CN104870828A - 用于压缩机装置及其包括的扩散器组件的扩散器导叶 - Google Patents

Abstract

扩散器导叶的实施例包括导叶主体，其带有前缘和可绕前缘旋转的后缘来改善压缩机装置的性能。该构造维持前缘在扩散器导叶上相对于工作流体定向的位置。在一个实施例中，扩散器导叶包括与导叶主体联接的支撑元件。支撑元件抵消激发频率，来减少导叶主体的振动。扩散器导叶还可包括衔铁，其与力联接器联接，以在处于压缩机装置中的适当位置时促进后缘的旋转。

Description

用于压缩机装置及其包括的扩散器组件的扩散器导叶

技术领域

在本文中公开的主旨涉及压缩机装置(例如，离心压缩机)，并且尤其涉及用于压缩机装置的扩散器或扩散器导叶。

背景技术

压缩机装置(例如离心压缩机)使用扩散器组件，来通过减缓穿过膨胀体积区域的工作流体的速率而将工作流体的动能转换成静压。扩散器组件的实例利用绕叶轮圆周布置的若干扩散器导叶。扩散器导叶的设计(例如，形状和尺寸)与扩散器导叶的前缘和后缘相对于工作流体流的定向结合，通常确定扩散器导叶如何固连在扩散器组件内。

为了对设计添加更多改进和灵活性，扩散器组件的一些实例包括可变扩散器导叶。这些类型的扩散器导叶可改变前缘和后缘的定向。该特征有助于压缩机装置的调节操作。用于可变扩散器导叶的已知设计绕轴线旋转，该轴线处于扩散器导叶的下半部分，即，比后缘更接近前缘。

旋转轴线的定位允许后缘来掠过大的角度，并且因而允许压缩机装置性能的更好的调谐和优化。但是，尽管这些可变扩散器导叶的使用可改善性能，但用于可变扩散器导叶的常规设计的实施方式相对于引入的工作流体来使后缘和前缘二者移动(例如，旋转)。前缘位置的改变可导致工作流体流与扩散器导叶的表面过早地分离，这可降低可变扩散器导叶的效率，以调节压缩机装置的性能。

发明内容

本公开提出扩散器导叶的实施例，该扩散器导叶具有如下结构，该结构允许前缘绕后缘旋转，维持前缘相对于工作流体的流动方向的定向，并且防止响应于可在压缩机装置的操作期间发生的激发频率的不需要的振动。这些特征有助于维持扩散器导叶的结构完整性，其可导致由周期疲劳引起的构件故障。在下面的实施例，例如体现将扩散器导叶调节至激励模式的构造。所得的结构具有如下机械特性(例如，硬度)，其避免例如由叶片经过频率激发的频率模式，同时增大低得多的应力值。在一个实施例中，该结构利用导叶主体(例如，翼形件)和既提供振动支撑又提供结构支撑的基座结构。在一个实例中，基座结构具有相对于导叶主体的充分横向宽度和纵向长度，来避免由模态频率导致的潜在振动。该相同的基座结构还允许扩散器导叶的定向改变，例如旋转以改善压缩机装置的性能。

附图说明

现在简要地对附图进行参考，其中：

图1绘出了扩散器导叶的示范实施例的示意图；

图2绘出了扩散器导叶的示范实施例的透视图；

图3绘出了图2的扩散器导叶的侧视图；

图4绘出了图2的扩散器导叶的俯视图；

图5绘出了扩散器组件的实例的后视、透视图，该扩散器组件包括扩散器导叶，例如图1、2、3、和4的扩散器导叶，的示范实施例；

图6绘出了图5的扩散器组件的前视、透视图；

图7以分解形式绘出了图5和6的扩散器组件；

图8绘出了压缩机装置的实例的后视、透视图，该压缩机装置包括示范扩散器组件，例如图5、6、和7的扩散器组件；

图9绘出了图8的压缩机装置的前视图；并且

图10绘出了图8和9的压缩机装置的前视、透视图。

其中，遍及若干视图，可适用的相似参考标号指示相同或对应的构件，其不按比例除非另外指示。

具体实施方式

下面的讨论集中于扩散器导叶的实现用于压缩机装置(例如，离心压缩机)的更好性能的构造和实施方式上。在一方面中，用于扩散器导叶的设计允许后缘旋转至各种角位置，同时维持前缘相对于流动经过扩散器导叶的工作流体流方向的定向，以防止流分离。这些设计还使扩散器导叶稳定，来防止扩散器导叶的响应于可损坏扩散器导叶的激发频率的振动。

