计将在所有应用之间共享一个共同特性；即，扩压器14是非周期性的（不是周向对称的），因为扩压器叶片20被局部优化。在许多情况下，对于任何给定的扩压器叶片20，可能不存在单个最好的独特扩压器叶片形状，并且最佳选择可能是既实现最佳性能且制造最简单。该设计方法的好处是使整个级的效率提高约1.5％，并且还提高喘振边界。

尽管作为例子在附图中示出了并且在此详细描述了特定实施例，但是容许对本发明进行各种修改和变型。然而，应当明白，本发明并不局限于所公开的特定形式。相反，本发明涵盖落入下面所附权利要求限定的本发明的实质范围内的所有修改、等同和变型。

Claims

1.一种系统，包括：

离心式气体压缩机，包括：

叶轮；

扩压器，被配置为用于将来自所述叶轮的流体流的速度转换为压力；以及

涡壳，被配置为用于将来自所述扩压器的流体流引导到离心式气体压缩机之外；

其中所述扩压器包括多个围绕所述扩压器的安装面以非对称图形排列的扩压器叶片。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述非对称图形是根据从所述叶轮穿过所述扩压器并且通过所述涡壳的流体的特性确定的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述非对称图形包括非对称几何形状。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述非对称几何形状包括承压面从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述非对称几何形状包括吸面从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述非对称图形包括非对称取向。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述非对称取向包括径向位置从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述非对称取向包括相对于等间距基准点的周向位置从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述非对称取向包括角取向从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

10.一种系统，包括：

离心式压缩机扩压器，具有安装面和多个在轴向从所述安装面延伸并且沿所述安装面在周向形成非对称图形的扩压器叶片。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述非对称图形包括非对称几何形状。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述非对称几何形状包括承压面或者吸面从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

13.根据权利要求10所述的系统，其中所述非对称图形包括非对称取向。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述非对称取向包括径向位置从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

15.根据权利要求13所述的系统，其中所述非对称取向包括相对于等间距基准点的周向位置从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

16.根据权利要求13所述的系统，其中所述非对称取向包括角取向从第一扩压器叶片到第二扩压器叶片的变化。

17.一种方法，包括：

确定从离心式压缩机叶轮穿过离心式压缩机扩压器并且通过离心式压缩机涡壳的流体的三维流场特性；以及

根据所述三维流场特性，优化所述离心式压缩机扩压器的多个扩压器叶片的形状、取向和位置。

18.根据权利要求17所述的方法，其中优化所述多个扩压器叶片中每个的形状、取向和位置包括将在多个扩压器叶片中每个的附近产生损失的流体结构的产生降低到最少。

19.根据权利要求18所述的方法，其中优化所述多个扩压器叶片中每个的形状、取向和位置包括优化所述多个扩压器叶片中每个的承压面或者吸面。

20.根据权利要求17所述的方法，其中一个或者多个扩压器叶片面不是沿着以等于360.0度除以所述扩压器叶片数量的角度限定的等间距径向线的空间对称的。