CN107109960B - 在涡轮机械中、尤其压缩机中的导向器的导向叶片的轮廓部 - Google Patents

在涡轮机械中、尤其压缩机中的导向器的导向叶片的轮廓部 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机械(10)的、尤其用于压缩机(10)的导向器(1)以及一种具有这种入口导向器(1)的涡轮机械(10)。导向器(1)具有至少一个叶片(4)，所述叶片具有能由流体(2)绕流的叶片翼(3)。为了提高涡轮机械(10)的效率提出，叶片翼(3)的轮廓中心线(6)的弯曲部(5)具有至少一个拐点(7)。

Description

在涡轮机械中、尤其压缩机中的导向器的导向叶片的轮廓部
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮机械的、尤其用于压缩机的导向器以及一种具有这种入口导向器的涡轮机械。
背景技术
压缩机或流体压缩的设备在不同的工业领域中用于不同的应用，这些应用包括(工艺)流体、尤其是(工艺)气体的压缩或增压。对此已知的实例是在移动的工业应用中、如在废气涡轮增压机中或在喷气式发动机中的涡轮压缩机，或者也在静止的工业应用中、如在用于空气分离的齿轮式压缩机或者说齿轮式涡轮压缩机中的涡轮压缩机。
在这种——以其工作方式持续工作的——涡轮压缩机中，通过如下方式引起流体的压力提高(压缩)：通过旋转叶片提高流体的角动量，所述流体从入口至出口穿过涡轮压缩机的具有旋转的、径向延伸的叶片的转动轮。在此，也就是说，在这种压缩机级中，在转动轮中的流体的压力和温度升高，而在转动轮中的流体的相对(流动)速度降低。为了实现流体的尽可能高的压力提高或压缩，能够将多个这种压缩机级相继连接。
按涡轮压缩机的构型分为径流式和轴流式压缩机。
在轴流式压缩机中，要压缩的流体、例如工艺气体沿与轴线(轴向方向)平行的方向流过压缩机。在径流式压缩机中，气体轴向地流入压缩机级的转动轮中，然后向外(径向地、径向方向)转向。因此，在多级的径流式压缩机中，在每个级下游需要流动偏转。
这种径流式压缩机从http://de.wikipedia.org/wiki/Verdichter(可于2014年10月6日获得)中已知。
轴流式和径流式压缩机的组合的结构类型借助于其轴流级吸入大的体积流，在随后的径流级中将所述体积流压缩至高的压力。
在通常使用单轴的机械装置时，在齿轮式压缩机中，各个压缩机级围绕大齿轮分组，其中多个平行的轴由大的驱动齿轮、大齿轮驱动，所述轴分别承载一个或两个——容纳在螺旋壳体中的——转动轮。
西门子公司的这种齿轮式压缩机、齿轮式涡轮压缩机具有名称 STC-GC，其用于空气分离，从 http://www.energy.siemens.com/hq/de/verdichtung-expansion-ventilation/turboverdichter/getriebeturboverdichter/stc-gc.htm(可于2014 年10月6日获得)中已知。
西门子公司的另一在此情况下单级的、具有悬伸的开放式的转动轮的齿轮式径流式压缩机、齿轮式涡轮压缩机具有名称STC-GO，用于满足冶金的、化石和化学工业的需求，该另一齿轮式径流式压缩机从 http://www.energy.siemens.com/hq/de/verdichtung-expansion-ventila tion/turboverdichter/einstufige-verdichter/stc-go.htm(可于2014年 10月6日获得)中已知。