这些扩散器导叶在扩散器组件中得到利用，该扩散器组件的操作可调节压缩机的性能。扩散器组件可包括多个扩散器导叶。在一个实例中，扩散器组件将扩散器导叶连结至常规促动器，以例如响应于工作流体流方向的改变来促进后缘位置的调整。

图1绘出了扩散器导叶100的示范实施例的示意图，以提供提议的设计的方面的概观。扩散器导叶100包括导叶主体102、支撑元件104、和衔铁(armature)106。导叶主体102具有顶部108、底部110、前缘112、和后缘114。导叶主体102还具有旋转轴线116，其允许扩散器导叶100移动(例如，旋转)，来例如在多个角位置之间改变后缘114的定向。

导叶主体102体现空气动力学地成形的元件(例如，翼形件)，其例如在离心压缩机中与工作流体的流F接触。扩散器导叶100的该部分经历由流F的速度引起的显著载荷。这些负载可使导叶主体102振动。所导致的振动可在如下频率下刺激导叶主体102，该频率可引起对扩散器导叶100的结构损坏，该结构损坏可与横跨导叶主体102表面的工作流体流干涉。例如，对导叶主体102的损坏可改变导叶主体102的相对于流F的定向，这可引起流F与导叶主体102的表面分离。流分离改变流F的流体动力学。这些改变又可负面地影响例如离心压缩机的整体性能和效率。

为此，支撑元件104对导叶主体102提供充分的支撑，来使可在导叶主体102中发生的潜在的振动衰减。支撑元件104的实例还允许导叶主体102绕旋转轴线116旋转。但是，支撑元件104的构造不在导叶主体102的表面处或附近与流F干涉。在一个实例中，支撑元件104配合到特征(例如，孔)中，以便使支撑元件104凹入在工作流体流外。因而，该特征维持导叶主体102的空气动力学，并且解决了结构振动和应力设计约束。

衔铁106促进导叶主体102的移动(例如，旋转)。在高水平下，衔铁106的实例可包括一个或更多个结构元件，该结构元件单独或结合地对导叶主体102传递力。在一个实例中，该力使导叶主体102旋转，以使后缘114定位成与流F的方向对准和/或相对于流F的方向处于最佳定向。结构元件可例如作为与支撑元件104和/或导叶主体102联接的轴而直接传递力。在其它实例中，结构元件可包括各种元件和装置(例如，齿轮、滑轮、连杆等)，其如在本文中提出地间接地联接力来移动导叶主体102。

如图1所示，衔铁106具有在一端上固连至支撑元件104的结构。该结构例如在与支撑元件104相反的端部处和/或附近相对于载荷为回弹性的。在一个实例中，该结构具有与旋转轴线116对准的轴线。但是，本公开构想，衔铁106还可在与旋转轴线116和/或组成扩散器导叶100的其它部分和结构的偏移或相对未对准定向下，对导叶主体102施加移动。

元件(例如，导叶主体102、支撑元件104、和衔铁106)可共同地形成单片或粘合单元，例如包括支撑元件104和衔铁106的整体结构元件。这种设计可与提供多个扩散器导叶100的大规模生产的制造技术(例如，铣削、加工、铸造、模制等)相称。另一方面，本公开还构想如下扩散器导叶100的构造，其中，构造体现许多片和片部分。这些多片设计可利用任何种类的类型和式样的紧固件(例如，螺钉、螺栓等)和紧固技术(例如，粘合剂、焊接等)，来将部分固定在一起，以耐受配置扩散器导叶100的经历载荷和其它参数。

