CN105723094A - 用于离心压缩机的耐受液体的叶轮 - Google Patents

Abstract

为了减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮(120,130)的腐蚀，叶轮(120,130)包括会聚－发散狭口；引入的流传送通过狭口，以便在叶轮的入口(122)处的气体速度首先突然大大增大以及然后突然大大减小；此外，叶轮构造成使得在内部在其入口之后，引入的流在经向面中逐渐偏离。

Description

用于离心压缩机的耐受液体的叶轮

描述

本文中公开的主题的实施例涉及用于旋转机械的叶轮、用于减少叶轮腐蚀的方法以及离心压缩机。

存在许多其中叶轮设计为在其入口处接收气流的方案。在这样的方案中，十分常见的是，在叶轮的大部分操作时间期间，气体极其干燥，但是在一些情形中，气体包含一些液体；液体可为气流内的液滴的形式。在这种情形中，液滴撞击叶轮，尤其是叶轮的内部通路的表面；这意味着液滴可腐蚀叶轮。在离心压缩机中使用的叶轮的情形中，腐蚀影响叶片表面以及甚至轮毂表面。

应当注意，液滴碰撞的效果是非线性的。最初，液滴与叶轮通路的表面的碰撞似乎没有影响，且其不在表面上引起腐蚀；在若干碰撞之后，影响变得明显且表面迅速恶化。腐蚀时间阈值取决于各种因素，包括例如液滴的质量和大小以及液滴的速度，尤其是速度的垂直于被液滴撞击的表面的分量。

应当注意，当由于表面恶化引起的叶轮损坏是可以忽略的或根本没有时，叶轮应当例如在压缩机中使用；否则，叶轮应当修理或替换。

还应当注意，如果旋转机械是操作的且叶轮正在旋转，则一旦表面恶化开始，由于恶化而引起的叶轮损坏不容易检测；通常仅当恶化非常严重且引起振动时才检测到恶化。

因此，存在对减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮腐蚀的方法的需要。该需要尤其对于离心压缩机的叶轮存在。

通过减少腐蚀，叶轮的寿命将增加，且因此还将增加旋转机械的可用时间。

解决方案应当考虑到，在大部分操作时间期间，引入的气流不包含液滴；因此，所采取的用于减少腐蚀的任何措施不应当对在干燥状态中的操作过度不利。

根据第一示例性实施例，存在一种用于旋转机械的封闭叶轮，其具有入口、出口和将入口流体地连接到出口的多个通路；其中每个通路由轮毂、护罩和两个叶片限定；在入口处，叶片的厚度首先增大且然后减少，以便创造通路中的位于通路的入口区域处的会聚-发散狭口。每个叶片具有上游部分和下游部分，在上游部分中，厚度首先突然增大且然后减少，下游部分具有大致恒定的厚度。

根据第二示例性实施例，存在一种用于减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮腐蚀的方法；引入的流传送通过会聚-发散狭口以便首先增加且然后减少叶轮的入口处的气体速度。有利地，在叶轮的入口后和叶轮内，引入的流在经向面(meridionalplane)中逐渐偏离。

根据第三示例性实施例，存在具有多个压缩机级的离心压缩机；压缩机在其入口处耐受液体；至少第一级包括叶轮，其中，在入口处，叶片的厚度首先增大且然后减少，以便在叶轮的内部通路中创造会聚-发散狭口。

从结合附图考虑的示例性实施例的以下描述，本发明将变得更明显，其中：

图1示出多级离心压缩机的非常示意性的视图，

图2A示出根据示例性实施例的叶轮的局部立体视图，

图2B示出图2A的叶轮的细节，

图3示出两个不同的叶轮中的速度的比较图，

图4示出两个不同的叶轮中的加速度的比较图，

图5示出根据现有技术的叶轮的内部通路，

图6示出根据示例性实施例的叶轮的内部通路，

图7示出包括图5和图6的叶轮的不同叶轮中的法向加速度的比较图，

图8示出根据示例性实施例的叶轮的内部通路的放大视图，以及

图9示出根据示例性实施例的叶轮的局部前视图。

详细描述

示例性实施例的以下描述参考附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或类似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，贯穿说明书在各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定参考相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

图1示出离心压缩机的两个级和两个对应的叶轮120和130；具体地，叶轮120是第一叶轮(第一级)，其为接收引入的气流的第一个叶轮，且叶轮130是第二叶轮(第二级)，其为正好在第一叶轮120之后接收引入的气流的第二个叶轮。压缩机基本上由转子和定子100及转子组成；转子包括轴110、固定到轴110的叶轮120与130，以及固定到轴110的扩散器140。

