CN105221463A - 带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其中第一级为斜流压缩机，第二级为离心压缩机。斜流压缩机与离心压缩机之间连接一台中间冷却器。本发明的关键是通过一个具有前端明显轴向特征及尾端叶顶大曲率结构的斜流叶轮与一个进口渐缩型弯道无叶扩压器的配合来改善第一级叶轮性能，以满足大流量压缩机的需求。本发明具有流量大、省功耗、高效率、结构简单紧凑等优点，可以解决现有的特大、超大量级空分机组在采用多级离心压缩机结构时存在的第一级叶轮设计难度过大、性能恶劣的问题，以及采用多级轴流+离心压缩机结构时存在的结构复杂、工况范围较窄等问题，特别适用于110000～150000Nm³/h量级的空分机组。

Description

带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机

【技术领域】

本发明涉及压缩机技术领域，具体涉及一种透平式压缩机结构，其特别适用于110000～150000Nm³/h量级的空分机组。

【背景技术】

大流量的透平式压缩机一般用于冶金、石油化工等装备的压缩设备，如空气分离装置，且一般采用闭式叶轮。两台压缩机背靠(背靠背)安装，能有效减小施加在轴承上的轴向力，达到延长轴承寿命的效果，且结构紧凑，利于布置中间冷却装置。(参见中国发明专利公开“一种背靠背型两级离心式压气机的轴向力控制方法”，公开号：CN102828984A，公开日：2012.12.19)。

空分机组压缩机的结构形式很大程度上取决于其流量和压比的大小。中小流量的空分机组常采用单级或多级离心压缩机结构；大流量的空分机组尽管也多采用多级离心结构，但已接近离心压缩机的设计极限；特大量级(80000Nm³/h)以上的空分机组目前仅有多级轴流+离心结构获得了比较好的效果，如曼透平公司的AR-MAX1系列复合空分机组即采用6～8级轴流段+1～3级离心段+0～2台中冷器结构实现了3000～7000t/dO₂的目标，最高压力可达25bar。(参见曼透平官网产品介绍和文档资料“http://turbomachinery.man.eu/products/compressors/axial”)

随着装备大型化趋势的发展，压缩机流量和负荷不断加大，并且对结构紧凑等的限制要求越来越高，多级离心压缩机第一级的设计难度逐渐增大，尤其在大流量(或大流量系数)的要求下更是如此。尽管可以通过叶轮局部切削提升大流量系数离心叶轮性能，但效果并不十分理想。(参见文献WangYS,WangK,LinF,etal.Performanceanalysisandimprovementofahighflowcoefficientcentrifugalcompressor[J].ScienceChina,2014,57(8):1647-1657.)。在大流量(或大流量系数)下，多级离心压缩机的第一级叶轮容易出现出口相对宽度b₂/D₂超出离心叶轮常规设计范围，且在轮盖折转处易导致气流严重分离的问题，使叶轮压比和效率急剧下降，从而制约了纯粹的多级离心压缩机在特大、超大量级的压缩设备中的应用。

尽管多级轴流压缩机具有流道平滑、高压比时效率较高等优点，用于替代1～2级离心压缩机作为压缩装置的低压段也取得了较满意的效果，但其本身缺点也比较明显：(1)零部件数量多，加工成本高；(2)叶片抗畸变和抗沾污特性差；(3)单级增压比低，且随着级数的增多，末尾几级增压能力减弱，效率降低；(4)级间匹配困难，稳定工作范围小，为了扩大喘振裕度常采用可调静子或机匣处理，进而又增加了结构复杂性。

