CN104884810A - 具有扭转的返回通道导叶的离心压缩机 - Google Patents

具有扭转的返回通道导叶的离心压缩机 Download PDF

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Abstract

用于多级离心压缩机的三维(3D)返回导叶。返回通道导叶(204,208)向上游延伸到邻近返回通道的弯头顶点(210,212)的区域。在返回通道导叶的各个点中，角"β"限定为局部脊线的切线与局部周向方向之间的锐角。在前缘与后缘之间的各个标准化位置处，返回通道导叶的局部扭转限定为具有所述标准化位置的毂和护罩处的两点处的角β之间的代数差[β_毂-β_护罩]。当沿流向方向从前缘移动到后缘时，扭转首先减小，达到代数最小值，接着增大，达到代数最大值，接着再次减小。然而，代数最小值的绝对扭转大于代数最大值的绝对扭转。

Description

具有扭转的返回通道导叶的离心压缩机
技术领域
本文公开的主题的实施例大体上涉及方法及装置，并且更具体地涉及用于设计用于提高离心压缩机效果或减小离心压缩机尺寸和成本而不影响离心压缩机的性能的返回通道导叶的机构及技术。
背景技术
离心压缩机现今在许多行业中遍及各种应用广泛使用。从离心压缩机的使用者到离心压缩机的制造者的不断需求在于生产具有较小尺寸和较低成本的机器，其具有本代离心压缩机的相同性能特点。该需求隐含了需要改进离心压缩机的效率，使得减小离心压缩机的尺寸导致了较低成本的机器，而不降低机器的性能。
离心压缩机大体上具有多个级和返回通道，其具有固定导叶，用于将压缩气体从一个级的出口位置再引导至下一级的入口位置，并且用于除去流的切向分量。与返回通道相关联的导叶的设计对于优化离心压缩机的性能而言为重要的。
现有技术的图1中示出了返回通道102，其包括返回通道导叶104和转子导叶106。应当注意的是，返回通道导叶104并未延伸到返回通道102的弯头顶点108。
因此，将合乎需要的是提供提高给定离心压缩机的性能或减小离心压缩机的尺寸和成本而不减小离心压缩机的容量的设计和方法。
发明内容
根据一个示例性实施例，存在一种用于离心压缩机的返回通道组件设备；设备包括多个相同返回通道，其中多个返回通道布置成使流过返回通道的流体流转弯总共至少180°；设备还包括：多个相同的返回通道导叶，其延伸达到或超过邻近对应多个返回通道的弯头顶点的对应多个区域，其中所述区域从顶点沿径向延伸到对应的返回通道中，其中在所述区域处，流体流已经转弯大约90°；毂，其具有轴对称的毂表面；护罩，其具有轴对称的护罩表面；毂β角为毂脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的毂脊线的切线与位于毂表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；护罩β角为护罩脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的护罩脊线的切线与位于护罩表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；在设备中，从所述返回通道的所述导叶的前缘移动至后缘，在具有离返回通道的导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角与护罩β角之间的角差首先减小而达到最小角差，接着增大而达到最大角差，接着再次减小。
根据另一个示例性实施例，存在一种离心压缩机设备，其包括包围转子和定子的外壳，以及如上文陈述的返回通道组件设备。
根据另一个示例性实施例，存在一种用于保持离心压缩机的性能同时减小离心压缩机的尺寸的方法；压缩机包括布置成使流过返回通道的流体流转弯总共至少180°的多个相同返回通道。该方法包括使多个相同返回通道导叶延伸达到或超过邻近对应多个返回通道的弯头顶点的对应多个区域，其中流体流已经转弯大约90°。此外，该方法可包括布置返回通道导叶，以使从所述导叶的前缘移动到后缘，在具有离导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角与护罩β角之间的角差首先减小而达到最小角差，接着增大而达到最大角差，接着再次减小。
附图说明
并入且构成说明书的一部分的附图示出了一个或更多个实施例，并且连同描述阐释了这些实施例。在附图中：
图1为绘出包括返回通道导叶和转子导叶的离心压缩机返回通道的现有技术的示例性实施例；
图2为绘出包括延伸至返回通道弯头顶点的返回通道导叶和延伸超过返回通道弯头顶点的返回通道导叶的一对离心压缩机返回通道的示例性实施例；
图3为绘出离心压缩机的返回通道导叶的三维描绘的示例性实施例；
图4为绘出多个离心压缩机返回通道导叶和相关联的毂表面的示例性实施例；
图5为绘出作为脊线与返回通道导叶的周向方向之间的局部角的β角的示例性实施例；