图1示出在截面视图中的第一叶轮120和在外观图中的第二叶轮130。

关于第一叶轮120，图1示出其内部通路121中的一个，其将叶轮的入口122流体连接到叶轮的出口123；通路121由轮毂124、护罩125和两个叶片126(仅其中一个在图1中示出)限定。叶轮的入口区域和出口区域在叶轮内少量延伸；特别地，叶轮的入口区域对应于内部通路的入口区域(参见图1中的虚线)，即使叶片126的前缘127可从叶轮的前侧回退(参见图1)。如将从下文中变得更明显地，有利的是，叶轮通路的全部入口区域位于叶轮的入口区域中，因为以这种方式，与通路入口区域(尤其是与叶片)关联的会聚-发散狭口的作用恰好在通路的开始处出现。

在叶轮120的大部分操作时间期间，引入的气流完全干燥，且在一些情形中气体包含液滴形式的一些液体。在这种情形中，液滴撞击叶轮，特别是叶轮的内部通路121的表面，更特别地轮毂124的表面。

用于减少被液滴腐蚀的第一措施是减少液滴的质量和大小；如果这种减少在叶轮的入口区域处执行，有利地在叶轮的内部通路的入口区域处执行，则其是特别有效的。

在图2的有利的示例性实施例中，每个叶片的厚度首先突然大大增加(参见例如图2B左方)以及然后突然大大减少(参见例如图2B右方)；考虑到叶轮的叶片彼此面对(参见例如图2A)，厚度增加和厚度减小创造通路中的位于通路的入口区域中的会聚-发散狭口。由于这种狭口，液滴经历破碎过程，即，其被相对的气流强制打碎。这因为在液体和气体之间的不同惯性发生。厚度增加和由此引起的气体加速以及厚度减小和由此引起的气体减速都增加了两相(即，气体和液体)之间的相对速度，因为滴对气体速度变化几乎不敏感(尤其是如果它们突然且较大)且倾向于以恒定速度前进。

破碎过程由两相的不同惯性增强；然而，当液滴的液体的密度超过气体密度达50倍以上时，液滴以高度切向的相对速度(因为平均速度对于液滴相比对于气体小得多)接近叶轮，且其撞击叶片的压力侧。在这些情形中，如上文中描述的破碎工艺可变得不那么有效或者完全无用。

典型地但不必然地，叶轮的所有内部通路设有这种类型的狭口，且叶轮的所有叶片构造成带有这种类型的初始厚度增加和厚度减小；典型地但不必然地，所有叶片将相同。

图2A示出根据示例性实施例的一个叶片的初始部分的截面(滴形)以及根据现有技术的一个(大致平坦)；图2B的剖面是水平的且垂直于图1的平面，且图2B的细节可在垂直实线127(叶片的前缘)与平行于其的虚线之间找到。

根据流动方面，叶片的上游部分位于叶片本身的开始处。尤其地，如图2A所示，上游部分长度小于脊线(camberline)长度的20%，脊线为在通路的截面上距轮毂和护罩表面等距的线。

在图2B中，厚度减小紧随着厚度增加；这意味着在它们之间不存在具有恒定厚度的叶片部分；如此，在狭口区域中气体速度不断地被迫改变且液滴被高度地扰乱。

在图2的实施例中，叶片的截面关于脊线200对称，且厚度增加和厚度减小在叶片的两侧上相同地分布。不管怎样，根据备选实施例，叶片的截面可关于脊线200不对称，且厚度增加和/或厚度减小可不对称地分布以及甚至仅在叶片的一侧上。就这点而言，应当注意到，考虑在叶轮通路的入口处的流动方向(参见例如图2A)，叶片的前缘通常面向相邻叶片的平坦区域；因此，厚度增大和厚度减小的位置还可能将这种不对准考虑在内。

在图2的实施例中，对应于长度201的两倍的厚度增加量不同于对应于长度202的两倍的厚度减小量，因为厚度增加恰好在叶片的前缘127上开始。不管怎样，如果例如厚度增加在距边缘一定距离处开始，则两个量可相等。

对应于图2B中的长度201与长度203之间的比率的厚度增加率可等于或不同于对应于图2B中的长度202与长度204之间的比率的厚度减小率；在根据图2的实施例中，它们是不同的：增加率比减少率略微高一些。

有利的是，厚度增加和厚度减小是逐步的，以便避免或至少限制由于厚度增加和厚度减小引起在气流中的湍流。

大体而言，图2B中叶片的最大处205远离图2B中的叶片的前缘127；例如，其为厚度减小的终止的距离(对应于图2B中长度203和204的和)的25%与75%之间的距离。

