CN103244462A - 串列式叶片扩压器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串列式叶片扩压器及其制造方法。本发明的串列式叶片扩压器，设置在压缩机的叶轮的出口和蜗壳的进口之间，包括：进口无叶段，进口连通叶轮的出口；串列式叶片段，内部设置叶片，进口连通进口无叶段的出口；出口无叶段，进口连通串列式叶片段的出口，出口连通蜗壳的进口；其中，串列式叶片段内设置多组叶片，每一组叶片呈环形均匀分布，多组叶片之间彼此间隔布置。本发明的主要优点是，采用多组串列式叶片，提高扩压器的扩压度，缩小压缩机的耗功，提高效率；在叶片段的前后分别增设无叶段解决常规叶片扩压器变工况适应性差的缺点，减少变工况下的冲击损失，拓宽压缩机工作范围。

Description

串列式叶片扩压器及其制造方法

技术领域

本发明涉及离心式压缩机领域，特别是一种串列式叶片扩压器及其制造方法。

背景技术

据统计，离心式冷水机组90％以上的时间处于部分负荷工况下运行，其冷水机组的部分负荷性能直接影响机组全年运行功耗。同时，国标GB/T18430.1-2007中也提出综合部分负荷性能系数IPLV的规定和要求。因此，对于离心式制冷压缩机的设计来说，不但要保证较高的满负荷效率，而且要追求部分负荷的性能指标，同时还要保证较宽的运行工况范围。

扩压器的合理使用可以使压缩机具有很好的性能。由于从叶轮中出来的气流还有很大的气流速度，对于制冷压缩机的叶轮来说，其出口气流速度可高达100m/s。为了减少损失，一般要求排入冷凝器的气流流速为10～30m/s，若将100m/s这么大速度的气流直接排入冷凝器，将引起很大的动能损失。因此，为了回收这部分动能，常常在叶轮后面增加扩压器，常用的扩压器形式包括无叶扩压器或叶片扩压器。

如图1所示，采用无叶扩压器的单级离心压缩机，其无叶扩压器70位于叶轮40出口和蜗壳60进口之间。从蒸发器出来的低温低压制冷剂蒸汽经导叶(IGV)50调节和叶轮40做功后变为高压高速的气体，进入无叶扩压器70，以一定的气流方向角从无叶扩压器70的进口流动至出口，速度逐渐降低，压力逐渐升高。在不考虑流动损失情况下，随着扩压器出口外径的增大，气流压力升高。最后从扩压器70出来的气体进入蜗壳60，经蜗壳60收集后排到冷凝器中。

无叶扩压器包括由两个壁面构成的环形通道，结构简单，造价低，性能曲线平坦，稳定工况范围较宽，且在马赫数Ma较高时，效率降低不明显，其缺点是因气流方向角基本不变，流动路程较长。因此摩擦损失大，若想获得较高的扩压度，必须把扩压器的外径做得很大，这样导致机器的外形尺寸很大；而且在设计工况下，其效率低于叶片扩压器，特别在气流方向角小时更为明显。

叶片扩压器是在上述无叶扩压器的环形空间内装上一系列叶片，具有扩压能力强，尺寸小的优点，其流道短，流动损失小，因而效率较高。在设计工况下，其效率可比无叶扩压器高3～5％，特别在气流方向角较小时，叶片扩压器效率更高。叶片扩压器的缺点是：由于叶片的存在，变工况时气流冲击损失较大，效率下降明显，特别在冲角较大时，流道中易产生严重的分离，会导致喘振的发生。另外，叶片扩压器的扩压作用主要发生在前半段，愈到后面，流动损失越大，扩压作用就愈弱，所以，单一增加叶片出口外径来增加扩压度的做法效果并不显著。

叶片扩压器相比无叶扩压器具有较高的效率，但变工况适应性差，扩压度也受叶片出口外径直径影响，如何利用叶片扩压器既提高效率又保证较宽的运行范围是现有技术需要解决的问题。

发明内容

本发明提供一种串列式叶片扩压器及其制造方法，解决现有叶片扩压器效率低、变工况适应性差的缺点。

本发明通过如下技术方案实现：一种串列式叶片扩压器，设置在压缩机的叶轮的出口和蜗壳的进口之间，包括：进口无叶段，进口连通叶轮的出口；串列式叶片段，内部设置叶片，进口连通进口无叶段的出口；出口无叶段，进口连通串列式叶片段的出口，出口连通蜗壳的进口；其中，串列式叶片段内设置多组叶片，每一组叶片呈环形均匀分布，多组叶片之间彼此间隔布置。