斜流压缩机结合了轴流压缩机大流量(或大流量系数)、高效率以及离心压缩机结构简单易于制造、可靠性高、压比高的特点，其流道型线在轮盖侧的折转相对平缓，削弱了气流在叶轮轮盖折转处的分离，也减小了轮盖侧叶片的扩压度，可用于解决大流量空分机组第一级压缩机性能恶劣的问题。但目前用于大流量空分装置的斜流叶轮和斜流压缩机尚处于探索阶段，因为商业保密，公开文献极少。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，以解决传统多级离心式压缩机难以适应特大流量空分机组需求以及在大流量(或大流量系数)下第一级压缩机性能恶劣的问题；本发明结构简单紧凑、压缩功耗小且稳定可靠，能够满足特大、超大量级空分机组的需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：包括斜流级和离心级，第一级为斜流压缩机，第二级为离心压缩机；斜流级包括斜流叶轮、斜流级无叶扩压器、斜流级蜗壳；离心级包括离心叶轮、离心级无叶扩压器、离心级蜗壳；在斜流压缩机和离心压缩机之间连接一个中间冷却器，中间冷却器进口与斜流压缩机蜗壳出口相连，中间冷却器出口与离心压缩机回流通道进口相连。斜流叶轮与离心叶轮均为含分流叶片的闭式叶轮，叶轮同轴背靠安装。

所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流级和离心级压缩机的流量为175～240kg/s；斜流压缩机总压比为1.5～3.0，离心压缩机总压比为1.5～2.3。

所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流叶轮的轴向长度比L/D₂为0.45～0.65；斜流叶轮叶片出口相对宽度b₂/D₂为0.10～0.16；斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角(即出口倾角)θ为30°～75°；其中，L为叶轮轴向长度，D₂为叶轮叶片出口平均直径，b₂为叶轮叶片出口宽度。

所述的带级间冷却的两级大流量两级斜流-离心组合压缩机，其斜流叶轮主叶片前缘和斜流叶轮分流叶片前缘的叶顶处连线与轴线所成夹角θ_s1为0°～8°。分流叶片前缘(从叶顶至叶根)位于斜流叶轮主叶片弦长40％～65％处。斜流叶轮叶片进口相对直径D₁/D₂>0.72，从斜流叶轮主叶片叶顶弦长70％～85％位置开始至尾缘的叶片区域，其叶顶曲线的平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上，且斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡；D₁为叶轮叶片进口叶顶直径，D₂为叶轮叶片出口平均直径。

所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流级无叶扩压器的通道面积经历了先减小后增大的过程，其中斜流级无叶扩压器的收缩段流道弯曲，斜流扩压器进口处轮盘倾角与斜流叶轮出口倾角相同；斜流级无叶扩压器喉部处(最小通流面积)与进口处的面积之比A₃/A₂为0.95～1.0，平均直径之比D₃/D₂为1.20～1.35。

所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其斜流扩压器进口处至喉部的流道有一定角度的折转，其折转角度为90°-θ，θ为斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能满足特大、超大量级空分机组，尤其是110000～150000Nm³/h量级空分机组对于大流量压缩机的需求，并能克服大流量空分机组第一级设计困难的问题。

(2)与采用离心压缩机作为空分机组压缩机的第一级的情况相比，采用本发明所述结构的斜流压缩机作为第一级，能有效解决大流量(或大流量系数)条件下采用离心压缩机作为第一级时所出现的叶轮出口分离严重，压缩机性能不足的问题。

(3)与采用多级轴流压缩机结构作为空分机组低压段的情况相比，两级斜流+离心组合压缩机结构比多级轴流结构具有更宽的工作范围，叶片积垢对性能的影响没有多级轴流结构明显，对于提高机组稳定性，拓宽压缩机工况范围有明显的作用。同时，采用两级斜流-离心组合压缩机结构取代多级轴流-离心压缩机结构能够减少压缩机零部件数量，简化结构，降低轴系设计难度，减少加工、安装和维护成本，提高叶片抗畸变能力和抗沾污能力。