图6为绘出毂处和护罩处的返回通道导叶的β角的图表；
图7为绘出毂处和护罩处的返回通道导叶的厚度的图表；
图8为绘出沿子午线长度的导叶角差的图表；
图9为示出用于保持离心压缩机的性能同时减小离心压缩机的尺寸的步骤的流程图；以及
图10和图11为有助于理解β角是什么的位于毂与护罩(图10中仅示为虚线)之间的叶轮的导叶的两个示意性视图。
具体实施方式
示例性实施例的以下描述参照了附图。不同图中的相同的附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述并未限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，关于包括而不限于压缩机和膨胀器的涡轮机的术语和结构论述了以下实施例。
说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"意思是结合实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语"在一个实施例中"或"在实施例中"在整个说明书的不同地方的出现不一定是指相同实施例。此外，特定的特征、结构或特点可以以任何适合的方式组合在一个或更多个实施例中。
如图2中所示，示例性实施例200绘出了具有返回通道导叶204的第一离心压缩机返回通道202，其可称为"半回飞棒"导叶，以及具有返回通道导叶208的第二返回通道206，其可称为"全回飞棒"导叶。在示例性实施例中应当注意的是，半回飞棒导叶204延伸到返回通道202的弯头顶点210。在示例性实施例中还应当注意的是，全回飞棒导叶208延伸超过返回通道206的弯头顶点212，在返回通道206中产生大约一百八十度的转弯。因此，包括半回飞棒和全回飞棒返回通道导叶(以及其它几何形状)两者的一组实施例的特征可为具有返回通道导叶，其延伸达到或超过邻近返回通道的弯头顶点或弯头入口的区域(见图2和图3中的虚线中的省略号(ellipse))；在该区域处，在返回通道中流动的流体流已经转弯大约90°(在子午线平面中)；将注意的是，典型地，压缩机包括布置成使流过返回通道的流体流转弯总共至少180°的多个相同返回通道中的至少一个。
现在参看图3，绘出了返回通道导叶300的三维示例性实施例。示例性实施例的返回通道导叶具有方向朝相关联的毂表面的外圆周的弯头顶点端302，以及方向朝相关联的毂表面的内圆周的导叶端304。返回通道导叶300为半回飞棒设计，因为返回通道导叶300的弯头顶点端302在弯头顶点端302处没有一百八十度转弯。在示例性实施例中应当注意的是，通过使返回通道导叶300的弯头顶点端302的前缘延伸，压力恢复在返回通道通路中较早开始，并且由于特别是图1的常规返回通道导叶104的区段中的较低流速，故返回通道中的动力损耗减小。在示例性实施例中还应当注意的是，由于导叶表面面积基于延伸长度增大，故给定离心压缩机需要较少数量的返回通道导叶300。
现在参看图4，绘出了与由返回通道导叶404代表的多个返回通道导叶相关联的毂402的示例性实施例。在该示例性实施例的叙述中应当注意的是，返回通道导叶为半回飞棒导叶。
现在转到图5，示意性实施例绘出了返回通道导叶的β角的特定实例，即，在返回通道导叶的脊线与周向坐标方向之间测得的局部角。以示例性实施例继续，随子午线坐标变化的返回通道导叶β角分布例如通过使用可量和参数化的椭圆和/或贝塞尔曲线函数来限定。本领域的技术人员将认识到的是，实施例并未限于使用椭圆和/或贝塞尔曲线函数来限定β角分布，而是其它函数(例如，样条函数)可作为备选用于给予此类定义。在示例性实施例中还应当注意的是，返回通道导叶厚度分布类似地限定。在示例性实施例中还应当注意的是，如前文所述，导叶β角关于周向坐标限定，即，零度为纯周向流，并且九十度为纯子午线流，即，周向或径向或之间的任何。
继续至图6，图表600描绘了示例性实施例的毂和护罩β角的沿毂和护罩表面的导叶β角分布；在这些图中将注意的是，水平轴线用于从导叶的前缘沿脊线的考虑点的距离除以脊线的长度；即，点的标准化距离M；因此，对于前缘处的点M=0.0，对于后缘处的点M=1.0，并且对于前缘与后缘之间的脊线处的点0.0＜M＜1.0。以示例性实施例继续并且如前文所述，返回通道导叶前缘延伸至或超过返回通道弯头顶点。此外，在示例性实施例中，毂β角602首先减小至最小值，并且接着连续地增大，而护罩β角604首先增大至局部最大值，接着形成在图表600中显示的不同形状。在示例性实施例中应当注意的是，毂和护罩β角分布由第一部分中的四分之一椭圆方程限定，即，从图表600的角轴线分别到毂β角和护罩β角的最小值和局部最大值。在示例性实施例中还应当注意的是其余部分使用具有不同数量的控制点的贝塞尔曲线函数来计算。还参看图7，图表700描绘了沿毂702和沿护罩704的导叶厚度。在示例性实施例中应当注意的是，如对于β角分布描述的相似方法用于描述返回通道导叶厚度。