图2、3和4绘出了扩散器导叶200的另一示范实施例。图2示出了扩散器导叶200的透视图。图3和4的例示分别以俯视和侧视显示了扩散器导叶200。

图2、3和4的图一起示出了用于导叶主体202、支撑元件204、和衔铁206的示范结构。该结构提供所需强度，来避免导叶主体202中的振动发作，并且还促进导叶主体202绕前缘212的旋转。而且，该结构不减弱导叶主体202的空气动力特性，从而在流F行进跨过导叶主体202的表面时维持适当的工作流体的流F。虽然显示了具体结构，但本公开构思了将执行相同和/或相似的功能的变化(例如，在形状、尺寸、尺度等方面的改变)。

在图2中，支撑元件204的示范结构形成具有阶梯状轮廓的凸台(boss)218。衔铁206包括具有中央轴线222的圆柱形主体220，该中央轴线222与旋转轴线216同轴。圆柱形主体220具有多个区段(例如，顶部区段224、中部区段226、和底部区段228)，其在尺度(例如，直径)方面改变。顶部区段224形成圆盘230，圆盘230具有在其上布置有支撑元件204的盘表面232。在一个实例中，圆盘230存在于扩散器组件的特征中，以使圆盘230凹入在工作流体流外。中间区段226形成圆柱形套筒234，该圆柱形套筒234具有比圆盘230的直径小的直径。圆柱形套筒234可作用为轴承表面，来支撑扩散器导叶200和对应结构。在底部区段228中，圆柱形主体220形成轴236，如在下面进一步讨论的，轴236与力联接器联接，以例如使圆柱形主体220旋转。圆柱形主体220的移动将后缘214的位置从第一位置改变至从第一位置角度地偏移的第二位置。

图3的侧视图显示了，凸台218的阶梯状轮廓形成下凸台部分238和上凸台部分240。下凸台部分与圆盘230的盘表面232配合。导叶主体202具有凹部242，凹部242具有凹入表面214。在一个实例中，上凸台部分240与凹入表面244配合，以当处于适当位置，例如处于压缩机装置中时，维持导叶主体202的平面性。

圆柱形套筒234可从圆盘230的底部直接延伸，或如在图3所示，可间隔开，以适应各种组件尺度和/或公差累积。套筒234的实例可提供伸长的轴承表面，其与插入圆柱形套筒的孔协作，来促进扩散器导叶200的旋转动作。在一个实例中，圆柱形套筒234可插入分离地构造的轴承元件(例如，轴承套筒或相似元件)中。

如在图4中最佳显示，导叶主体202的空气动力形状具有吸力侧表面246和压力侧表面248，它们关于前缘212的相对于工作流体流F的定向和迎角来辨识。在前缘212处，导叶主体202会聚至末梢250，末梢250可为圆角的并且/或者可具有曲线外表面。旋转轴线216紧接末梢250的中心，并且在一个实例中，旋转轴线216与末梢250的中心轴线同轴。

凸台218沿着拱形线C延伸，该拱形线C将导叶主体202平分。拱形线C限定在吸力侧表面246和压力侧表面248之间的中途的点轨迹。凸台218具有末梢250附近的近端252和沿着拱形线C与近端252间隔开距离D的远端254。凸台218还在拱形线C的任一侧上延伸，其中，阶梯状轮廓形成多个周围边缘(例如，内周围边缘256、中间周围边缘258、和外周围边缘260)。周围边缘256、258、260限定下凸台部分238和上凸台部分240的外边界。在一个实例中，凸台218具有波状和/或空气动力学的表面，以在例如凸台218的一部分居于工作流体流中时，最小化流扰动。

凸台218的尺度可有助于调节扩散器导叶200的构造，以防止不需要的振动。例如，例如，周围边缘256、258、260之间的凸台218的宽度可改变，来适应在流参数(例如，速率、密度、体积等)方面的改变，其可导致使扩散器导叶200振动的激发频率。在一个实例中，在导叶主体202的任一侧上在周围边缘256、258、260之间测量宽度。在一个实例中，周围边缘256、258、260构造为以便周围边缘256、258、和260的至少一部分在拱形线C的相反侧上间隔开相等的量。同样地，凸台218长度上的修改，例如从近端250至远端254的距离D和从旋转轴线216至近端250和远端254中的各个的距离，在特定条件下可提供更好的支撑和/或相对于振动的保护。在一个实例中，距离D是导叶主体202的弦长的35％或更小，该弦长是当在前缘到后缘之间测量时的直线距离。