在工艺运用越来越灵活的同时通常也提高要求，如特别是在涡轮机械中，对(闭环控制/开环控制)灵活性和/或功率的要求。
对此已知的是，为了改善和/或增大涡轮机械中的效率和/或调节范围，对涡轮机械的特征曲线族产生影响或者甚至总体上调节涡轮机械，这种涡轮机械设有导向器、如——通常可调节的——连接在(轴向转动轮)上游的入口导向器和/或连接在(轴向转动轮)下游的出口导向器。
这种导向器通常具有环形设置的、必要时借助于(调节)机械装置可调节(角度)的叶片，所述叶片具有轮廓化的、由(工艺)流体绕流/可由(工艺)流体绕流的叶片翼，所述叶片翼有助于穿过涡轮机械的最优的流动引导。
这种入口导向器和出口导向器例如从DE 10 2012 216 656 A1中已知。齿轮式涡轮压缩机STC-GC也具有入口导向器(在其第一级上游)。
从EP 2 241 722 A1中已知一种具有导向器的导向叶片的轴流式压缩机，其中导向叶片在轮廓中心线或脊线中具有拐点。WO 2005/059313A2、WO 2009/086959 A1和EP1790 830 A1分别示出具有在涡轮上的相应的导向叶片的涡流增压器。
例如——在入口导向器可调节的情况下——这样借助于这种可调节的入口导向器与对涡轮机械的功率要求相关地，通过对入口导向器的叶片环的叶片或叶片翼进行(角度)调节来匹配或调节(关于转动轮轴线)轴向地进入涡轮机械的(工艺)流体或其流动的在碰到转动轮或第一转动轮级上之前的速度和流动方向。
然而，尤其在叶片或叶片翼的角度调节大时，流体流不再顺着叶片或叶片翼的轮廓，这造成流动损失、效率损失进而也造成在对涡轮机械的(功率/灵活性)要求方面的限制。
相应的情况也适用于涡轮机械中的出口导向器或那里的角度调节。
发明内容
本发明基于的目的是，改善现有技术中的缺点以及以简单的且成本低的方式实现可以高效率灵活运行的涡轮机械。
所述目的通过具有根据相应的实施例的特征的用于涡轮机械的、尤其用于压缩机的导向器以及具有这种导向器的涡轮机械实现。
导向器具有至少一个叶片，所述叶片具有可由流体绕流的叶片翼。叶片翼的轮廓中心线(也称作脊线)的弯曲部在此具有至少一个拐点。
在此，根据流体力学的定义(参照 http://de.wikipedia.org/wiki/Profil可于2014年 10月6日获得)中的定义，轮廓能够理解为体部的，在此为叶片翼的，沿流动方向的横截面的形状。轮廓中心线或者说脊线(也称为曲率线)可理解为内接在轮廓中、在此内接在叶片翼轮廓中的圆的中心点的连线。
通过对叶片翼的轮廓中心线的修改，也就是说通过叶片翼的轮廓中心线的具有至少一个拐点(或可能也具有多个拐点)的弯曲，简短且简化的说——通过叶片翼的具有至少一个拐点(或可能的多个拐点)的弯曲的轮廓中心线，能够改变叶片翼轮廓面，使得在导向器可调节时能够降低在(可调节的)叶片的——宽的——调节区域中的流动损失，而几乎不用在叶片翼/叶片的0°位置中进行改变。
由此，在特定的工作点中、如在主要保证点(Hauptgarantiepunkt) 中能够改善涡轮机械的功率数据或功率。
本发明的优选的改进方案也由下述说明中得到。
根据已知改进方案提出，叶片翼的轮廓中心线/脊线的弯曲部具有刚好一个拐点。直观地且简化地表达，叶片翼在此(对于升力面，例如飞翼、小翼的情况)构成类似于翘后缘轮廓的轮廓。名称“翘后缘”源自于如下：轮廓“s形”的后部区域中的轮廓中心线/脊线指向上方，由此——在此于是在叶片翼中——具有涡旋(所述涡旋是与“s形的走向”的或“s形的”指向上方的轮廓后缘的造型相关的)的——流——从叶片翼流出。
替代地，也能够以改进的方式提出，叶片翼的轮廓中心线的弯曲部具有两个(“双重翘后缘”)、三个(“三重翘后缘”)或更多个拐点。
