CN107636316A - 扩散器中的偏置通路以及对应的设计该扩散器的方法 - Google Patents

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Abstract

涡轮机具有设计成增加涡轮机(3400、3700、4000、4800)的性能的一个或更多个导流特征。在一些示例中，导流特征被设计和构造成使圆周压力分布在扩散器入口(2210、2310、3410、4204、4810、5208、808)处朝向圆周均匀性偏置，以其它方式考虑这种低频空间的压力变化，增加空间流场的变化的可控性或修改流场的变化等。在一些示例中，公开了扩散器(1000、1100、1200、1300、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100、2200、2300、2400、2500、2600、2700、2800、2900、3000、3200、3300、3404、4004、4700、4804、5000、5200、602、800，900)，其具有一排(802)叶片(2102、5218、802)，该排叶片包括多个第一叶片(1002、1102、1202、1302、1402、1502、1602、1702、1802、1902、2002、2204、2304、2402、2502、2602、2702、2802、2902、3002、3102、3202、3302、812、902)和至少一个第二叶片(1004、1104、1204、1304、1404、1504、1604A、1604B、2206、2306、2404、2504、2604、2704、2804、2904A、2904B、814、908)，该第二叶片具有与第一叶片(1002、1102、1202、1302、1402、1502、1602、1702、1802、1902、2002、2204、2304、2402、2502、2602、2702、2802、2902、3002、3102、3202、3302、812、902)不同的特性。在一些示例中，公开了扩散器(1100、1900、2400、2500)，其具有非周期性部分(2412、2512、2612、2712、2812)，该非周期性部分包括一个或更多个偏置通路(1006、1106、1206、1306、1506A、1606A、1606B、2406、2506、2606、2706、2806A、2906A、3206、4510、816)，以使流场偏置。并且在一些示例中，公开了涡轮机，其具有在轮毂(3407、4002、4504、4807、5002、5204、804、904)和护罩(3406、4502、4708、4712、4806、5004、5202、806、906)表面中的一个或两个中的沿流动方向的长形凹部(4706)。

Description

扩散器中的偏置通路以及对应的设计该扩散器的方法
相关申请数据
本申请要求于2015年4月30日提交的题为“Biased Passage(s)Flow Devices forTurbomachinery(用于涡轮机的偏置通路流动设备”的美国临时专利申请序列号62/155,341以及2015年10月19日提交的题为“Methods For Designing Turbomachines ToAccount For Non-Uniform Pressures At Diffuser Inlet And Associated StructuresAnd Devices(用于设计涡轮机的方法，以考虑在扩散器入口和相关结构和设备处的非均匀压力)”的美国临时专利申请序列号62/243,415的优先权权益。这些申请中的每一个通过引用以其整体并入本文。
发明领域
本发明总体上涉及涡轮机的领域。特别地，本发明涉及用于涡轮机的偏置通路。
背景
过去几十年来，已经采用了用于离心泵和压缩机级的各种扩散器类型。在某些情况下，已经首先设计了良好的叶轮，然后设计良好的扩散器，或者同时设计该两种元件。无论如何，实质上所有过去的工作都是基于扩散器入口流的准稳态/轴对称假设，该假设通常将扩散器入口流简单地作为用于初步设计的一维(1D)速度三角形模型来对待。这些假设中的许多假设甚至都使用了今天使用的计算流体动力学(CFD)模型进行处理。通常在某种程度上假定离开叶轮的(不管叶片的数量如何)并且然后进入扩散器(再次不管叶片的数量如何)的流基本上是周期性的和轴对称的，并且完全和均匀地填充每个扩散器通路。
本公开的概述
在一个实施方式中，本公开涉及一种用于涡轮机的扩散器，该扩散器包括围绕扩散器的圆周定位的多个扩散器通路，该多个扩散器通路用于接收具有圆周压力分布的流场；其中扩散器通路包括至少一个周期性部分和至少一个非周期性部分，该至少一个非周期性部分包括至少一个偏置通路，该至少一个偏置通路被定位、构造和设定尺寸以将圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种扩散器，其包括围绕扩散器的圆周的一部分布置成一排的多个第一叶片，第一叶片中的每一个与相邻的第一叶片间隔开第一圆周距离；以及位于第一叶片中的第一叶片之间的至少一个第二叶片，该至少一个第二叶片具有与第一叶片不同的特性，该不同的特性造成邻近该至少一个第二叶片的偏置通路，以用于使进入扩散器的流场的圆周压力分布朝向圆周均匀的压力分布偏置。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种扩散器，其包括轮毂和护罩；多个第一叶片，其从轮毂延伸到护罩并且围绕扩散器的圆周的一部分布置成一排；以及位于第一叶片中的第一叶片之间的至少一个第二叶片，该至少一个第二叶片从轮毂延伸到护罩并且具有与第一叶片不同的特性。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种扩散器，其包括轮毂和护罩；以及多个叶片组，其各自包括至少两个叶片，该至少两个叶片中的每一个具有与该至少两个叶片中的另一个叶片不同的特性。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种设计扩散器的方法，该扩散器具有入口和多个叶片，以减少邻近入口的圆周压力变化，该压力变化具有小于叶片的空间频率的主空间频率。该方法包括提供多个扩散器通路，每个扩散器通路具有入口并围绕扩散器的圆周定位；并且将至少一个偏置的扩散器通路定位在多个扩散器通路中的扩散器通路之间，该偏置的扩散器通路具有与该多个扩散器通路不同的横截面面积，以用于使多个扩散器通路入口处的圆周压力变化最小化。
在另外的实施方式中，本公开涉及一种设计扩散器的方法，该方法包括开发轴对称扩散器的计算模型；当在扩散器的入口处存在具有时间平均低频圆周变化的圆周压力分布时，计算扩散器的性能；修改计算模型以将至少一个偏置的流动通路添加到扩散器；计算所修改的扩散器的性能；并且根据两个计算步骤比较扩散器性能以确定偏置的流动通路是否改善了扩散器性能。
在另一实施方式中，本公开涉及一种设计扩散器的方法，该方法包括测量具有周期性扩散器通路的第一扩散器的入口处的圆周压力分布；用具有至少一个非周期性部分的第二扩散器替换第一扩散器，该至少一个非周期性部分具有至少一个偏置的扩散器通路；测量在第二扩散器的入口处的圆周压力分布；并且根据两个测量步骤比较压力分布，以确定第二扩散器是否将所测量的圆周压力分布的量度上的不期望的变化减少了预定量。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种无叶片式扩散器，其包括入口和出口；轮毂表面和护罩表面，轮毂表面和护罩表面各自在入口和出口之间延伸；以及在轮毂表面和护罩表面中的至少一个中的多个沿流动方向的凹部，该多个凹部是非周期性的。
在另一个实施方式中，本公开涉及一种用于涡轮机的扩散器，该扩散器包括围绕扩散器的圆周定位的多个扩散器通路，以用于接收流场，其中流场具有圆周压力分布；其中该扩散器通路包括第一组通路，该第一组通路中的每个通路具有沿流动方向的第一有效的横截面面积分布，并且该扩散器通路包括至少一个偏置通路，其具有沿流动方向的第二有效的横截面面积分布，第一有效的横截面面积分布和第二有效的横截面面积分布是不同的，该至少一个偏置通路被定位、构造和设定尺寸以将圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置。
附图简述
为了说明本发明的目的，附图示出本发明的一个或更多个实施方案的方面。然而，应理解，本发明不限于在附图中所示的精确布置和机构，其中：