进一步地，进口无叶段的内径由进口到出口逐渐收敛。

进一步地，叶片包括第一组叶片和第二组叶片。

进一步地，第一组叶片和第二组叶片弦线之间的夹角为10°～14°。

进一步地，第一组叶片的出进口直径比为1.1～1.3，第二组叶片的出进口直径比为1.25～1.35，第二组叶片进口直径与第一组叶片出口直径比为0.9～1.1。

进一步地，每组叶片的进口角为10°～25°，出口角为25°～35°。

进一步地，每组叶片的叶片数为7～13片。

进一步地，每组叶片的叶片弦长与叶片间距之比为小于1.5。

进一步地，叶片的叶片弦长与叶片间距之比的计算公式为：

其中，l为叶片弦长，t为叶片间距，Z为叶片数量，D_出为叶片出口直径，D_进为叶片进口直径，α_进为叶片进口角，α_出为叶片出口角。

进一步地，叶片采用机翼型叶片。

根据本发明的另一方面，提供一种串列式叶片扩压器的制造方法，包括，过渡段加工步骤，在第一板上预留出串列式叶片段，在串列式叶片段的进口处加工进口无叶段，在串列式叶片段的出口处加工出口无叶段；叶片加工步骤，在串列式叶片段加工呈环形均匀分布的叶片，其中，串列式叶片段内设置多组叶片，多组叶片之间彼此间隔布置；组合安装步骤，将第二板与第一板组合形成串列式叶片扩压器，将串列式叶片扩压器安装在压缩机叶轮的出口和蜗壳的进口之间。

通过上述技术方案，本发明的主要优点是，1、采用多组串列式叶片，提高扩压器的扩压度，缩小压缩机的耗功，提高效率。2、在叶片段的前后分别增设无叶段解决常规叶片扩压器变工况适应性差的缺点，减少变工况下的冲击损失，拓宽压缩机工作范围。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术的无叶片扩压器在压缩机中的整体布置示意图；

图2示出了本发明的一个实施例的串列式叶片扩压器在压缩机中的整体布置示意图；

图3示出了本发明的一个实施例的串列式叶片扩压器的侧面剖视图；

图4示出了本发明的一个实施例的串列式叶片扩压器的俯视图；

图5示出了现有技术的叶片扩压器叶片部分的附面层示意图；以及

图6示出了本发明的一个实施例的串列式叶片扩压器的叶片部分的附面层示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明采用串列式低稠度叶片来主要提高扩压度，并在气流进入叶片前和流出叶片后均采用无叶扩压器来均匀气流流动，达到整个扩压器在较宽的运行范围都有正常工作，并且获取高效的扩压度，从而减少压缩机功耗。

如图2、图3所示，本发明的串列式叶片扩压器由进口无叶段10、串列式叶片段20和出口无叶段30组成。本发明的串列式叶片扩压器主要具有以下特征：

进口无叶段10位于扩压器进口处，并与叶轮40的出口相接，与叶轮40轮盖同侧的壁采用逐渐收敛的形式。优选地，收敛壁的收敛角度取7°～10°，收敛直径D3＝(1.1～1.15)D2，收敛段的棱边采用半径R5～R10圆角过渡。优选地，与叶轮轮毂同侧的壁采用直壁形式，与收敛壁共同组成串列式叶片扩压器的进口无叶段10，即：收敛式的无叶扩压器。进口无叶段10收敛前宽度b2与叶轮出口段相同，收敛后的宽度b3需根据叶轮宽径比b2/D2而定，当b2/D2＞0.04时，最佳值是b2/b3＝0.8。当b2/D2≤0.04时，通常取b2＝b3。有时在b2/D2较小时，可取b2＞b3。通过以上进口无叶段10的设计，在部分负荷下，可以使叶轮出口的高速不均匀气流通过收敛的作用加快均匀，从而改善进入叶片的气流状况，拓宽扩压器的工作范围。

串列式叶片段20顺接于进口无叶段10后面，两壁均采用直壁形式，并在两壁中任一壁上加上叶片21，此叶片可通过装配的形式圆周方向均匀装于直壁上，也可通过加工的方法把叶片和直壁一体形成，这样再通过两壁的组合，其内环圆周中就均匀分布着叶片，形成叶片扩压通道。

如图4所示，串列式叶片21在圆周方向上设有两组，每组叶片各自呈环形均匀分布，并且两列叶片间隔布置，即第一组叶片211的每个叶片的间隙中设置一片第二组叶片212。其中两列叶片间的夹角γ为：10°～14°，第一组叶片211出进口直径比D₃₂/D₃取值：1.1～1.3，第二组叶片212出进口直径比D₄/D₃₁取值：1.25～1.35，第二组叶片212进口直径与第一组叶片211出口直径比D₃₁/D₃₂取值：0.9～1.1，每列叶片数Z各自分别为7～13片，叶片进口角α₃₁、α₃₃取值：10°～25°，叶片出口角α₃₂、α₄取值：25°～35°，两列叶片高度均与进口无叶段10收敛后的宽度相同，即为b3值。两列叶片21均采用低稠度形式，即叶片弦长l和叶片间距t之间的关系l/t≤1.5的叶片扩压器称为低稠度叶片扩压器，l/t过大会增加叶道进口处的阻塞，加大损失，l/t过小，扩压能力减少，在出口产生回流损失。为了获取适当的值，采用公式：

其取值范围为0.7～1.2，其中l为叶片弦长，t为叶片间距，Z为叶片数量，D_出为叶片出口直径，如图3中的D₃₂或D₄，D_进为叶片进口直径，如图4中的D₃或D₃₁，α_进为叶片进口几何角，如图3中的α₃₁或α₃₃，α_出为叶片出口几何角，如图3中的α₃₂或α₄。优选地，为减少流动损失，提高变工况性能，叶片型线采用NACA65(04)06机翼型叶片。