接下来参看图8，图表800绘出了沿毂表面和护罩表面的示例性实施例的β角的差异。接下来在示例性实施例中，导叶角差(Δβ)计算为Δβ=β毂-β护罩。以示例性实施例继续，上文限定的角差(Δβ)首先减小而达到最小值802，接着增大达到最大值804，接着再次减小而不达到最小值802。在示例性实施例中应当注意的是，最小值802的绝对值总是大于最大值804的绝对值，并且最小值802位于子午线长度的第一四分之一内，而最大值804位于弦线中点后方。在示例性实施例中还应当注意的是，后缘角差基于设计变化。
现在参看图9，绘出了用于保持离心压缩机的性能同时减小离心压缩机的尺寸或增大给定离心压缩机的峰值性能的示例性方法实施例的流程图900。首先在示例性实施例的步骤902处，多个返回通道导叶延伸到分别邻近多个返回通道的弯头顶点的区域。增大返回通道导叶的尺寸(即，长度)在通路中较早开始压力恢复，并且由于较低流速，故返回通道中的动力损耗减小。此外，在示例性方法实施例中，由于返回通道导叶的表面面积的相关联增大，故给定离心压缩机需要较少数量的返回通道导叶。
接下来，在示例性方法实施例的步骤904处，返回通道导叶构造成使得它们形成沿相关联的毂的毂β角和沿相关联的护罩的护罩β角。毂β角和护罩β角为在返回通道导叶脊线与周向方向之间测得的局部角。以示例性方法实施例继续，毂β角首先减小至最小值，并且接着连续地增大。此外，在示例性实施例中，护罩β角首先增大至局部最大值，接着在再次连续增大之前减小。在示例性方法实施例中应当注意的是，毂和护罩β角两者例如基于从流动通路开始分别到最小值/最大值的四分之一椭圆函数，以及基于贝塞尔曲线函数来计算，具有分别从最小值/最大值到流动通路的端部的不同数量的控制点。其它函数可作为备选用于限定毂和/或护罩β角。
接下来，在示例性方法实施例的步骤906处，返回通道导叶进一步构造成其中沿返回通道的流动通路的毂β角与护罩β角之间的角差首先减小而达到最小角差，接着增大而达到最大角差，接着再次减小。在示例性实施例中应当注意的是，最小角差的绝对值大于最大角差的绝对值。还应当注意的是，最小角差位于子午线长度的第一四分之一内，并且最大角差位于流动通路的弦线中点后方。
公开的示例性实施例提供了用于减小离心压缩机的尺寸同时保持较大离心压缩机的性能特点或提高给定离心压缩机的峰值效率的装置和方法。应当理解的是，该描述不旨在限制本发明。相反，示例性实施例旨在覆盖包括在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围中的备选方案、改型和等同方案。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐释了许多特定细节以便提供要求权利的本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解的是各种实施例可在没有此类特定细节的情况下实践。
尽管本示例性实施例的特征和元件在实施例中以特别组合描述，但各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者以具有或不具有本文公开的其它特征和元件的各种组合使用。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实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，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。
在下文中，将参照图10和图11提供用于说明书和权利要求中的关于术语的一些分类；将注意的是，这些附图并未对应于本发明的任何实施例；还将注意的是，此类分类对于本领域的技术人员明显。
在图10中，示出了位于毂与护罩(由虚线示出)之间且邻近导叶的叶轮的导叶；毂具有轴对称的毂表面(其类似于圆锥表面)；护罩具有轴对称的护罩表面(其类似于圆锥表面)。
在图11中，示出了图10的导叶的脊线CL；导叶与多个脊线相关联；从毂移动到护罩，导叶的翼型件表面的各个点与相异且不同的脊线相关联；位于毂表面上的与导叶的翼型件表面的点相关联的脊线通常称为"毂脊线"；位于护罩表面上的与导叶的翼型件表面的点相关联的脊线通常称为"护罩脊线"。
β角为脊线的点处的角，并且位于正交于叶轮的轴线的位置，并且对应于所述点处的脊线的切线(位于所述平面中)与位于所述平面中且在所述点处经过的圆周的切线(位于所述平面中)之间的锐角；在图11中，β-1为导叶的前缘处的脊线CL的β角，并且β-2为导叶的后缘处的脊线CL的β角。毂β角为毂脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的毂脊线的切线与位于毂表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；护罩β角为护罩脊线的点处的角，并且对应于所述点处的护罩脊线的切线与位于护罩表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于离心压缩机的返回通道组件设备，其中所述设备包括多个相同的返回通道，其中所述多个返回通道布置成使流过所述返回通道的流体流转弯总共至少180°，包括：