图1示出了平板扩散器的叶轮尖端/扩散器入口处的圆周静压力测量，该平板扩散器可操作地联接到以120,000RPM运行的离心式压缩机叶轮；
图2是来自图1的数据的子集；
图3示出了与图1和图2相同但是以135,000RPM运行的机器的圆周静压力测量；
图4示出了通道扩散器的圆周静压力测量，该通道扩散器可操作地联接到以100,000RPM运行的离心式压缩机叶轮；
图5示出了与图4相同但是以135,000RPM运行的机器的圆周静压力测量；
图6示出了现有技术的蜗壳；
图7示出了具有下游蜗壳的压缩机或泵的圆周压力测量；
图8示出了平板扩散器，其具有由附连到护罩表面的部分高度叶片形成的偏置通路；
图9示出了平板扩散器，其具有由附连到轮毂表面的部分高度叶片形成的偏置通路；
图10示出了平板扩散器，其具有由具有可选的沿流动方向的位置和交错角的第二叶片形成的偏置通路；
图11示出了的平板扩散器，其具有由具有可选的厚度的第二叶片形成的偏置通路；
图12示出了的平板扩散器，其具有由具有可选的厚度的第二叶片形成的偏置通路；
图13示出了平板扩散器，其具有由具有可选的弦长度的第二叶片形成的偏置通路；
图14示出了平板扩散器，其具有由具有可选的弦长度和交错角的第二叶片形成的偏置通路；
图15示出了平板扩散器，其具有由具有可选的节距的第二叶片形成的偏置通路；
图16示出了平板扩散器，其具有由具有可选的弦长度和厚度的第二叶片形成的偏置通路；
图17示出了平板扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的弦长度；
图18示出了平板扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的弦长度和前缘位置；
图19示出了平板扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的交错角；
图20示出了平板扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第一叶片具有可选的交错角；
图21示出了现有技术的通道扩散器；
图22示出了通道扩散器，其具有第一叶片和第二叶片，第二叶片是平板叶片；
图23示出了通道扩散器，其具有第一叶片和第二叶片，第二叶片是平板叶片；
图24示出了通道扩散器，其具有由具有可选的楔角的第二叶片形成的偏置通路；
图25示出了通道扩散器，其具有由具有可选的楔角的第二叶片形成的偏置通路；
图26示出了通道扩散器，其具有由具有可选的弦长度的第二叶片形成的偏置通路；
图27示出了通道扩散器，其具有由具有可选的交错角的第二叶片形成的偏置通路；
图28示出了通道扩散器，其具有由具有可选的节距的第二叶片形成的偏置通路；
图29示出了通道扩散器，其具有由具有可选的弦长度和楔角的第二叶片形成的偏置通路；
图30示出了通道扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的弦长度；
图31示出了通道扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的弦长和前缘位置；
图32示出了通道扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第一叶片具有可选的交错角；
图33示出了通道扩散器，其具有包括第一叶片和第二叶片的一排叶片，第二叶片具有可选的交错角；
图34示出了涡轮机，其具有扩散器以及带有沿流动方向的凹槽的护罩；
图35是图34的扩散器和护罩的另一个视图；
图36是图34和图35的扩散器和护罩的另一个视图；
图37示出了涡轮机，其具有扩散器以及带有沿流动方向的凹槽的护罩；
图38是图37的扩散器和护罩的另一个视图；
图39是图37和图38的扩散器和护罩的另一个视图；
图40示出了涡轮机，其具有扩散器以及护罩，在轮毂和护罩中具有沿流动方向的凹槽；
图41是图40的扩散器和护罩的另一个视图；
图42是图40和图41的扩散器和护罩的另一个视图；
图43示出了图40-42的轮毂和护罩，轮毂相对于护罩被以时针方式布置(clocked)；
图44是图43的以时针方式布置的轮毂和护罩的正视图；
图45示出了具有轮毂和护罩的扩散器，轮毂和护罩具有沿流动方向的凹部和具有与其它凹部不同的特性从而造成偏置通路的一组凹部；
图46是图45的扩散器的正视图；
图47是扩散通路的横截面图，该横截面图取自通路的前缘的下游的位置，并示出了通路的轮毂表面和护罩表面中的凹部，从而提供偏置通路；
图48示出了涡轮机，其具有扩散器和护罩，在轮毂和护罩中具有沿流动方向的通道；
图49是图48的扩散器的另一个视图；
图50示出了涡轮机，其具有扩散器，扩散器具有在轮毂和护罩中的沿流动方向的通道，其中通道中的一个具有与通道中的其它通道不同的特性，造成偏置通路；
图51是图50的扩散器的正视图；
图52示出了具有在护罩表面中的沿流动方向的通道的叶片式扩散器，通道中的一个是偏置通路；以及
图53是图52的扩散器的正视图。
详细描述
本公开的方面包括涡轮机，其具有设计成增加涡轮机性能的一个或更多个导流特征。在一些示例中，导流特征被设计和构造成将扩散器入口处的圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置，或者以其它方式考虑这种低频空间压力变化。在一些示例中，公开了具有一排叶片的扩散器，该排叶片包括多个第一叶片和具有与第一叶片不同的特性的至少一个第二叶片。在一些示例中，公开了具有非周期性部分的扩散器，该非周期性部分包括用于使流场偏置的一个或更多个偏置通路。在一些示例中，公开了具有在轮毂和护罩表面中的一者或两者中的沿流动方向的长形凹部的涡轮机。如本文中所描述的，本公开包括可包含在涡轮机中以考虑包括但不限于圆周非对称性的流场特性的导流特征的各种组合，从而提高涡轮机的性能。
图1-5是对于各种扩散器类型和操作条件的静压力与圆周角度的曲线图，扩散器中的每一个可操作地布置在离心式压缩机的下游。图1-5中的每一个图示出了在围绕机器的数个圆周位置处的时间-平均静压力，该数个圆周位置全部在叶轮出口和扩散器入口之间的沿气流方向的位置处。图1示出了对于各种流速102-116的时间平均静压力，其中曲线104是最低的流速，而曲线102是最高的流速，这些流速全部在相同的叶轮转速下，这里叶轮转速为120,000RPM。图1中的数据来自具有14个叶片的平板扩散器。叶片位置线118示出了叶片中的每一个相对于静态压力测量值的大致位置。如图1中所示，压力曲线102-116中的每一个具有锯齿图案，其中峰值对应于每个叶片位置118，这种锯齿图案主要是由于存在于叶片式扩散器或涡轮机叶片的任何级联中的自然的叶片对叶片的(vane-to-vane)压力场。因此，压力曲线102-116具有与平板扩散器的叶片的空间频率大体相同的第一空间频率。然而，压力曲线102-116还具有叠加在锯齿形状上的较低频率波式变化，该较低频率波具有小于叶片的空间频率的主空间频率。图2示出了图1的压力曲线-曲线102、104和112的子集。图2还包括平均压力曲线202、204和206，在该示例中，它们是6阶多项式曲线。在平均压力曲线202、204和206中可以看到时间平均圆周静压力的低频空间变化，在该示例中，每个流速导致具有围绕机器的圆周的两个最大值和两个最小值的低频压力变化。
图1和图2指出，与涡轮机设计中作出的共同假设(即扩散器入口处的时间平均圆周流动和压力分布是大体上轴对称的)相反，静压力实际上围绕机器的圆周变化。在压力高的区域中，速度可能通常是低的，并且取决于例如相位角，叶片倾角可能更接近于一个极端，例如低或高。并且在压力低的区域中，速度可能通常是高的，并且叶片倾角可能更接近另一极端，例如高或低。因此，在由于这种变形而引起扩散器入口处的倾角是高的区域中，提早停止(early stall)可能是更可能的并且损失可能相对较高。这些情况下的流场可能形成具有不同压力的高流动性区域和低流动性区域，以便使非对称叶轮流传递到固定数量的扩散器通路中。
图3示出了使用与图1和图2相同的平板扩散器但是压缩机以不同的速度运行的三个流速302、304、306下的静压力试验数据，这里压缩机速度是135,000RPM，曲线304是最低的流速，且曲线302是最高的流速。平均压力曲线308、310和312示出了如图2中所示的类似的低频变化，并且还示出了当流速降低并且系统接近浪涌时局部最大值和最小值的圆周迁移。