厚度减小可例如为至少50%(关于在减少开始以前的厚度)；换言之且参考图2B，长度202大于或等于长度201的50%，或等同地，长度207小于或等于长度206的50%。

厚度减小在距叶片的前缘(图2B中的127)一定距离处终止；例如，该距离(在图2B中对应于长度203和204的和)可大于叶片的最大厚度(在图2B中对应于长度206)的2倍且小于叶片的最大厚度的6倍(在厚度减小以前)。

与图2的实施例相反，厚度增加可在距叶片的前缘一定距离处开始；例如，该距离可大于叶片的最大厚度(在图2B中对应于长度206)的1倍且小于叶片的最大厚度的4倍(在厚度减小以前)。

图3示出在带有狭口和没有狭口的情况下沿着流动路径的气流速度；狭口设计为例如以便在通路中流动的气体的速度中引起至少20%的突然的/局部的增加-减少；值得注意的是，甚至在没有狭口的情况下，也存在轻微的(例如，很小的百分比)速度增加-减少，且这是由于叶片的前缘和其法向标称厚度引起的。在通路的入口区域后，至少对于通路的特定部分，气流速度继续逐渐减少。在图3中，图表涉及速度向量的幅度的绝对值。

图4示出在带有狭口和没有狭口的情况下沿着流动路径的气流加速度；狭口设计为例如以便引起高的加速度(尤其是加速度峰值)和高的减速度(尤其是减速度峰值)；值得注意的是，甚至在没有狭口的情况下，也存在一些加速度增加，且这是由于叶片的前缘和其法向标称厚度引起的。在图4中，图表涉及加速度向量的幅度的绝对值，且出于该原因，其不达到零值。

鉴于刚刚以举例的方式描述的那些，有可能减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮(尤其是离心压缩机的叶轮)的腐蚀；会聚-发散狭口用于首先突然大大增加以及然后突然大大减少传递通过狭口的引入气流的气体速度；狭口位于叶轮的入口处；相同或不同的多于一个的连续狭口可相继地配置。

用于减少被液滴腐蚀的第二措施是减少速度的垂直于被液滴撞击的表面的分量；特别地，在本文中考虑的表面是轮毂表面，因为焦点在离心压缩机上。

有利地，第一措施和第二措施可组合在一起。

基本想法是考虑法向加速度沿着经向面中的气流线定形叶轮的内部通路。

随着经向通道的长度增大，经向面中的平均流线曲率减小，且气体的法向加速度(即，垂直于经向面中的流线)也如此，其事实上与局部曲率相关。

较小的法向加速度意味着液滴需要较小的法向力来遵循气体的流线。因此，液滴将较少地偏离经向面中的气流线。不管怎样，因为气体与液体之间的不同惯性，偏离不能完全地避免。

当液滴较少地偏离经向面中的气流线时，它们以小的法向速度接近叶轮的轮毂表面，且这显著地减小腐蚀。

图5示出根据现有技术在经向面中的叶轮通路，而图6示出根据示例性实施例在经向面中的叶轮通路；应当注意图6对应于上述技术教导的极端应用。图7示出图5的叶轮中的、图6的非常长的叶轮中的以及在具有两个中间轴向跨度的其他两个叶轮中的法向加速度；清楚的是，通过应用上述技术教导，在通路的每一点处的法向加速度改善。

不同的参数可用于限定在经向面中的叶轮的内部通路的形状，以便提供限制法向加速度的值的条件，如将从参考图8描述的以下情形显而易见的。

在出口处，经向面中的轮毂轮廓801可与径向方向形成大于10°的角度803；这是限制通路的总体旋转的第一方式。

在出口处，经向面中的护罩轮廓802可与径向方向形成大于20°的角度804；这是限制通路的总体旋转的第二方式。

在经向面中的轮毂轮廓的任一点处，轮毂轮廓的曲率半径805是垂直于轮毂轮廓测量的通路的高度806的至少2.5倍。

在经向面中的护罩轮廓的任一点处，护罩轮廓的曲率半径807是垂直于护罩轮廓测量的通路的高度808的至少1.5倍。

经向面中的通路的轴向跨度810是入口处的通路的高度809的至少2倍。

参考图8解释的上述情形基于几何形状且可认为是“结构类型”。

在图8中，示出在叶轮的内部通路内的液滴的可能轨迹；小体积的气体从入口的中心位置到出口的轨迹对应于虚线；将期望的是，液滴将遵循相同轨迹；不管怎样，由于法向加速度，液滴从气体轨迹偏离且遵循偏离的轨迹(偏离轨迹对应于连续的线)。通过减小液滴的质量与大小以及通过使用平滑的弯曲通路，偏离轨迹或者在通路的终止处到达轮毂轮廓801且“软”碰撞发生，或者不到达轮毂轮廓801，如图8中所示，且没有碰撞发生。