如图5、图6所示的对比，通过两列串列式叶片的前后布置，第一组叶片211出来的气流对第二组叶片212上的边界层有冲刷作用，可以使串列式叶片扩压器在较大的扩压度下工作而不致引起边界层分离。图5中示出了现有技术中的叶片扩压器的附面层流动情况，附面层分离严重。图6中示出本发明的串列式叶片扩压器，附面层分离得以控制。这样使扩压器的压力恢复系数大大提高，大大改善叶片扩压器在大扩压度下的效率，与无叶扩压器相比，在获取相同扩压性能的情况下，有效减小压缩机的外形结构尺寸。同时，由于α₃₁取小值，有效避免部分负荷情况下扩压器中的回流损失，更加适应部分负荷下气流的流动状态。

由于叶片扩压器是迫使气流沿叶片限定的方向运动，在叶片出口处的气流比较紊乱、不均匀，为使从叶片出来的气流更加均匀同时也对气流进一步扩压，在叶片扩压器出口处再设置出口无叶段30，两壁采用直壁形式，两壁间的宽度b4与叶片21高度相同，即b4＝b3。通过进口无叶段10、串列式叶片段20、出口出叶段30所组成的串列式叶片扩压器使扩压器在很宽的范围内都能获得较好的性能，从而保证压缩机在不同负荷下都能获得很好的能量，压缩机运行更加稳定、可靠。

本发明的主要创新点：1)采用串列式叶片，提高扩压器压力恢复系数和改善部分负荷气流的流动状况；2)将进口收敛式的无叶段、串列式叶片段和出口无叶段结合在一起，拓宽扩压器的工作范围。

制造本发明的串列式叶片扩压器的制造方法，具体包括以下内容：

1、整个串列式叶片扩压器通过钢板铣制而成；

2、在直板上铣制出串列式叶片，并在进口处加工出收敛式无叶段，在叶片出口处加工出口无叶段；

3、通过三段扩压器的整体铣制可保证过渡段与叶片扩压段的整体性，同时也保证整个扩压器的光洁度；

4、将带叶片直壁与另一直壁通过螺栓形式共同固定于箱体上叶轮的出口处，这样通过两直壁的组成就形成串列式叶片扩压器。

根据本发明的串列式叶片扩压器，具有如下有益效果：

1、提高扩压器的扩压度，压缩机整体外形结构减小，从而降低开发成本；

2、拓宽扩压器的工作范围，使压缩机运行范围更宽、更可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种串列式叶片扩压器，设置在压缩机的叶轮(40)的出口和蜗壳的进口之间，其特征在于，包括：

进口无叶段(10)，进口连通所述叶轮(40)的出口；

串列式叶片段(20)，内部设置叶片(21)，进口连通所述进口无叶段(10)的出口；

出口无叶段(30)，进口连通所述串列式叶片段(20)的出口，出口连通所述蜗壳的进口；

其中，所述串列式叶片段(20)内设置多组叶片(21)，每一组叶片(21)呈环形均匀分布，多组所述叶片(21)之间彼此间隔布置。

2.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述进口无叶段(10)的内径由进口到出口逐渐收敛。

3.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述叶片(21)包括第一组叶片(211)和第二组叶片(212)。

4.根据权利要求3所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述第一组叶片(211)和所述第二组叶片(212)弦线之间的夹角为10°～14°。

5.根据权利要求3所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述第一组叶片(211)的出进口直径比为1.1～1.3，所述第二组叶片(212)的出进口直径比为1.25～1.35，所述第二组叶片(212)进口直径与所述第一组叶片(211)出口直径比为0.9～1.1。

6.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，每组所述叶片(21)的进口角为10°～25°，出口角为25°～35°。

7.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，每组所述叶片(21)的叶片数为7～13片。

8.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，每组所述叶片(21)的叶片弦长与叶片间距之比为小于1.5。

9.根据权利要求8所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述叶片(21)的叶片弦长与叶片间距之比的计算公式为：

其中，l为叶片弦长，t为叶片间距，Z为叶片数量，D_出为叶片出口直径，D_进为叶片进口直径，α_进为叶片进口角，α_出为叶片出口角。

10.根据权利要求1所述的串列式叶片扩压器，其特征在于，所述叶片(21)采用机翼型叶片。

11.一种串列式叶片扩压器的制造方法，其特征在于，包括：

过渡段加工步骤，在第一板上预留出串列式叶片段(20)，在所述串列式叶片段(20)的进口处加工进口无叶段(10)，在所述串列式叶片段(20)的出口处加工出口无叶段(30)；

叶片加工步骤，在所述串列式叶片段(20)加工呈环形均匀分布的叶片(21)，其中，所述串列式叶片段(20)内设置多组叶片(21)，多组所述叶片(21)之间彼此间隔布置；

组合安装步骤，将第二板与所述第一板组合形成串列式叶片扩压器，将所述串列式叶片扩压器安装在压缩机叶轮(40)的出口和蜗壳的进口之间。

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