根据另一优选的改进方案提出，拐点的数量和/至少一个拐点的位置或——在多个拐点的情况下——拐点的位置和/或还有弯曲的幅度和/或弯曲的走向，简短地说弯曲的造型，是与叶片翼的和/或转动轮的空气动力学要求相关的、尤其与待设置的迎流情况相关的。还有叶片翼的其他轮廓尺寸或几何形状，如轮廓厚度、轮廓深度和/或跨度能够相应地或与空气动力学要求相关地设计。
(拐点的)位置在此——在下文中如此表示——能够理解为拐点位置，所述拐点位置是至少一个拐点或所述拐点与叶片翼的前缘的——投射到叶片翼的翼弦上的——间距。相对拐点位置是关于翼弦长度或轮廓深度的拐点位置。
这样例如——直观地和/或简化地说——为流体机械(导向器设置用于所述流体机械，例如作为其入口导向器)的工作点或设计点确定其调节角度——然后对于那里的流动情况(叶片翼在调节角度下的迎流)优化叶片翼轮廓或叶片翼的弯曲的造型进而也优化拐点的数量、拐点的拐点位置或多个拐点的拐点位置、弯曲的幅度和/或弯曲走向，使得流从叶片翼——以采用的调节角度——以特定的、设有的(朝向转动轮的)涡旋流出，其中然而叶片翼的绕流(在采用的调节角度下) 不出现流动中断。
根据另一优选的改进方案提出，叶片翼构成为，使得叶片翼的轮廓深度在其跨度(叶片翼的从叶片翼根部至叶片翼自由端部的延伸) 上变化。直观地且简化地说，叶片翼改变其叶片翼根部及其叶片翼自由端部之间的轮廓深度。例如，这种叶片翼的外部尺寸能够近似梯形地构成。
改进地也能够提出，叶片翼构成为，使得随着轮廓深度在叶片翼的跨度上变化，叶片厚度也(与最大叶片宽度相关地)变化。
尤其在此能够提出，叶片厚度根据叶片深度变化而变化。
直观地或简化地说，叶片翼的尺度在此(在跨度上)与所述叶片翼的(在跨度上的)轮廓深度相关。相对最大轮廓厚度(在此是关于轮廓深度的最大轮廓厚度)以及最大轮廓曲率和相对最大轮廓曲率 (在此是关于轮廓深度的最大轮廓曲率)能够在此情况下(在跨度上) 保持不变。
在另一改进方案中也能够提出，多个或大量叶片环形地设置。简化地说，叶片在此形成导向环。
此外，在另一优选的改进方案中也能够设有调节装置，所述调节装置用于调节叶片——或在多个、尤其环形地设置成导向环的叶片的情况下设有这种用于叶片调节的调节装置。为此，能够设有(调节) 机械装置，所述机械装置根据规定的运动链能够调节导向环的一个叶片或所有叶片。为了调节本身也能够使用马达单元，如电动机。
此外，在一个改进方案中能够提出，导向器是入口导向器(这样也可设置或设置在流体机械的入口处)或出口导向器(这样也可设置或设置在流体机械的出口处)。所述导向器于是尤其能够设置在流体机械的入口处或设置在流体机械的出口处，使得到流体机械中的入流或从流体机械中的出流(经由入口/出口导向器)轴向地进行。
简化且直观地说，导向器在流体机械中沿着转动轮轴的轴向延长地设置或者导向环中轴线沿着转动轮轴的轴向延长地设置。
特别优选地，导向器能够使用在涡轮机械中，尤其使用在压缩机、如单级或还有多级的径流式压缩机或多级的齿轮式压缩机中，或者使用在涡轮机中。换言之，涡轮机械、尤其压缩机或涡轮机具有导向器 (例如还有根据改进方案的导向器)。
本发明的有利的设计方案的至今为止的说明包含大量特征，所述特征在单独的实施例中描述，部分情况下组合地描述。然而，本领域技术人员也有利地单独考虑所述特征以及将所述特征组成为有意义的其他组合。
结合一个或多个实施例的下面的说明，本发明的上述特性、特征和优点以及实现这些的方式和方法变得更清楚且更明白，所述实施例结合附图详细阐述。