图4和图5类似地示出了对于可操作地联接到以100,000RPM(图4)和135,000RPM(图5)运行的离心式压缩机叶轮的双发散通道扩散器的在扩散器入口处的静压力的时间平均圆周分布。在图4中，压力曲线402和压力曲线404以及平均压力曲线408、410示出了低频圆周变化，其具有小于扩散器通道的空间频率分布的主空间频率分布，如由叶片位置406所表示的。与图1-3中不同，压力曲线402和压力曲线404不具有在锯齿形图案中的与位置406处的叶片数目相同数量的较高频率的局部最大值。相反，数据中存在袋形区412，其随流速而迁移。袋形区412表明至少在袋形区412的区域中可能发生补偿或释放过程以允许不均匀的流进入固定的扩散器通路，并且表示潜在的表现不佳的扩散器通路。图5包括对应于全部在135,000RPM的四个不同流速的压力曲线502、504、506和508以及平均压力曲线512、514、516和518。如图4中所示，在每个流速处均出现袋形区510。
各种扩散器类型的圆周压力数据的大量测试和分析示出，图1-5中所示的低频圆周压力分布不是源自位于扩散器上游或下游的非对称流动路径。图6示出了位于扩散器602下游的蜗壳600的形式的非对称流动路径的示例。众所周知，诸如蜗壳600的蜗壳在扩散器(例如邻近分水角604(也称为蜗壳舌部604)的扩散器602)的流场中产生非对称性，例如，产生在位置A和位置B之间延伸的蜗壳变形区606。在所示示例中，蜗壳变形区从分水角604上游的大约90度(位置“A”)延伸到分水角下游的大约45度(位置“B”)。图7示出了对于具有蜗壳的压缩机或泵的圆周压力与流速。如图7中所示，蜗壳在低流动性处在叶轮出口压力中产生强烈的圆周变形，这是由于在该情况下在蜗壳中的强烈扩散，其随着流速增加而减小，并且蜗壳流动状态从扩散转变为加速。图7中的压力曲线1和压力曲线2处于蜗壳变形区606中(图6)。
已经开发了各种扩散器设计来改进具有诸如蜗壳的非对称流动路径的机器中的扩散器性能，其试图考虑由蜗壳或其它非对称流动路径引起的大的圆周变形。位于扩散器上游或下游的这种非对称流动路径的其它示例包括在叶轮前方的侧部入口、非对称收集器等。不是由非对称流动路径(例如蜗壳)引起的局部体积(bulk)压力变形，而是，如图1-5中所示的围绕机器的整个圆周延伸的低频压力变化是一种活动现象，该现象在位置上随着操作状态而迁移，并且不管是否存在非对称流动路径都存在。本文件公开了具有偏置通路的各种扩散器，这些偏置通路设计和构造成根据这些低频空间压力变化改善扩散器性能。在一些示例中，提供了偏置通路，其被定位、构造和设定尺寸以使扩散器入口处的低频圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置，例如图1-5中所示的低频变化。在其它示例中，偏置通路被设计和构造成此外或者可选地改进涡轮机的性能，包括增加空间流场变化的可控性、改变流场变化以及根据流场变化提高涡轮机的性能。
本文件包括各种扩散器设计变量或特性，其可以以任何数量的不同组合来组合以开发具有针对特定性能和流场定制的偏置通路的扩散器。这样的扩散器设计变量或特性的非限制性示例包括但不限于叶片前缘位置、叶片后缘位置、叶片距扩散器中心线的径向距离、叶片弦长度、叶片的最大厚度、叶片高度、叶片沿流动方向的形状分布、叶片交错角、叶片楔角、通道发散角、叶片节距、叶片倾斜、叶片扭转、叶片前缘形状，例如，前缘人字形、燕尾形或扇贝形等、固定的或可移动的叶片、轮毂表面和护罩表面之间的通道高度、偏置通路的圆周位置、多个偏置通路、以及位于轮毂和护罩表面中的一者或两者中的、在扩散器通道的上游和/或下游延伸的一个或更多个沿流动方向的通道。可以针对扩散器叶片排中的叶片的子集来调整一个或更多个扩散器设计变量，以产生一个或更多个偏置通路，该一个或更多个偏置通路具有在流动方向上的横截面流动面积分布，该横截面流动面积分布不同于同一叶片排中的多个其它扩散器通路的横截面流动面积分布。这样的扩散器设计变量组合可以应用于任何类型的扩散器，包括例如任何类型的叶片式扩散器，包括平板式、翼型、直通道式、圆锥形、单排或串联、每排单叶片类型或多叶片类型、以及任何坚固性(solidity)，并且也可以应用于无叶片式扩散器。
在其它示例中，根据本公开制造的扩散器包括多叶片组，其中每个叶片组包括两个或更多个叶片，每个叶片具有与该组中的叶片中的其它叶片不同的一个或更多个特性。组可以围绕机器的圆周以周期性布置来布置，或者可以以非周期性布置来布置，从而导致一个或更多个偏置通路。可以在叶片组中的叶片之间变化的一个或更多个特性可以包括但不限于叶片前缘位置、叶片后缘位置、叶片距扩散器中心线的径向距离、叶片弦长度、叶片的最大值厚度、叶片高度、叶片沿流动方向的形状分布、叶片交错角、叶片楔角、通道发散角、叶片节距、叶片倾斜、叶片扭转、叶片前缘形状，例如，前缘人字形、燕尾形或扇贝形等、固定的或可移动的叶片以及轮毂表面和护罩表面之间的通路高度。这些特性中的一个或更多个可以变化。这样的组可以被设计、构造和定位成改善涡轮机的性能，包括增加空间流场变化的可控性、改变流场变化以及根据流场变化提高涡轮机的性能，例如上面所讨论的圆周压力变化。
具有偏置通路的无叶片式扩散器的示例包括具有沿流动方向的凹部(例如用于改变一个或更多个圆周位置中的通路高度的位于轮毂或护罩表面中的通道、凹槽或其它凹部)的无叶片式扩散器。如下面更多描述的，长形凹部包括但不限于具有大体正方形边缘的沿流动方向的通道和具有倒圆边缘的沿流动方向的凹槽。在一些示例中，无叶片式扩散器可具有沿流动方向的凹部的非周期性布置。这样的凹部的沿流动方向的长度可以从较长凹部到较短凹部变化，该较长凹部从扩散器的上游延伸到叶轮中并延伸到扩散器的下游，该较短凹部位于扩散器中的任何沿流动方向的位置处并具有任何较短的长度。本文中公开的偏置通路可以具有比扩散器排中的其它通路的横截面面积大的横截面面积。这种增加的流动面积通路可以提供偏置的释放通路，该释放通路可被设计和构造成接受叶轮出口流的非对称部分，并且导致流动更均匀地分布到其它非偏置通路中。在其它示例中，与其它非偏置通路(包括完全阻塞的通路)的横截面面积相比，本文中公开的偏置通路可以具有减小的横截面面积。因此，如本文中所使用的，减小面积的偏置通路包括完全阻塞的通路，或在通路将用于完全周期的扩散器通路布置的位置中不存在扩散器通路。这种减小的流动面积偏置通路可以被设计和构造成重新分布或以其它方式影响非对称叶轮出口流场，从而在非偏置通路中提供更均匀的流动分布。
本公开还包括设计用于涡轮机的流动结构以提高性能的实验方法和计算方法。在一个示例中，可以开发涡轮机和/或扩散器的计算模型。可以在一个或更多个操作条件下计算圆周压力分布，并且可以分析扩散器的性能。在某些情况下，将在扩散器入口处计算压力的低频圆周变化。扩散器的计算模型可以通过添加一个或更多个偏置通路来迭代地调整，并且可以针对每种情况计算圆周压力分布和扩散器性能以确定优化的偏置通路设计。在其它示例中，不是计算圆周压力分布，而是可以将扩散器入口压力中的衰退扰动(seededperturbation)或其它等效方法应用于各种扩散器设计的计算模型以确定优化的偏置通路布置。在其它示例中，可以实现确定偏置通路设计的实验方法，包括围绕扩散器入口的圆周用仪器测量具有足够的压力测量的测试平台，以完全表征任何圆周压力变化的主要部件。可以测量具有和不具有偏置通路的各种扩散器设计的圆周压力变化，并确定改进的偏置通路设计。
图8-20示出了具有一个或更多个偏置通路的叶片式扩散器的示例性实施方案。图8示出了示例性叶片式平板低坚固性扩散器800的一部分，其具有在轮毂804和护罩806之间延伸并在扩散器入口808和出口810之间沿流动方向延伸的一排叶片802。排802包括多个第一叶片812和至少一个第二叶片814。尽管仅示出了三个，但是第一叶片812围绕扩散器800的一个或更多个部分均等地间隔开。如所示，第二叶片814具有与第一叶片812不同的特性，这里是不同的高度，第二叶片814是附接到轮毂804的部分高度叶片。第二叶片814的部分高度导致具有在流动方向上与第一叶片812之间的通路816不同的横截面面积分布的偏置通路816。因此，扩散器800具有围绕扩散器的圆周定位的多个通路，其包括在第一叶片812之间延伸的通路816的至少一个周期性部分，其中该部分是周期性的，因为第一叶片812以规则的间隔围绕扩散器中心线均等地间隔开。扩散器800还包括至少一个非周期性部分，其包括偏置通路818，该部分是非周期性的，因为在第一叶片812的周期性质中存在非连续性，这里，偏置通路818具有比通路816更大的横截面流动面积。示例性扩散器800被设计和构造成用于接收具有圆周压力分布的流场并且偏置通路816被定位、构造和设定尺寸以使圆周压力分布朝圆周均匀性偏置，例如使低频空间压力变化(如图1-5中所示的低频空间压力变化)偏置。偏置通路也可以被定位、构造和设定尺寸以改善涡轮机的性能，包括增加空间流场变化的可控性、改变流场变化、以及根据流场变化提高涡轮机的性能。扩散器800可以具有定位在围绕扩散器的圆周的任何位置处的一个或更多个偏置通路816。图9示出了扩散器900，其与扩散器800大体相同，扩散器900包括在轮毂904和护罩906之间延伸的第一叶片902，以及至少一个第二叶片908，其中第二叶片是部分高度并造成偏置通路。与扩散器800不同，第二叶片908附连到护罩906，而不是附连到轮毂904。可选实施方案可以包括第二叶片814和第二叶片908的组合，例如具有附连到护罩表面的一个或更多个部分高度叶片和附连到轮毂表面的一个或更多个部分高度叶片的单个扩散器。