(4)两级斜流-离心组合压缩机采用背靠式布置，能减小作用在轴承上的轴向力，增加轴承寿命；采用级间冷却，能减少10％左右的压缩功耗，提高经济效益。

本发明通过一个具有前端明显轴向特征及尾端叶顶大曲率特征的斜流叶轮与一个进口渐缩型弯道无叶扩压器的配合来改善第一级叶轮性能，以满足大流量压缩机的需求。

【附图说明】

图1为本发明带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机的总体结构示意图。

图2为本发明的循环示意图。

图3为本发明的第一级斜流叶轮和斜流无叶扩压器的参数定义及子午面结构示意图。

图4为本发明的前端明显轴向特征+尾端大曲率结构示意图。

图5为本发明实施例的第一级叶轮子午面结构示意图对比；第一级叶轮分别采用斜流叶轮和离心叶轮两种设计方案以作性能对比。

图6为本发明实施例的第一级叶轮三维视图(闭式叶轮轮盖未画出)；其中图6(a)为离心叶轮的三维图；图6(b)为斜流叶轮的侧视图；图6(c)为斜流叶轮的正视图。

图7为本发明实施例的第一级叶轮性能对比示意图；其中图7(a)为叶轮等熵效率对比示意图；图7(b)为叶轮总压比对比示意图。

图8为本发明实施例的第二级叶轮性能对比示意图；其中图8(a)为叶轮等熵效率对比示意图；图8(b)为叶轮总压比对比示意图。

附图中标号含义为：

1、锁紧螺母；2、主轴；3、斜流叶轮轮盘；4、斜流叶轮主叶片；5、斜流叶轮分流叶片；6、斜流叶轮轮盖；7、无叶扩压器轮毂壁面；8、斜流级无叶扩压器；9、斜流级蜗壳；10、壳体；11、离心级蜗壳；12、离心级无叶扩压器；13、离心叶轮轮盖；14、离心叶轮分流叶片；15、离心叶轮主叶片；16、离心级回流通道；17、离心叶轮轮盘；18、斜流压缩机级；19、中间冷却器；20、离心压缩机级。

附图中符号含义为：

L——叶轮轴向长度，m；

L₁——斜流叶轮大曲率区域长度，m；

D₁——叶轮叶片进口叶顶直径，m；

D₂——叶轮叶片出口(扩压器进口)平均直径，m；

D₃——斜流扩压器喉部(最小通流面积处，下同)平均直径，m；

b₂——叶轮叶片出口(扩压器进口)宽度，m；

b₃——斜流扩压器喉部宽度，m；

A₂——叶轮叶片出口(扩压器进口)面积，m²；

A₃——斜流扩压器喉部面积，m²；

θ——斜流叶轮出口轮盘切线与轴线所成锥角(即斜流叶轮出口倾角)，°；θ＝30°～75°；

θ_s1——叶轮主叶片前缘和分流叶片前缘的叶顶处连线与轴线所成夹角，°；

Q_m——质量流量，kg/s；

η_tt ^*——叶轮等熵效率；

π^*——叶轮总压比；

A₃/A₂＝(b₃/b₂)*(D₃/D₂)

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施方式仅为解释本发明，而不用于限定本发明。

参见图1～4，本发明一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，包括斜流压缩机级18和离心压缩机级20，斜流压缩机级18包括斜流叶轮、斜流级无叶扩压器8和斜流级蜗壳9；离心压缩机级20包括离心叶轮、离心级无叶扩压器12和离心级蜗壳11。

其中斜流叶轮由斜流叶轮轮盘3、斜流叶轮主叶片4、斜流叶轮分流叶片5和斜流叶轮轮盖6组成，离心叶轮由离心叶轮轮盘17、离心叶轮主叶片15、离心叶轮分流叶片14和离心叶轮轮盖13组成。斜流叶轮和离心叶轮背靠安装在主轴2上。斜流叶轮轮盘3前端通过锁紧螺母1固定，斜流压缩机18和离心压缩机20之间连接有中间冷却器19，具体方式为斜流级蜗壳9出口与中间冷却器19进口相连，离心级回流通道16进口与中间冷却器19出口相连，离心级回流通道16出口与离心叶轮进口相连。无叶扩压器轮毂壁面7是斜流级无叶扩压器8和离心级无叶扩压器12的公共轮毂壁面，同时也是斜流级和离心级压缩机之间轴承的承力结构。