然而，本发明不局限于特征的以及功能性的特征的在一个或多个实施例中的给出的组合。因此，每个实施例的对此适合的特征也能够被具体地独立地考虑、从实施例中删除、引入另一实施例中以对其进行补充。
附图说明
功能/构型相同的或同样的元件或部件在实施例中或附图中具有相同的附图标记。
附图示出：
图1示出涡轮机械的入口导向器的略图；
图2示出入口导向器的可调节的叶片的略图；
图3示出入口导向器的可调节的叶片的轮廓的略图(轮廓剖面 III-III)。
具体实施方式
实施例：涡轮机械中的导向器的、尤其压缩机中的入口导向器的导向叶片的轮廓部
图1示出多轴的齿轮式压缩机10的局部，所述齿轮式压缩机例如用于空气分离，所述齿轮式压缩机具有设置在螺旋壳体14中的(第一)压缩机级15。
轴向地在所述(第一)压缩机级15或其转动轮27上游——在所述螺旋壳体14的轴向的入口16上，如图1所示——设置有入口导向器1(ELA或I(nlet)G(uide)V(ane)(进气导向叶片))。
如图1也清楚说明的，入口导向器1具有导向叶片4(参照图2、图3)，所述导向叶片具有多个环形地设置的、可调节的具有轮廓部的叶片翼3(导向环13、入口导向轮13)。
齿轮式压缩机10的调节尤其经由可调节的入口导向器1、即(借助于调节机械装置12)通过调节叶片4或其叶片翼3实现，由此——与入口导向轮13的叶片4或叶片翼3的调节角度相关地——在入口导向器1中工艺气体2对叶片翼3的迎流、绕流和出流发生变化，进而工艺气体2对(第一)压缩机级15或其转动轮27的入流或迎流发生变化。
为了在叶片4或叶片翼3中也在大的、例如大于15°的调节角度下或在大的调节范围中避免(通过在叶片翼3中的流体流动/工艺气体流动的流动中断，或者通过不再跟随叶片翼3的轮廓部17的流体流动/工艺气体流动而引起的)流动损耗，如图3清楚说明的，叶片翼3具有特殊的轮廓部23，即在此为翘后缘轮廓23(具有简单的“S 形”)。
图2——代表入口导向器1的入口导向轮13的所有(相应构成的) 叶片4地——示出齿轮式压缩机10的入口导向器1的入口导向轮13 的一个/所述可调节的叶片4。
如图2清楚说明的，可调节的叶片4具有叶片翼3，所述叶片翼具有轮廓部，所述叶片翼可经由调节机械装置12——在此仅简示地由连接轴18或销24和碟状件25示出——调节(角度)。
如图2也清楚说明的——叶片翼3的外部尺寸基本上是梯形的，即在叶片翼3中轮廓深度8在叶片翼的跨度9(叶片翼3从其叶片翼根部19至其叶片翼自由端部20的延伸)上连续地减小。
直观地且简化地说，叶片翼3在其叶片翼根部19及其叶片翼自由端部20之间、也就是说在其跨度上改变、在此减小其轮廓深度8。
根据所述(从叶片翼根部19至叶片翼端部20或者说在跨度9上) 减小的轮廓深度8，确定整个具有(翘后缘)轮廓23或以其(翘后缘)轮廓形式的叶片翼3的尺寸。
也就是说，对应于轮廓深度8的减小，轮廓厚度11(也对应于最大轮廓厚度)(也)在叶片翼3的跨度9上减小。相对最大轮廓厚度 (在此是关于轮廓深度8的最大轮廓厚度)以及最大轮廓曲率和相对最大轮廓曲率(在此是关于轮廓深度8的最大轮廓曲率)——在叶片翼3的跨度9上——保持不变。
图3示出贯穿入口导向器1的导向轮13的叶片4的叶片翼3的、由(图2中的)剖面线III-III表示的(流线)轮廓剖面，简称叶片翼3的轮廓23。
如图3示出，叶片翼3或其轮廓23构成(具有简单的“翘后缘”的)翘后缘轮廓23，所述翘后缘轮廓具有(简单的)“s形”弯曲的轮廓中心线6或脊线6。
也就是说，叶片翼3的轮廓中心线/脊线6的(“s形的”)弯曲部 5具有——在此情况下——刚好一个拐点7，其中轮廓中心线/脊线6 在轮廓23的前部区域中、即在叶片翼3的前缘21的区域中“s形地”指向下方，并且在轮廓23的后部区域中、即在叶片翼3的后缘22的区域中“s形地”指向上方。