图10示出了示例性扩散器1000，其具有多个第一叶片1002和至少一个第二叶片1004，该至少一个第二叶片1004具有不同的特性，这里是距离扩散器1000的中心线1005的径向距离和交错角，从而形成偏置通路1006。虚线1008示出如果第一叶片的周期性质一直持续，则第一叶片1002中的一个将被定位的位置，例如，周期性第一叶片位置，如现有扩散器的情况一样。虚线1010示出了交错角可以从第一叶片交错角+/-变化。虽然示出了扩散器1000的仅一部分，但扩散器可以包括一个或更多个偏置通路1006。第一叶片和第二叶片1002、1004可以是全高度，或者一个或两个可以是部分高度。如所示，与周期性第一叶片位置1008相比，示例性的第二叶片1004沿着流动方向滑动返回，导致前缘1012和后缘1014两者比第一叶片1002的前缘和后缘1016、1018距离中心线1005的径向距离更大。偏置通路1006在扩散器1000中产生扩散器1000的入口1020处的较大横截面流动面积的形式的非周期性部分。
图11示出了示例性扩散器1100，其具有多个第一叶片1102和至少一个第二叶片1104，该至少一个第二叶片1104具有不同的特性，这里是厚度，由此形成偏置通路1106。尽管示出了扩散器1100的仅一部分，但扩散器可以包括两个或更多个偏置通路1106。第一叶片和第二叶片1102、1104可以全部是全高度，或者一个或两个可以是部分高度。如所示，示例性的第二叶片1104比第一叶片1102薄，导致具有与通路1108不同的横截面面积分布的偏置通路1106，从而在扩散器1100中产生邻近第二叶片1104的更大横截面流动面积形式的非周期性部分。
图12示出了示例性扩散器1200，其类似于扩散器1100(图11)并且具有多个第一叶片1202和至少一个第二叶片1204，该至少一个第二叶片1204具有不同的特征，这里是最大厚度，从而形成偏置通路1206。虽然示出了扩散器1200的仅一部分，但扩散器可以包括两个或更多个偏置通路1206。第一叶片和第二叶片1202、1204可以全部是全高度，或者一个或两个可以是部分高度。如所示，示例性的第二叶片1204比第一叶片1202厚，导致具有与通路1208不同的横截面面积分布的偏置通路1206，从而在扩散器1200中产生邻近第二叶片1204的较小横截面流动面积形式的非周期性部分。
图13示出了示例性的扩散器1300，其类似于扩散器1100和1200(图11和图12)并且具有多个第一叶片1302和至少一个第二叶片1304，该至少一个第二叶片1304具有不同特性，这里是弦长度，由此形成偏置通路1306。尽管示出了扩散器1300的仅一部分，但扩散器可以包括两个或更多个偏置通路1306。第一叶片和第二叶片1302、1304可以全部是全高度，或者一个或两个可以是部分高度。如所示，示例性的第二叶片1304比第一叶片1302长，导致具有与通路1308不同的沿流动方向的横截面面积分布的偏置通路1306，从而在扩散器1300中产生邻近第二叶片1304的非周期性部分。图14示出了扩散器1400，其与扩散器1300大体相同，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。与扩散器1300不同，第二叶片1404可以具有与第一叶片1402不同的交错角，如由虚线1410所表示的，其示出了一种可能的可选交错角。第二叶片1404的特定交错角可以变化，包括相对于第一叶片1402交错角的正角和负角。
图15示出了示例性扩散器1500，其类似于扩散器1100-1400(图11-14)并且具有多个第一叶片1502和至少一个第二叶片1504，该至少一个第二叶片1504具有不同的特性，这里是节距，导致与相邻的第一叶片1502之间的间隔不同的第二叶片1504和相邻叶片之间的圆周间隔，从而形成偏置通路1506a和偏置通路1506b。与通路1508相比，偏置通路1506a具有较小的横截面面积，并且1506b具有较大的横截面面积。尽管示出了扩散器1500的仅一部分，但扩散器可以包括两个或更多个偏置通路1506a、1506b。第一和第二叶片1502、1504可以全部是全高度，或者一个或两个可以是部分高度。如所示，示例性的第二叶片1504具有与第一叶片1202相同的节距、形状和弦长度，但是位于与周期性第一叶片位置不同的圆周位置，导致非周期性部分和扩散器1500具有不均匀的和非周期性圆周叶片节距分布。
图16示出了示例性扩散器1600，其具有多个第一叶片1602(仅标记十二个中的两个)和两个第二叶片1604a、1604b，每个第二叶片具有与第一叶片不同的特性，这里是最大厚度和弦长度，导致偏置通路1606a和偏置通路1606b。第二叶片1604a具有与第一叶片1602相同的厚度，但是具有较长的弦长，导致偏置通路1606a具有与通路1608不同的沿流动方向的横截面面积分布。第二叶片1604b具有比第一叶片1602大的厚度，导致偏置通路1606b具有与通路1608不同的沿流动方向的横截面面积分布，包括较小的横截面面积。第一叶片和第二叶片1602、1604a、1604b可以全部是全高度，或者一个或更多个可以是部分高度。如所示，第二叶片1604a、1604b和相关联的偏置通路1606a、1606b围绕扩散器1600的圆周间隔约180度。第一叶片1602与相邻的第一叶片均等地间隔开，提供两个周期性部分1610，并且第二叶片1604a、1604b导致两个非周期性部分1612。
图17示出了示例性扩散器1700，其具有多个第一叶片1702(仅标记七个中的两个)和多个第二叶片1704(仅标记七个中的两个)，每个第二叶片具有与第一叶片1702不同的特性，这里是弦长度。与扩散器1600不同，扩散器1700具有相等数量的第一叶片1702和第二叶片1704以及通路1706a、1706b的完全周期性布置。第一叶片1702和第二叶片1704全部可以是全高度，或者一个或更多个可以是部分高度。第一叶片和第二叶片1702、1704布置在叶片组中，这里每组两个叶片，其中扩散器1700具有多叶片的组的周期性布置，并且其中每个叶片组包括第一叶片和第二叶片1702、1704，每个叶片具有与该组中的叶片中的其它叶片不同的特性。图18示出了扩散器1800，其与扩散器1700大体相同，扩散器1800包括多个第一叶片1802(仅标记七个中的两个)和多个第二叶片1804(仅标记七个中的两个)，每个第二叶片具有与第一叶片1802不同的特性，这里是弦长度。与扩散器1700不同，第二叶片1804中的每一个还具有与第一叶片1802不同的沿流动方向的位置，其中与第一叶片前缘1816距扩散器中心线的径向距离相比，前缘1812的位置处于距扩散器中心线1814不同的径向距离处，这里是更大的距离。例如，与周期性的第一叶片位置相比，第二叶片1804中的每个沿流动方向滑动返回。与扩散器1700一样，扩散器1800包括布置在多叶片的组中的第一和第二叶片1802、1804，这里每组两个叶片，其中扩散器1800具有多叶片的组的周期性布置。在其它示例中，可以改变第一叶片和/或第二叶片1702、1802、1704、1804中的一个或更多个的一个或更多个特性以产生具有偏置通路的一个或更多个非周期性部分，该偏置通路构造成解决非对称压力场，例如，图1-5中所示出的非对称压力场。该一个或更多个特性可以包括例如本文中所描述的特性中的任何一个，例如叶片高度、交错角、节距、叶片形状、叶片前缘位置和叶片后缘位置以及弦长度等。