延伸达到或超过邻近对应的多个返回通道的弯头顶点的对应的多个区域的多个相同的返回通道导叶，其中所述区域从所述顶点沿径向延伸到对应的返回通道中，其中在所述区域处，所述流体流已经转弯大约90°；
具有轴对称的毂表面的毂；
具有轴对称的护罩表面的护罩；
其中毂β角为毂脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述毂脊线的切线与位于所述毂表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；
其中护罩β角为护罩脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述护罩脊线的切线与位于所述护罩表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；并且
其中从所述返回通道的所述导叶的前缘移动至后缘，在具有离返回通道的导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角减去护罩β角的角代数差首先减小而达到最小角代数差，接着增大而达到最大角代数差，接着再次减小。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个返回通道导叶的前缘完全位于所述对应的多个返回通道的所述区域中。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，沿径向延伸的所述多个返回通道导叶的轴向部分完全位于所述对应的多个返回通道的所述区域中。
4.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述最小角代数差的绝对值大于所述最大角代数差的绝对值。
5.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，从所述返回通道的所述导叶的前缘移动到后缘，毂β角减小至最小值，接着继续增大。
6.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述毂β角的曲线由从所述最小值向前的毂贝塞尔曲线函数描述。
7.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述毂贝塞尔曲线函数使用变化数量的控制点。
8.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，毂β角的曲线由所述最小值之前的四分之一椭圆函数描述。
9.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，从所述返回通道的所述导叶的前缘移动到后缘，护罩β角增大至局部最大值，接着减小到最小值，接着继续增大。
10.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述护罩β角的曲线由从所述局部最大值向前的护罩贝塞尔曲线函数描述。
11.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述护罩贝塞尔曲线函数使用变化数量的控制点。
12.根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，护罩β角的曲线由所述局部最大值之前的四分之一椭圆函数描述。
13.一种离心压缩机设备，所述设备包括：
包围转子和定子的外壳，以及
根据前述权利要求中任一项所述的返回通道组件设备。
14.一种用于保持离心压缩机的性能同时减小所述离心压缩机的尺寸或提高离心压缩机的峰值性能的方法，其中所述压缩机包括多个相同的返回通道，其布置成使流过所述返回通道的流体流转弯总共至少180°，所述方法包括使多个相同返回通道导叶延伸达到或超过邻近所述对应多个返回通道的弯头顶点的对应多个区域，其中所述流体流已经转弯大约90°。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括布置所述返回通道导叶，以使从所述导叶的前缘移动到后缘，在具有离导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角减去护罩β角的角代数差首先减小而达到最小角代数差，接着增大而达到最大角代数差，接着再次减小；