扩散器导叶200的实例可由各种金属和合成物构造，它们满足如一种类型的压缩机装置的操作标准。如在上面提出的，扩散器导叶200可包括一个或更多个分离的片，它们当装配在一起时共同地形成扩散器导叶200的形成因素和结构。紧固件(例如，螺钉、螺栓等)和固连材料(例如，粘合剂和焊接)可将部分以耐受工作流体流的方式联接在一起。在一个实施方式中，阶梯状轮廓可包括多个不同地构造的材料毛坯，其具有相同和/或不同的特性(例如，材料)和尺度(例如，材料厚度)。这些材料毛坯可堆叠在彼此的顶部上，来构造凸台218的剖面(例如，阶梯状轮廓)。材料毛坯的实例可为可互换的，来现场和/或在压缩机装置的最终特征化和最优化期间调节扩散器导叶的模态频率。

图5显示了作为扩散器组件362的部分在适当位置中的扩散器导叶300的另一示范实施例，扩散器组件362自身用在压缩机装置中。扩散器组件362包括入口盖364，入口盖364具有绕入口盖364的中心周向地间隔开的孔306的阵列。在图5的本实例中，孔包括穿透入口盖364厚度的通孔、和沉孔，沉孔具有容纳圆盘330的直径。沉孔还在某深度处形成表面，以将扩散器导叶300的结构定位在工作流体流中。

图6显示了扩散器组件362的前视、透视图。如图6所示，入口盖364具有凹入前面来在其中容纳环形环部件368。多个轴承元件370安装至入口盖364。轴承元件370接合环形环部件368的内径向部分。扩散器组件362还包括力联接器372，力联接器372具有连杆部件374，该连杆部件374在第一端处固连至环形环部件368。连杆部件374具有第二端，该第二端固连至力联接器376，力联接器376与扩散器导叶的部分(例如，轴336)配合。在一个实例中，扩散器组件362还包括促动器组件，其具有第一核心(yolk)部件378和第二核心部件380，它们将促动器382分别与入口盖364和入口环部件368联接。元件的该构造将促动器382固连在适当位置，例如在入口盖364(其自身通常在压缩机装置内固定)上。促动器382的实例包括气动缸、导螺杆、装置等。促动器382的装置的类型可取决于定位后缘来获得用于压缩机装置的特定操作参数所需的必要精度水平。

在操作期间，促动器382的移动可导致环形环部件368在顺时针方向或逆时针方向上旋转。环形环部件368的旋转导致连杆部件374移动，这又使力联接器376旋转。轴336响应于力联接器376的移动而旋转，以在第一位置和从第一位置角度地偏移的第二位置之间改变导叶主体的后缘的位置。

图7以分解形式显示了扩散器组件362。在一个实例中，扩散器组件362还包括一个或更多个套筒部件384。套筒部件384的实例可滑动至圆柱形套筒334中的一个或更多个和/或扩散器导叶300的轴336上。在一个实例中，套筒部件384可包括轴承或防止孔366的内部表面与扩散器导叶300的外表面之间的接触的轴承材料。套筒部件384提供低摩擦表面，轴336(和扩散器导叶的其它部分)可在该低摩擦表面附近旋转。

图8绘出了作为在压缩机装置486中的扩散器组件462的部分的扩散器导叶400的实例。在图8的实例中，扩散器组件462具有多个扩散器导叶400，在一个实例中，其包括与在入口盖464上发现的孔466中的各个对准的一个扩散器导叶400。压缩机装置486还包括涡壳488，其以虚线显示来示出在其中的扩散器导叶400的位置。涡壳488具有出口490，工作流体从该出口490离开压缩机装置486。在一个实例中，压缩机装置486还包括驱动单元492，例如电动马达。