图19示出了示例性扩散器1900，其具有多个第一叶片1902(仅标记七个中的两个)和多个第二叶片1904(仅标记七个中的两个)，每个第二叶片具有与第一叶片1902不同的特性，这里是弦长度和交错角。扩散器1900具有相等数量的第一叶片1902和第二叶片1904，并且当第二叶片1904全部处于相同的交错角时，具有通路1906a、1906b的全周期布置。第一叶片1902和第二叶片1904可以全部是全高度，或者一个或更多个可以是部分高度。第一叶片1902和第二叶片1904布置在叶片组中，这里每组两个叶片，其中扩散器1900具有多叶片的组的周期性布置。如虚线1910所表示的，第二叶片1904的交错角可以与第一叶片1902相同，或者可以从第一叶片交错角沿正或负方向上变化。在一些示例中，第二叶片1904的交错角可以变化，并且可以被布置成形成具有一个或更多个偏置通路的非周期性布置。例如，除了第二叶片1904中的一个之外，所有第二叶片1904可以具有与第一叶片1902相同的交错角，其中第二叶片中的一个具有可选的交错角，从而在改变角度的全高度第二叶片的任一侧上提供两个偏置通路。在其它示例中，可以改变其它数量的第二叶片1904的交错角。
图20示出了示例性扩散器2000，其与扩散器1900大体相同，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。不同于其中第二叶片1904的交错角可以改变的扩散器1900，在扩散器2000中，第一叶片2002的交错角可以变化，如虚线2010所表示的。与扩散器1900一样，少于所有第一叶片2002的交错角可以不同于第一叶片中的其它叶片，从而导致非周期性布置和一个或更多个偏置通路。第一叶片和第二叶片2002、2004布置在叶片组中，这里每组两个叶片，其中扩散器2000具有多叶片的组的周期性布置。在其它示例中，可以组合扩散器1900和扩散器2000的特性，包括改变第一叶片和第二叶片中选定的叶片的交错角，或者第一叶片1902、2002的子集或第二叶片1904、2004的子集的交错角。
在另一个实施方案中，示例性扩散器可以包括多个叶片组，其中组中的每个叶片具有不同的高度。例如，叶片组可以包括两个部分高度叶片，包括附连到轮毂或护罩表面的第一部分高度叶片和附连到轮毂或护罩表面的相邻的第二部分高度叶片。扩散器可以包括这样的组的周期性布置，例如在一个示例中，第一和第二部分高度叶片可以围绕机器的圆周全部均等地间隔开。在一个示例中，第一部分高度叶片可以具有与第二部分高度叶片不同的高度。例如，第一部分高度叶片可以具有在通路高度的约15％和约65％之间的高度，并且在一些示例中可以具有通路高度的约50％的高度。第二部分高度叶片可以具有在通路高度的约5％和约45％之间的高度，并且在一些示例中，大约可以具有通路高度的约15％的高度。在一个示例中，每个叶片组中的第一部分高度叶片和第二部分高度叶片可以附连到通路的相对侧，例如，第一部分高度叶片可以附连到护罩，并且第二部分高度叶片可以附连到轮毂。这样的部分高度叶片组可以减少前缘金属堵塞并增加通路面积，并允许特别是阻塞部附近的流动重组，从而提高性能。在另外的示例中，叶片组可以包括三个或更多个叶片，这样的叶片组围绕扩散器的周界重复。在另外的示例中，可以通过使这样的叶片组邻近周期性部分定位来形成一个或更多个偏置通路。例如，在具有十四个叶片的扩散器中，可以使用具有第一和第二部分高度叶片的两个叶片组，以代替一个或更多个圆周位置中的十四个叶片中的二至十二个，造成一个或更多个偏置通路。
图21示出了现有技术的通道型扩散器2100，以及图22-33示出了根据本公开制造的通道型扩散器的示例性实施方案。如图21中所示，现有技术的通道型扩散器2100包括多个叶片2102(仅一个被标记)，其界定通道形式的通路2104(仅一个被标记)。扩散器2100类似于用于产生图4和图5中所示的测试数据的扩散器。扩散器2100是完全周期性和对称的，叶片2102中的每一个具有相同的交错角S和楔角W，并且每个通道2104具有相同的发散角D。
图22示出了示例性通道扩散器2200，其具有在第一叶片2204(仅一个被标记)之间延伸的多个通路2202(仅一个被标记)。然而，与现有技术的扩散器2100不同，每个通路2202还包括位于相邻的第一叶片2204之间的第二叶片2206。示例性的第二叶片2206是平板，每个平板具有在扩散器入口2210的下游的前缘2208，和定位在扩散器出口2214的上游的后缘2212。第二叶片2206是全高度的。在其它示例中，第一叶片和/或第二叶片2204、2206中的一个或更多个可以是部分高度的。在所示示例中，第二叶片2206具有比通路2202的长度更短的弦长度，并且在圆周方向和流动方向上在通路中大体居中。第一叶片2204和第二叶片2206布置在叶片组中，这里每个组两个叶片，其中扩散器2200具有多叶片的组的周期性布置。示例性通道2202是周期性的，然而，第一叶片2204和/或第二叶片2206中的一个或更多个的一个或更多个特性可以变化以产生一个或更多个偏置通路。第一叶片和/或第二叶片2204、2206中的一个或更多个的一个或更多个特性可以变化以产生具有偏置通路的一个或更多个非周期性部分，该偏置通路构造成解决非对称压力场，例如，图1-5中所示的非对称压力场。一个或更多个特性可以包括例如本文中所描述的特性中的任一个，例如叶片高度、交错角、节距、叶片形状、叶片前缘位置和叶片后缘位置以及弦长度等。例如，第二叶片2206可以是包括翼型的任何类型，并且不需要全部在通路2202中居中；至少一个可被重新定位或重新设定尺寸以产生包括部分高度设计的偏置通路。
图23示出了示例性的通道扩散器2300，其类似于通道扩散器2200，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。扩散器2300包括多个通路2302(仅一个被标记)，该多个通路2302在第一叶片2304(仅一个被标记)之间延伸。每个通路2302还包括位于相邻的第一叶片2304之间的第二叶片2306。示例性的第二叶片2306是平板。与第二叶片2206(图22)相比，第二叶片2306更窄并且定位在更上游处，在该示例中，前缘2308位于扩散器入口2310处，而后缘2312位于扩散器出口2314的更上游处。第二叶片2306是全高度的。在其它示例中，第一叶片和/或第二叶片2304、2306中的一个或更多个可以是部分高度的。在所示示例中，第二叶片2306具有比通路2302的长度更短的弦长度，并且在圆周方向上在通路中大体居中并且在流动方向上位于通路2302的中点的上游处。第一叶片和第二叶片2304、2306布置在叶片组中，这里每组两个叶片，其中扩散器2300具有多叶片的组的周期性布置。示例性通路2302是周期性的，然而，第一叶片2304和/或第二叶片2306中的一个或更多个的一个或更多个特性可以改变以产生一个或更多个偏置通路。第一叶片和/或第二叶片2304、2306中的一个或更多个的一个或更多个特性可以改变以产生具有偏置通路的一个或更多个非周期性部分，该偏置通路构造成解决非对称压力场，例如，图1-5中所示的非对称压力场。一个或更多个特性可以包括例如本文中所描述的特性中的任一个，例如叶片高度、交错角、节距、叶片形状、叶片前缘位置和叶片后缘位置以及弦长度等。例如，第二叶片2306可以是包括翼型的任何类型，并且不需要在通路2302中全部居中；至少一个第二叶片可被重新定位或重新设定尺寸以产生包括部分高度设计的偏置通路。
图24示出了示例性通道扩散器2400，除了扩散器2400包括多个第一叶片2402和具有与第一叶片2402不同的特性(这里是楔角)的一个第二叶片2404之外，示例性通道扩散器2400与现有技术的扩散器2100(图21)相同。在所示示例中，扩散器2400包括单个第二叶片2404，该单个第二叶片2404位于第一叶片2402周期性位置中，或者在现有技术的布置中在第一叶片2402将已经定位的地方。第二叶片2404具有比第一叶片2402楔角W1小的楔角W2。第二叶片2404的较小楔角W2导致两个偏置通路2406。扩散器2400包括第一叶片2402和相关联的通路2410的周期性部分2408以及包括两个偏置通路2406的非周期性部分2412。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2402可以被第二叶片2404代替，该第二叶片2404可以具有与第一叶片2402不同的一个或更多个特性，从而产生一个或更多个另外的偏置通路。