其他可能的状况是“功能类型”且因此直接基于法向加速度的值；这些可参考图7的图表更好地理解。

在第一示例性状态时，通路可定形为以便沿着经向面中的气体流线的法向加速度不超过预定限制。

在第二示例性状态时，通路可定形为以便叶轮内的法向加速度的最大值与叶片的后缘处的法向加速度的值之间的比率不超过例如2.0；应当注意，前缘处的法向加速度通常为零或接近零(参见图7)。

这些情形中的一个或多个可组合在一起以便更好地控制通路中的法向加速度。

鉴于刚刚以举例的方式描述的那些，可能减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮(尤其是离心压缩机的叶轮)的腐蚀；引入流在经向面中(优选地十分或非常)缓和地偏离。由于焦点在离心压缩机上，所以相关的偏离是经向面上的偏离；一般而言，横向或切向面中的偏离也必须考虑。

为了实现缓和偏离，可能有必要增加叶轮的轴向跨度和/或通过叶轮减少气流的弯曲(在离心压缩机中，气流通常弯曲90°)。

用于减小被液滴腐蚀的第三措施是使叶片的前缘关于径向方向倾斜；特别地，倾斜方向是诸如护罩廓线落在轮毂廓线后面。

非常有利地是，第一措施与第二措施以及第三措施可组合在一起。

优选地，倾斜角度至少为30°。

在图9中，叶片标记为901(标记了一个叶片)，轮毂标记为902，护罩未示出，叶片的前缘标记为904，径向方向标记为905，且倾斜角度标记为903。

入口处的叶片倾斜产生径向压力梯度，这倾向于在其朝护罩推动气流时减少轮毂附近的质量流率；在图8中，轮毂轮廓标记为801且护罩轮廓标记为802。因此，这种压力梯度偏好液滴按照叶轮内部通路的形状的移动，且因此减少轮毂表面的腐蚀。

上述教导可有利地应用到离心压缩机的叶轮，例如图1的离心压缩机；这些对于第一叶轮特别有用，即，图1中的叶轮120。

Claims (15)

1.一种用于旋转机械的封闭叶轮，其具有入口、出口和将所述入口流体地连接到所述出口的多个通路，所述通路中的每个通路由轮毂、护罩和两个叶片限定，其特征在于，每个叶片具有上游部分和下游部分，所述上游部分具有首先突然增大且然后减小的厚度，以便创造所述通路中的位于所述通路的入口处的会聚－发散狭口，且所述下游部分具有大致恒定的厚度。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述厚度减小紧跟着所述厚度增加。

3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，所述厚度减小在距所述叶片的前缘一定距离处终止，所述距离大于所述叶片的最大厚度的2倍且小于所述叶片的最大厚度的6倍。

4.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述厚度增加在所述叶片的前缘处开始。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，所述上游部分长度小于脊线长度的20%。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，在所述出口处，经向面中的轮毂轮廓与径向方向形成大于10°的角度。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，在所述出口处，所述经向面中的护罩轮廓与径向方向形成大于20°的角度。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，在所述经向面中的所述轮毂轮廓的任一点处，所述轮毂轮廓的曲率半径为垂直于所述轮毂轮廓测量的通路的高度的至少2.5倍。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，在所述经向面中的所述护罩轮廓的任一点处，所述护罩轮廓的曲率半径为垂直于所述护罩轮廓测量的通路的高度的至少1.5倍。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，所述经向面中的所述通路的轴向跨度是所述入口处的所述通路的高度的至少2倍。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，在所述入口处，所述叶片的前缘关于所述径向方向的倾斜角度为至少30°，以便护罩廓线落在轮毂廓线后面。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的叶轮，其特征在于，厚度增加和厚度减小相同地分布在每个叶片的两侧上。

13.一种用于减少由于引入的气流中的液滴引起的叶轮腐蚀的方法，其特征在于，所述引入的流传送通过会聚-发散狭口，以便首先增加且然后减少在所述叶轮的入口处的气体速度。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述叶轮的入口之后以及在所述叶轮内，所述引入的流在经向面中逐渐偏离。

15.一种具有多个压缩机级的离心压缩机，所述压缩机在其入口处耐受液体，其特征在于，至少第一级包括根据权利要求1到12中的任一项所述的叶轮。