本发明带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，工作时从斜流压缩机18的左侧轴向进气，经过带分流叶片5的斜流叶轮做功增压后进入斜流级无叶扩压器8。斜流叶轮前端轴向特征明显，尾端径向特征明显，本发明称之为“前端明显轴向特征+尾端大曲率结构”。当叶轮叶片进口相对直径D₁/D₂>0.72时，说明叶轮出口平均外径D₂与进口叶顶直径D₁相差很小，即叶轮进出口圆周速度平方差较小，叶片增压能力有限，故具备采用“前端明显轴向特征+尾端大曲率结构”的条件。其中“前端明显轴向特征”结构具体表现为：在斜流叶轮前端的轴向段流道平缓，与等外径的轴流叶片相似，其斜流叶轮主叶片4和分流叶片5的叶顶保持在大致相同的直径，折转角θ_s1<8°，以确保分流叶片叶顶马赫数不会过大；轴向段平缓的流道设计以保证气流流动通畅，减小气流在叶片通道中向径向折转之前的分离和堵塞。“尾端大曲率结构”表现为：在斜流叶轮尾缘附近，流道曲率明显增大，大曲率区域从主叶片叶顶弦长70％～85％位置开始至叶片尾缘截止，即靠近叶轮出口15％～30％叶顶弦长的叶片区域，其叶顶平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上，第一级斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡；大曲率区域承担了气流在叶轮内向径向方向折转的主要任务。上述“前端明显轴向特征+尾端大曲率结构”中，“前端明显轴向特征”结构体现轴流叶片增压方式，“尾端大曲率结构”体现离心叶片增压方式，二者结合充分利用叶片通道变化和离心力两种增压方式来提升压力。斜流级无叶扩压器8承担了气流从斜流叶轮出口向完全径向方向折转及进一步扩压的任务，其流道经历了先收缩后扩张的过程。从斜流扩压器进口处至喉部的流道有一定角度的折转，其折转角度为90°-θ，该段通道渐缩，收缩比例A₃/A₂为0.95～1.0，收缩段平均直径之比D₃/D₂为1.20～1.35，直至在斜流扩压器喉部处完全折转到径向方向；流道折向径向方向后的扩压器通道为平行直壁通道。斜流无叶扩压器进口弯道结构分担了斜流叶轮向径向折转的难度，先收缩后扩张这一流道变化过程在一定程度上限制了气流在向径向折转时在叶轮尾缘轮盖一侧形成大面积的堵塞区域。与离心叶轮仅在叶轮中完成气流的径向折转不同，斜流叶轮出口部分和斜流无叶扩压器进口部分配合完成气流折转，能够有效地解决大流量(或大流量系数)离心叶轮剧烈折转时出口分离严重问题，也减小了斜流叶轮与扩压器的匹配难度。气流经过斜流级无叶扩压器8扩压后进入斜流级蜗壳9，斜流级蜗壳9为非对称内圆蜗壳，气体经过斜流级蜗壳9收集后导入中间冷却器19，经中间冷却器19冷却到与斜流叶轮进口相同温度，而后气流从中间冷却器19出口导入到离心级回流通道16的进口处，经过离心级回流通道16(可增加整流叶片)整流后进入离心压缩机级20。经离心叶轮进一步增压后，进入离心级径向无叶扩压器12，在其中减速增压，最后由离心级蜗壳11收集气体后导入到下一个部件。

附图5～8所示，为本发明的一个具体实施例的叶轮子午型线、三维造型以及性能对比，具体实施例设计如下：针对流量为226.81kg/s，转速为3969r/min，进口总温为288.15K，进口总压为101.325kPa，第一级设计总压比为2.0，第二级设计总压比为1.7的压缩机机组，使用同一通流设计程序对第一级压缩机分别采用了离心叶轮和斜流叶轮两种方案设计，其中斜流叶轮的设计参照上述设计规则，第二级压缩机只采用离心叶轮设计。第一级叶轮采用离心叶轮设计时，叶轮参数为：L/D₂＝0.308，θ＝90°，b₂/D₂＝0.149，θ_s1＝4°，D₁/D₂＝0.751，分流叶片前缘叶顶位于主叶片叶顶弦长的20％处，分流叶片前缘叶根位于主叶片叶根弦长的34％处。第一级叶轮采用斜流叶轮时，叶轮参数为：L/D₂＝0.631，θ＝65°，b₂/D₂＝0.132，θ_s1＝6°，D₁/D₂＝0.751，分流叶片前缘叶顶位于主叶片叶顶弦长的47％处，分流叶片前缘叶根位于主叶片叶根弦长的62％处，叶轮出口叶顶大曲率长度占主叶片叶顶总弦长的20％；斜流无叶扩压器参数：A₃/A₂＝0.996，D₃/D₂＝1.224。第二级叶轮采用标准离心叶轮设计时，叶轮参数为：L/D₂＝0.285，θ＝90°，b₂/D₂＝0.103，θ_s1＝4°，D₁/D₂＝0.665，分流叶片前缘叶顶位于主叶片叶顶弦长的19％处，分流叶片前缘叶根位于主叶片叶根弦长的26％处。