图25示出了示例性通道扩散器2500，其类似于扩散器2400(图24)，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。扩散器2500包括多个第一叶片2502和一个第二叶片2504，该一个第二叶片2504具有与第一叶片2502不同的特性，这里是楔角。与扩散器2400不同，第二叶片2504具有比第一叶片2502大的楔角。在所示示例中，扩散器2500包括单个第二叶片2504，该单个第二叶片2504位于第一叶片2502周期性位置中，或者在现有技术的布置中在第一叶片2502将已经定位的地方。第二叶片2504具有比第一叶片2502的楔角W1大的楔角W2。第二叶片2404的较大的楔角W2导致两个偏置通路2506，该两个偏置通路2506具有比通路2510小的横截面面积。扩散器2500包括第一叶片2502和相关联的通路2510的周期性部分2508以及包括两个偏置通路2506的非周期性部分2512。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2502可以被第二叶片2504代替，第二叶片2504可以具有与第一叶片2502不同的一个或更多个特性，从而产生一个或更多个另外的偏置通路。
图26示出了示例性通道扩散器2600，其与扩散器2400(图24)和2500(图25)相似，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。扩散器2600包括多个第一叶片2602和一个第二叶片2604，该一个第二叶片2604具有与第一叶片2602不同的特性，这里是弦长度。在所示的示例中，扩散器2600包括单个第二叶片2604，该单个第二叶片2604位于第一叶片2602周期性位置中，或者在现有技术的布置中在第一叶片2602将已经定位的地方。第二叶片2604的较长的长度导致两个偏置通路2606，该两个偏置通路2606具有与通路2610不同的沿流动方向的横截面面积分布，并且导致第二叶片2604的后缘在扩散器出口处用作另外的导流件，以减少在扩散器出口处的损失。扩散器2600包括第一叶片2602和相关联的通路2610的周期性部分2608以及包括两个偏置通路2606的非周期性部分2612。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2602可以被第二叶片2604代替，第二叶片2604可以具有与第一叶片2602不同的一个或更多个特性，由此产生一个或更多个另外的偏置通路。
图27示出了示例性通道扩散器2700，其与扩散器2400(图24)、2500(图25)和2600(图26)类似，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。扩散器2700包括多个第一叶片2702和具有不同于第一叶片2702的特性(这里是叶片交错角)的一个第二叶片2704，造成可选的通路发散角。在所示示例中，扩散器2700包括单个第二叶片2704，该单个第二叶片2704近似定位于在现有技术中的布置中第一叶片2702将已经定位的位置中。如虚线所表示的，第二叶片2704的交错角可以相对于第一叶片2702的交错角在+/-方向上变化，造成两个偏置通路2706，该两个偏置通路2706具有与通路2710不同的沿流动方向的横截面面积分布。扩散器2700包括第一叶片2702和相关通路2710的周期性部分2708和包括两个偏置通路2706的非周期性部分2712。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2702可以被第二叶片2704代替，第二叶片2704可以具有与第一叶片2702不同的一个或更多个特性，从而产生一个或更多个另外的偏置通路。
图28示出了示例性通道扩散器2800，其与扩散器2400(图24)、2500(图25)、2600(图26)、和2700(图27)类似，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。扩散器2800包括多个第一叶片2802和一个第二叶片2804，该一个第二叶片2804具有与第一叶片2802不同的特性，这里是叶片节距，从而改变叶片的圆周位置和间隔。在所示示例中，扩散器2800包括代替第一叶片2802中的一个的单个第二叶片2804。如所示，第二叶片2804的节距不同于第一叶片2802的节距，导致两个偏置通路2806a、2806b，其具有与通路2810不同的沿流动方向的横截面面积分布。扩散器2800包括第一叶片2802和相关联的通路2810的周期性部分2808和包括两个偏置通路2806a、2806b的非周期性部分2812。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2802可以被第二叶片2804代替，第二叶片2804可以具有与第一叶片2802不同的一个或更多个特性，由此产生一个或更多个另外的偏置通路。
图29示出了示例性扩散器2900，其组合了扩散器2500(图25)和2600(图26)的特性。如所示，扩散器2900包括多个第一叶片2902和两个第二叶片2904a、2904b，该两个第二叶片2904a、2904b各自具有不同于第一叶片2902的特性。第二叶片2904a具有比第一叶片2902大的弦长度，并且第二叶片2904b具有比第一叶片2902的楔角W1大的楔角W2，导致具有与通路2910不同的沿流动方向的横截面面积分布的偏置通路2906a和偏置通路2906b。扩散器2900包括第一叶片2902和相关联的通路2910的周期性部分2908a、2908b和分别包括偏置通路2906a、2906b的非周期性部分2912a、2912b。在其它示例中，一个或更多个另外的第一叶片2902可以被第二叶片2904代替，第二叶片2904可以具有与第一叶片2902不同的一个或更多个特性，由此产生一个或更多个另外的偏置通路。
图30示出了示例性的通道扩散器3000，其具有多个第一叶片3002(仅标记一个)和多个第二叶片3004(仅标记一个)，第二叶片中的每一个具有与第一叶片3002不同的特征，这里是弦长度。扩散器3000具有通路3006a、3006b的全周期性布置以及相等数量的第一叶片3002和第二叶片3004。与本文中所公开的任何通道扩散器一样，第一叶片3002和第二叶片3004可以全部是全高度，或者一个或更多个可以是部分高度。图31示出了扩散器3100，其类似于扩散器3000，扩散器3100包括多个第一叶片3102(仅标记一个)和多个第二叶片3104(仅标记一个)，第二叶片中的每一个具有与第一叶片3102不同的特性，这里是弦长度和沿流动方向的位置。第二叶片3104中的每一个具有与第一叶片3102不同的沿流动方向的位置，其中与第一叶片前缘3116距扩散器中心线的径向距离相比，前缘3112的位置处于距扩散器中心线3114的不同的径向距离处，这里是更大的距离。例如，与周期性第一叶片位置相比，第二叶片3104中的每一个沿流动方向滑动返回。第一叶片和/或第二叶片3002、3102、3004、3104中的一个或更多个的一个或更多个特性可以改变以产生具有偏置通路的一个或更多个非周期性部分，该偏置通路构造成解决非对称压力场，例如图1-5所示出的非对称压力场。该一个或更多个特性可以包括例如本文中所描述特性中的任一个，例如叶片高度、交错角、节距、叶片形状、叶片前缘位置和叶片后缘位置以及弦长度等。
图32示出了与扩散器3000(图30)大体相同的示例性通道扩散器3200，其中等效部件具有相同的名称和相同的附图标记后缀。不同于其中第一叶片和第二叶片3002、3004的楔角、叶片交错和通道发散角相同的扩散器3000，第一叶片3202的交错角和相邻通路3206的相关联的通道扩散角可以在从第二叶片3204的交错角的任一方向上变化。在一些示例中，少于所有第一叶片3202的交错角可以不同于第一叶片中的其它叶片，从而造成非周期性布置和一个或更多个偏置通路3206。图33示出了扩散器3300，其与扩散器3200大体相同，除了不是改变第一叶片3302的交错角，而是一个或更多个第二叶片3304的交错角和相邻通路3306的相关联的通道发散角可以变化。在一些示例中，少于所有第二叶片3304的交错角可以变化，造成扩散器3300具有一个或更多个非周期性部分，该一个或更多个非周期性部分具有一个或更多个偏置通路。在其它示例中，图22-33中所示的叶片特性变化中的任何一个或更多个可以以任何组合来组合。