其中毂β角为毂脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述毂脊线的切线与位于所述毂表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；
其中护罩β角为护罩脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述护罩脊线的切线与位于所述护罩表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角。

Claims (15)

1. 一种用于离心压缩机的返回通道组件设备，其中所述设备包括多个相同的返回通道，其中所述多个返回通道布置成使流过所述返回通道的流体流转弯总共至少180°，包括：
延伸达到或超过邻近对应的多个返回通道的弯头顶点的对应的多个区域的多个相同的返回通道导叶，其中所述区域从所述顶点沿径向延伸到对应的返回通道中，其中在所述区域处，所述流体流已经转弯大约90°；
具有轴对称的毂表面的毂；
具有轴对称的护罩表面的护罩；
其中毂β角为毂脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述毂脊线的切线与位于所述毂表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；
其中护罩β角为护罩脊线的点处的角，并且对应于在所述点处的所述护罩脊线的切线与位于所述护罩表面中且在所述点处经过的圆周的切线之间的锐角；并且
其中从所述返回通道的所述导叶的前缘移动至后缘，在具有离返回通道的导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角与护罩β角之间的角差首先减小而达到最小角差，接着增大而达到最大角差，接着再次减小。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个返回通道导叶的前缘完全位于所述对应的多个返回通道的所述区域中。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，沿径向延伸的所述多个返回通道导叶的轴向部分完全位于所述对应的多个返回通道的所述区域中。
4. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述最小角差的绝对值大于所述最大角差的绝对值。
5. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，从所述返回通道的所述导叶的前缘移动到后缘，毂β角减小至最小值，接着继续增大。
6. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述毂β角的曲线由从所述最小值向前的毂贝塞尔曲线函数描述。
7. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述毂贝塞尔曲线函数使用变化数量的控制点。
8. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，毂β角的曲线由所述最小值之前的四分之一椭圆函数描述。
9. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，从所述返回通道的所述导叶的前缘移动到后缘，护罩β角增大至局部最大值，接着减小到最小值，接着继续增大。
10. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述护罩β角的曲线由从所述局部最大值向前的护罩贝塞尔曲线函数描述。
11. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述护罩贝塞尔曲线函数使用变化数量的控制点。
12. 根据任何前述权利要求所述的设备，其特征在于，护罩β角的曲线由所述局部最大值之前的四分之一椭圆函数描述。
13. 一种离心压缩机设备，所述设备包括：
包围转子和定子的外壳，以及
根据前述权利要求中任一项所述的返回通道组件设备。
14. 一种用于保持离心压缩机的性能同时减小所述离心压缩机的尺寸或提高离心压缩机的峰值性能的方法，其中所述压缩机包括多个相同的返回通道，其布置成使流过所述返回通道的流体流转弯总共至少180°，所述方法包括使多个相同返回通道导叶延伸达到或超过邻近所述对应多个返回通道的弯头顶点的对应多个区域，其中所述流体流已经转弯大约90°。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括布置所述返回通道导叶，以使从所述导叶的前缘移动到后缘，在具有离导叶的前缘的相同标准化距离的点处的毂β角与护罩β角之间的角差首先减小而达到最小角差，接着增大而达到最大角差，接着再次减小。
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