第一级压缩机分别采用斜流叶轮和离心叶轮设计时性能对比如附图7所示。采用本发明的斜流叶轮后，第一级压缩机的叶轮总压比和等熵效率比相同设计下的离心叶轮有了大幅度提高，其设计点(Q_m＝226.81kg/s)处斜流叶轮的总压比为2.173，达到并超过了总压比2.0的设计目标；离心叶轮设计点总压比为1.679，未能达到设计要求，这在根本上说明了离心叶轮不适合用于该流量条件下空分机组的第一级，而斜流叶轮可以胜任；此外，在设计点处，离心叶轮等熵效率为80.93％，斜流叶轮等熵效率为95.54％，同离心叶轮相比，斜流叶轮等熵效率提高了18.05％，总压比提高了29.42％，堵塞流量提高了1.42％。第二级压缩机采用离心叶轮设计时性能如附图8所示。可以看出第二级离心压缩机也具有良好的性能，离心叶轮设计点总压比为1.796，达到了总压比1.7的设计要求；设计点叶轮等熵效率为93.45％，保持了较高的效率水平。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员利用本发明书内容所做的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：包括斜流级和离心级，第一级为斜流压缩机，第二级为离心压缩机；斜流级包括斜流叶轮、斜流级无叶扩压器、斜流级蜗壳；离心级包括离心叶轮、离心级无叶扩压器、离心级蜗壳；在斜流压缩机和离心压缩机之间连接一个中间冷却器，中间冷却器进口与斜流压缩机蜗壳出口相连，中间冷却器出口与离心压缩机回流通道进口相连；斜流叶轮与离心叶轮均为含分流叶片的闭式叶轮，叶轮同轴背靠安装。

2.根据权利要求1所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：所述斜流级和离心级压缩机的流量为175～240kg/s；斜流压缩机总压比为1.5～3.0，离心压缩机总压比为1.5～2.3。

3.根据权利要求1所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：斜流叶轮的轴向长度比L/D₂为0.45～0.65；斜流叶轮叶片出口相对宽度b₂/D₂为0.10～0.16；斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角θ为30°～75°；其中，L为叶轮轴向长度，D₂为叶轮叶片出口平均直径，b₂为叶轮叶片出口宽度。

4.根据权利要求1所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：斜流叶轮主叶片前缘和斜流叶轮分流叶片前缘的叶顶处连线与轴线所成夹角θ_s1为0°～8°；斜流叶轮分流叶片前缘位于斜流叶轮主叶片弦长40％～65％处；斜流叶轮叶片进口相对直径D₁/D₂>0.72；从斜流叶轮主叶片叶顶弦长70％～85％位置开始至尾缘的叶片区域，其叶顶曲线平均曲率是其余区域叶片叶顶平均曲率的2倍以上；且斜流叶轮的子午流道型线光滑过渡；D₁为叶轮叶片进口叶顶直径，D₂为叶轮叶片出口平均直径。

5.根据权利要求1所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：斜流级无叶扩压器的通道面积从入口到出口先减小后增大，其中斜流级无叶扩压器的收缩段流道弯曲，斜流级无叶扩压器进口处轮盘倾角与斜流叶轮出口倾角相同；斜流级无叶扩压器喉部处与进口处的面积之比A₃/A₂为0.95～1.0，平均直径之比D₃/D₂为1.20～1.35。

6.根据权利要求5所述的带级间冷却的两级大流量斜流-离心组合压缩机，其特征在于：从斜流扩压器进口处至喉部的流道有一定角度的折转，其折转角度为90°-θ，θ为斜流叶轮出口处轮盘切线与轴线所成的锥角。