图34是涡轮机3400的等距视图，包括叶轮3402和无叶片式扩散器3404。扩散器3404在护罩3406和轮毂3407之间延伸。护罩3406从叶轮入口3408延伸穿过叶轮出口/扩散器入口3410延伸到扩散器出口3412。图35和图36是护罩3406和轮毂3407的另外的视图。如图35和图36中所示，示例性护罩3406包括从扩散器入口和相邻叶轮3402的上游的位置在流动方向上延伸到在扩散器入口(在该示例中，扩散器出口3412(图34))下游的位置的多个沿流动方向的凹槽3502(仅一个被标记)。沿流动方向的凹槽3502位于护罩3406的表面中并且具有倒圆的边缘3504，赋予护罩壁近似周期性波形的圆周轮廓。示例性的凹槽3502可以被设计和构造成以优选的角度将叶轮3402中流体流的一部分引导到扩散器3404中，从而提高涡轮机3400的性能。图37-39示出了涡轮机3700，其与涡轮机3400大体相同，其中等效部件具有相同名称和相同附图标记后缀。与涡轮机3400不同，涡轮机3700具有流动凹槽3802，流动凹槽3802比流动凹槽3502(图35)更紧密间隔开，相邻凹槽3802的边缘3804大体上接触凹槽的前缘区域。
图40-42示出了示例性的涡轮机4000，其具有与涡轮机3400相同的叶轮3402和护罩3406(图34-36)，但是具有可选的轮毂4002，如图42中可最佳看出的，还具有在流动方向上延伸的流动凹槽，在该示例中，该流动凹槽从扩散器入口4204延伸到扩散器出口4206。在所示的示例中，扩散器4004具有与护罩3406中的凹槽3502相同数量的凹槽4202，并且类似地具有带有倒圆的边缘4208的凹槽。凹槽4202与凹槽3502在圆周方向上对齐。与凹槽3502一样，轮毂侧凹槽4202可以被设计和构造成在优选的方向上引导工作流体的一部分，以改善扩散器4004的性能。图43和图44示出了从图40-42的可选构造，其中轮毂侧凹槽4202的圆周位置相对于护罩侧凹槽3502被以时针方式布置。在该示例中，轮毂侧凹槽4202中的每一个与相邻的护罩侧凹槽3502之间的中点对齐。在其它示例中，可以使用任何其它相对圆周定位。
图45和图46示出了各自分别具有沿流动方向的凹槽4506和4508的示例性护罩4502和轮毂4504。与图40-44中所示的实施方案不同，护罩4502和轮毂4504还包括偏置通路4510、4520，偏置通路4510、4520是具有比凹槽4506、4508更大的横截面面积的扩大的沿流动方向的凹槽的形式。这样的偏置通路可以被定位、构造和设定尺寸以使圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置，和/或提供本文中所描述的其它性能增强。在其它示例中，护罩4502和轮毂4504中的一个或两个可以具有另外的偏置的沿流动方向的凹槽，或者一个或更多个偏置的沿流动方向的凹槽可以位于仅护罩或轮毂中。图45和图46中所示出的示例包括沿流动方向的凹槽的形式的通路的周期性部分和在所示示例中具有一个偏置通路的非周期性部分。
图47是布置在通路4704之间的偏置的扩散器通路4702的横截面正视图。偏置通路4702具有从位于护罩4708中的凹部4706和位于护罩4712中的凹部4710增加的通路高度H1。凹部4706和凹部4710在形状和位置上可以与凹槽3502(图35)、凹槽4202(图42)类似，或者可以具有其它构造，例如不同的前缘位置和/或后缘位置、宽度、沿流动方向的长度等。例如，在一些实施方案中，凹部4706和凹部4710可以具有位于扩散器入口处的前缘。在图47中所示的示例中，仅一个凹部4706、4710位于轮毂和护罩4708、4712中，从而产生非周期性部分，该非周期性部分具有偏置通路，该偏置通路具有比扩散器4700中的其它通路大的横截面面积。在其它示例中，多个扩散器通路可以具有从位于轮毂和/或护罩中的一个或更多个凹部增加的高度。
图48是涡轮机4800的等距视图，涡轮机4800包括叶轮4802和无叶片式扩散器4804。扩散器4804在护罩4806和轮毂4807之间延伸。护罩4806从叶轮入口4808延伸穿过叶轮出口/扩散器入口4810延伸到扩散器出口4812。图49是护罩4806和轮毂4807的另外的视图。如图48和图49中所示，示例性护罩4806和轮毂4807各自分别包括在流动方向上延伸的多个沿流动方向的通道4820、4822(仅标记每者中的仅一个)。通道4820、4822以及沿流动方向的凹槽3502(图35)、凹槽3802(图38)和凹槽4202(图42)都是沿流动方向的长形的凹部。通道4820和通道4822与凹槽3502、3802、4202不同之处在于凹部的横截面形状，其中通道具有大体上正方形的边缘4902(图49)，并且凹槽具有倒圆的边缘3504(图35)。护罩表面通道4820从扩散器入口4810和相邻叶轮4802的上游位置延伸到扩散器入口下游的位置，在该示例中延伸到扩散器出口4812。轮毂表面通道4822跨过轮毂4807的整个长度从扩散器入口4810延伸到扩散器出口4812。沿流动方向的通道4820位于护罩4806的表面中并且具有大体上正方形的边缘4902，赋予护罩壁近似周期性方波形的圆周轮廓。类似地，沿流动方向的通道4822位于轮毂4807的表面中并且具有大体上正方形的边缘4904，赋予轮毂壁近似周期性方波的圆周轮廓。示例性通道4820和通道4822可以被设计和构造成以优选的角度将叶轮4802中的流体流的一部分引导到扩散器4804中，由此增加涡轮机4800的性能。在其它实施方案中，通道4820、4822中的一个或两个的特性可以变化，例如通道的深度、宽度和数量。在图48和图49中所示的示例中，通道4820和通道4822在圆周方向上对齐，然而，在其它示例中，相对位置可被以时针方式布置，使得轮毂和护罩通道不对齐。
图50和图51示出了类似于扩散器4804(图48)的可选扩散器5000，并且扩散器5000包括具有轮毂的沿流动方向的通道5006和护罩的沿流动方向的通道5008的轮毂5002和护罩5004。与扩散器4804不同，通道5006和通道5008中每一者中的一个具有不同于其它通道5006、5008的特性，其它通道5006、5008在这里是指通道5006a和通道5008a，其各自具有增大的深度，导致偏置通路。在其它示例中，只有轮毂通道5006或只有护罩通道5008的特性可以与轮毂通道和护罩通道中的其它通道不同，以产生偏置通路。在一些示例中，除了深度之外的特征可以变化，例如横截面形状(例如，凹槽对(versus)通道)、宽度、长度、前缘位置和后缘位置。在一些示例中，轮毂和/或护罩通道5006、5008中的多于一个可以改变以产生具有多于一个偏置通路的更大的非周期性部分或多于一个的非周期性部分。在其它示例中，根据本公开制造的扩散器可以具有位于选择的圆周位置处的较少数量的沿流动方向的凹部，而不是围绕机器的整个圆周均等地间隔开的多个沿流动方向的凹部。例如，根据本公开制造的扩散器可以具有位于机器圆周周围的选择位置中的仅一个、两个、三个等的沿流动方向的凹部。
图52和图53示出了具有护罩5202和轮毂5204的示例性叶片式扩散器5200，护罩从叶轮入口5206穿过扩散器入口5208延伸到扩散器出口5210。护罩5202包括延伸到扩散器入口5208的上游和下游的位置的沿流动方向的通道5212，并且通过叶片5218的前缘5216的上部支腿5214分开。在所示示例中，前缘5216具有扇形，本文中也称为燕尾形。在所示示例中，轮毂5204不包括任何沿流动方向的凹部。在其它示例中，轮毂5204可以包括诸如通道或凹槽的沿流动方想向的凹部。
如图52和图53中所示，偏置通道5212a具有与其它通道5212不同的特性，这里，该特性是比通道5212的前缘位置5222更上游的前缘位置5220(在图52中最佳地看到)和比通道5212的深度大的深度(在图53中最佳地看到)。偏置通道5212a在扩散器5200的非周期性部分中产生偏置通路。
前述内容是本发明的例证性实施方案的详细描述。注意，在本说明书和其所附的权利要求中，例如在短语“X、Y和Z中的至少一个”和“X、Y和Z中的一个或更多个”中使用的连接语言，除非另外特别规定或指示，应被理解为意指在连接词列举中的每个项可以以不包括列举中的每个其它项的任何数目或以与连接列举中的任何或所有其它项组合的任何数目存在，其中每个也可以以任何数目存在。应用这个一般规则，在其中连接列举由X、Y和Z组成的上述示例中的连接短语应各自包含：X中的一个或更多个；Y中的一个或更多个；Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Y中的一个或更多个；Y中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；X中的一个或更多个和Z中的一个或更多个；和X中的一个或更多个、Y中的一个或更多个以及Z中的一个或更多个。