在一个实施例中，涡壳488围绕扩散器导叶400，从而形成内部扩散器腔，工作流体穿过该腔可流动经过扩散器导叶并流到出口490上。虽然扩散器组件462的构造指示了扩散器导叶400与入口盖464可插入地接合，但是本公开构思了例如扩散器组件462的构造，其中，扩散器导叶400联接并且/或者固连至涡壳488、压缩机装置486、以及板、壁、导管、和可支撑扩散器导叶400并且允许如在本文中所公开的后缘的移动的其它部件。

图9绘出了压缩机装置486的前视图。压缩机装置486具有入口494，入口494具有叶轮496。入口盖464绕叶轮496周向地布置。在一个实施例中，并且如在图10中所示，压缩机装置486还包括前盖498，前盖498配合在压缩机装置486的前面上方，来限制扩散器组件462的暴露。压缩机装置486的实例在各种设置和产业中发现使用，包括：汽车产业、电子产业、航空产业、油气产业、发电产业、石化产业等。在压缩机装置486的操作期间，驱动单元492使叶轮496旋转，来通过入口494吸引工作流体(例如，空气)。叶轮496压缩工作流体。压缩的工作流体流入涡壳488中，穿过扩散器组件462，并且流出出口490。

在一个实施方式中，驱动单元492的操作转动叶轮496，来通过入口494吸引工作流体。叶轮496加压工作流体。加压的工作流体行进穿过扩散器组件，并且尤其穿过相邻扩散器导叶之间的通道。在高水平下，扩散器组件减缓叶轮496下游的工作流体的速率。扩散器组件排入涡壳488中，其将工作流体传输至例如与出口490联接的下游管道。

通常压缩机装置486的实例经历广泛的性能测试和调节，以对于给定的实施方式优化性能。调节通常需要例如驱动单元492的修改操作，来调整叶轮496的速度，这改变了离开出口490的工作流体的流参数(例如，压力，流速等)。压缩机装置486的性能还将响应于扩散器导叶的定向而改变。在一个实例中，调节包括调整扩散器导叶的定向，其中，这可修改出口490处的工作流体的压力。共同地，为了优化流参数，调节将可能对压缩机装置486的若干操作设置(例如，驱动单元492的速度、扩散器导叶的定向等)进行增量的和/或反复的改变，来获得导致压缩机装置486有效地操作以获得期望流参数的操作参数的组合。

扩散器导叶的实例可由多种材料和化合物、合成物、及其派生来构造。这些材料包括金属(例如，钢、不锈钢、铝)、高强度塑料和类似合成物。材料选择可取决于工作流体的类型和成分。例如，具有腐蚀特性的工作流通可要求，扩散器导叶包括相对不活泼的材料和/或相对工作流体化学不活泼的材料。

用于扩散器导叶的几何形状可作为用于应用的压缩机装置486的设计、建造、和配合的部分来确定。几何形状可包括用于导叶主体的翼形件形状(例如，图2、3、和4中示出的形状)，其实例采取翼和叶片的形式和/或可产生升力的其它形式。在一个实施例中，可使用允许扩散器导叶绕前缘旋转的紧固件和紧固技术将扩散器导叶安装至壁部件中的一个。

考虑到前述讨论，在本文中构思的扩散器导叶和扩散器组件的实施例改善压缩机和相关装置的性能。在一个实例中，如在上面所提出的，扩散器导叶的后缘绕前缘旋转，这有效地减少了工作流体与扩散器导叶的流分离。该特征在较大的流范围上改善了压缩机的性能，因为前缘保持与工作流体的流动方向一起定向。

如在本文中所使用的，以单数叙述并且前缀词语“一”或“一个”的元件或功能应当理解为不排除复数个所述元件或功能，除非明确地声明这种排除。而且，主张的发明的对“一个实施例”的引用不应解释为排除也包括所叙述的特征的附加的实施例的存在。

本书面说明使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何设备或系统并且实行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于在压缩机装置中的叶轮的下游的扩散器组件中使用的扩散器导叶，包括：

导叶主体，其具有顶部、底部、前缘和后缘，所述前缘具有旋转轴线，

支撑元件，其紧接所述前缘联接至所述导叶主体的底部，所述支撑元件形成凸台，所述凸台具有布置在所述导叶主体的任一侧上的周围边缘；和

衔铁，其联接至所述支撑元件，所述衔铁具有终止于轴中的圆柱形主体。

2. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述凸台具有阶梯状轮廓，所述阶梯状轮廓具有上凸台部分和下凸台部分，它们分别联接至所述导叶主体和所述圆柱形主体，并且其中，所述上凸台部分比所述下凸台部分窄。

3. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述凸台的周围边缘从所述导叶主体的拱形线间隔开相等的量。

4. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述圆柱形主体具有与所述旋转轴线对准的轴线。

5. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述圆柱形主体包括圆盘，所述圆盘具有在其上布置所述凸台的盘表面。

6. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述导叶主体包括翼形件。

7. 根据权利要求6所述的扩散器导叶，其特征在于，所述旋转轴线与所述翼形件的前缘处的末梢的中心轴线同轴。

8. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述凸台具有所述前缘附近的近端和远离所述圆柱形主体的远端。

9. 根据权利要求8所述的扩散器导叶，其特征在于，所述远端与所述近端间隔开所述导叶主体的弦长的35％或更小的距离，所述弦长测量从所述前缘到所述后缘的直线距离。

10. 根据权利要求1所述的扩散器导叶，其特征在于，所述导叶主体在所述底部中具有凹部，来容纳所述凸台。

11. 一种用于在压缩机装置中的叶轮的下游使用的扩散器组件，包括：

入口盖，其具有孔；

扩散器导叶，其布置在所述孔中，所述扩散器导叶包括具有前缘和后缘的导叶主体和联接至所述导叶主体的衔铁，所述衔铁延伸穿过所述入口盖；和

力联接器，其联接至所述衔铁；

其中，所述扩散器导叶固连至所述衔铁，来允许所述后缘绕所述前缘在第一位置与从所述第一位置角度地偏移的第二位置之间的旋转。

12. 根据权利要求11所述的扩散器组件，其特征在于，还包括环形环部件，所述环形环部件布置在所述入口盖的凹入前面上，其中，所述力联接器联接至所述环形环部件，并且其中，所述导叶主体响应于所述环形环部件的旋转而在所述第一位置与所述第二位置之间移动。

13. 根据权利要求11所述的扩散器组件，其特征在于，所述孔包括通孔和比所述通孔大的沉孔，其中，所述沉孔形成与所述衔铁的圆盘配合的表面。

14. 根据权利要求11所述的扩散器组件，其特征在于，所述扩散器导叶包括支撑元件，所述支撑元件与所述导叶主体联接，并且其中，所述支撑元件形成凸台，所述凸台布置在所述衔铁上，具有布置在所述导叶主体的任一侧上的周围边缘。

15. 根据权利要求14所述的扩散器组件，其特征在于，所述凸台比所述导叶主体宽。

16. 一种压缩机，包括：

叶轮；

入口盖，其绕所述叶轮周向地布置，所述入口盖包括从扩散器腔延伸穿过所述入口盖的孔；

扩散器导叶，其在所述叶轮的下游布置在所述扩散器腔中，所述扩散器导叶包括：导叶主体，其具有前缘和后缘；支撑元件，其布置在所述导叶主体上；和圆柱形主体，其联接至支撑元件，所述圆柱形主体具有与旋转轴线对准的轴线，所述旋转轴线紧接所述后缘，并且所述后缘绕所述旋转轴线在第一位置与从所述第一位置角度地偏移的第二位置之间旋转。

17. 根据权利要求16所述的压缩机，其特征在于，所述支撑元件包括凸台，所述凸台具有在所述前缘附近的近端和远离所述圆柱形主体的远端。

18. 根据权利要求17所述的压缩机，其特征在于，所述远端与所述近端间隔开所述导叶主体的弦长的35％或更小的距离，所述弦长是从所述前缘到所述后缘测量的。

19. 根据权利要求16所述的压缩机导叶，其特征在于，所述圆柱形主体包括具有盘表面的圆盘，所述盘表面与沉孔的表面配合，所述沉孔与所述入口盖上的所述孔轴向地对准。

20. 根据权利要求16所述的压缩机导叶，其特征在于，还包括涡壳，所述涡壳形成所述扩散器腔的一部分。