轮廓23的绕流在此也与在轮廓23中的“s形的走向”的或“翘后缘”的造型相关(或者尤其也受所述造型影响)，即尤其与弯曲部 5的幅度和走向以及与拐点7(在此一个——其他情况下也可以是多个拐点)的位置(拐点位置28)相关，(所述拐点位置是——叶片翼 3的拐点7与叶片翼3的前缘21投射到翼弦26上的间距(翼弦26 是在轮廓23的前缘21和后缘22之间的直的连线))。
叶片翼3的“翘后缘”轮廓23的造型(由其可影响在叶片翼3 中的流动情况)在此与在入口导向器1的空气动力学方面的要求相关 (关于空气动力学方面的要求(或工作点)的优化)，尤其与(第一) 压缩机级15的转动轮27的和叶片翼3的(在工作点的)可设置的迎流情况相关。
如果——如在此示例的——对于压缩机10的工作点或设计点，在入口导向器1中叶片4的(设计)调节角度设为大约15°，那么对于在此的流动情况(叶片翼3在所述(设计)调节角度下的迎流) 优化“翘后缘”轮廓23或其造型，使得在该采用的(设计)调节角度下，流以特定的、设置的(相对于转动轮27的)涡旋流出叶片翼3，然而其中(在所述采用的(设计)调节角度下)以没有流动中断的方式或以流动损耗小的方式实现对叶片翼3的绕流。
如图3示出，在此，在提到的方面，在轮廓厚度11窄的情况下，“翘后缘”轮廓23具有仅一个小幅度的“翘后缘”(即在(向上和向下的)小幅度的弯曲部5中的仅一个拐点7)。在叶片翼3的“翘后缘”轮廓23中的或叶片翼3的“翘后缘”的拐点7的拐点位置28位于翼弦26的中心的略微后方，即朝轮廓后缘22的方向。
尽管本发明的细节由一个或多个优选的实施例详细说明和描述，但是本发明不局限于公开的实例，并且本领域技术人员能够从所述实施例中能推导出其他变型方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有导向器(1)的径流式压缩机(10)，所述导向器构成为入口导向器(1)，所述导向器具有至少一个叶片(4)，所述叶片具有能由流体(2)绕流的叶片翼(3)，
所述导向器具有用于调节所述叶片(4)的调节装置(12)，
其特征在于，
所述叶片翼(3)的轮廓中心线(6)的弯曲部(5)具有至少一个拐点(7)，
所述叶片翼(3)构成为，使得所述叶片翼的轮廓深度(8)在其跨度(9)上变化，
其中所述叶片翼(3)构成为，使得随着轮廓深度(8)在所述叶片翼(3)的跨度(9)上变化，轮廓厚度(11)也变化，即轮廓厚度(11)也根据轮廓深度变化而变化。
2.根据权利要求1所述的径流式压缩机(10)，
其特征在于，
所述叶片翼(3)的轮廓中心线(6)的所述弯曲部(5)具有一个拐点(7)或两个拐点(7)。
3.根据权利要求1或2所述的径流式压缩机(10)，
其特征在于，
拐点(7)的数量和/或至少一个拐点(7)的位置和/或所述弯曲部(5)的幅度和/或走向与所述叶片翼(3)的空气动力学的要求相关。
4.根据权利要求1所述的径流式压缩机(10)，
其特征在于，所述导向器具有环形设置的多个所述叶片(4)。
5.根据权利要求1所述的径流式压缩机(10)，
其特征在于，
所述叶片翼(3)具有翘后缘轮廓。
6.根据权利要求1或2所述的径流式压缩机(10)，
其特征在于，
拐点(7)的数量和/或至少一个拐点(7)的位置和/或所述弯曲部(5)的幅度和/或走向与所述叶片翼(3)的待设置的迎流情况相关。
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