可做出各种修改和添加而不偏离本发明的精神和范围。上面所述的各种实施方案中的每个的特征可视情况与其它所述实施方案的特征组合，以便提供在相关的新实施方案中的特征组合的多样性。此外，虽然前述内容描述了多个单独的实施方案，但是在本文所述的内容仅仅说明本发明的原理的应用。此外，虽然在本文中的特定方法可被示出和/或描述为以特定的顺序被执行，但是该顺序在普通技术内是高度可变的以实现本公开的方面。相应地，该描述意欲只作为例子被采取，且不另外限制本发明的范围。
在上面公开和在附图中示出示例性实施方案。本领域中的技术人员将理解，可对在本文特别公开的内容做出各种变化、省略和添加而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (45)

1.一种用于涡轮机的扩散器，包括：
多个扩散器通路，其位于所述扩散器的圆周周围，以用于接收具有圆周压力分布的流场；
其中所述扩散器通路包括至少一个周期性部分和至少一个非周期性部分，所述至少一个非周期性部分包括至少一个偏置通路，所述至少一个偏置通路被定位、构造和设定尺寸以使所述圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置。
2.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述多个扩散器通路具有第一空间频率，所述圆周压力分布包括具有比所述第一空间频率低的空间频率的时间平均低频分量，所述至少一个偏置通路构造成使所述低频分量朝向圆周均匀的压力分布偏置。
3.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述至少一个周期性部分包括多个第一叶片，并且所述至少一个偏置通路包括至少一个第二叶片，所述第一叶片和所述第二叶片各自具有多个叶片特性，所述多个叶片特性包括位于前缘位置处的前缘、位于后缘位置处的后缘、距扩散器中心线的径向距离、弦长度、最大厚度、高度、沿流动方向的形状分布、交错角、叶片节距、叶片楔角、叶片倾斜、叶片扭转、叶片前缘形状和通道发散角中的一个或更多个，此外其中所述至少一个第二叶片的所述多个叶片特性中的至少一个不同于所述多个第一叶片的所述多个叶片特性中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的扩散器，其中，与所述第一叶片特性不同的所述多个第二叶片特性中的所述至少一个包括在任何组合中的所述多个叶片特性中的任何一个叶片特性上的差异。
5.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述至少一个第二叶片的所述前缘与所述多个第一叶片的所述前缘相比，位于距所述扩散器中心线不同的径向距离处。
6.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述至少一个第二叶片的所述后缘与所述多个第一叶片的所述后缘相比，位于距所述扩散器中心线不同的径向距离处。
7.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述至少一个第二叶片与所述第一叶片相比，位于距所述扩散器中心线不同的径向距离处。
8.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片弦长度与所述第一叶片弦长度不同。
9.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片最大厚度与所述第一叶片最大厚度不同。
10.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片高度与所述第一叶片高度不同。
11.根据权利要求10所述的扩散器，其中，所述扩散器还包括轮毂表面和护罩表面，所述多个扩散器通路在所述轮毂表面和所述护罩表面之间延伸，此外其中所述第二叶片是附连到所述轮毂表面或所述护罩表面的部分高度叶片。
12.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片的沿流动方向的形状分布与所述第一叶片的沿流动方向的形状分布不同。
13.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片交错角与所述第一叶片交错角不同。
14.根据权利要求13所述的扩散器，其中，所述至少一个偏置通路被堵塞。
15.根据权利要求13所述的扩散器，其中，所述至少一个第二叶片的交错角是固定的。
16.根据权利要求13所述的扩散器，其中，所述至少一个第二叶片的交错角是可调节的。
17.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述第二叶片节距与所述第一叶片节距不同。
18.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述多个扩散器通路各自具有通路高度，所述至少一个偏置通路的通路高度与所述周期性部分中的所述扩散器通路的通路高度不同。
19.根据权利要求18所述的扩散器，其中，所述扩散器还包括轮毂表面、护罩表面和位于所述轮毂表面和所述护罩表面中的至少一个中的沿流动方向的凹部，所述沿流动方向的凹部在所述至少一个偏置通路的上游延伸并与所述至少一个偏置通路对齐。
20.根据权利要求3所述的扩散器，其中，所述扩散器还包括轮毂表面、护罩表面以及位于所述轮毂表面和所述护罩表面中的至少一个中的至少一个长形的沿流动方向的凹部。
21.根据权利要求20所述的扩散器，其中，所述扩散器包括多个长形的沿流动方向的凹部，所述多个长形的沿流动方向的凹部具有围绕所述扩散器的圆周的非周期性布置。
22.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述圆周压力分布不是源于位于所述扩散器的上游或下游的非对称流动路径。
23.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述圆周压力分布不是源于位于所述扩散器的上游或下游的非对称流动路径，所述非对称流动路径选自由侧部入口、非对称收集器和蜗壳组成的组。
24.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述至少一个偏置通路不位于邻近蜗壳舌部的蜗壳变形区中或不位于邻近与所述蜗壳变型区成180度的位置处。
25.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述扩散器构造成在离心式压缩机或泵中使用，另外其中所述至少一个偏置通路被构造和设定尺寸以限制或减小所述圆周压力分布的量度上的变化以便使级效率提高超过0.2个百分点，以使叶轮出口流分布更均匀，将给定速度下的最大通流量提高0.1％以上，将浪涌线减少0.2％以上或使叶轮或扩散器叶片上的振动应力水平减少0.2％以上。
26.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述扩散器构造成在离心式压缩机或泵中使用，所述周期性部分具有空间频率，并且所述圆周压力分布具有小于所述周期性部分的所述空间频率的主空间频率，另外其中所述至少一个偏置通路被构造和设定尺寸以在所述压缩机或泵的设计操作范围内使所述圆周压力分布的量度上的最大变化减小1％以上。
27.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述扩散器构造成在具有构造成产生压力上升的叶轮的离心式压缩机或泵中使用，所述周期性部分具有空间频率，并且所述圆周压力分布具有比所述周期性部分的所述空间频率小的主空间频率，另外其中所述至少一个偏置通路被构造和设定尺寸，以在所述压缩机或泵的设计操作范围内使所述圆周压力分布的量度上的最大变化限制到小于叶轮压力上升的30％。
28.根据权利要求1-27中的任一项所述的扩散器，其中，所述第一叶片和所述第二叶片位于同一排中。
29.一种扩散器，包括：
多个第一叶片，其围绕所述扩散器的圆周的一部分布置成一排，所述第一叶片中的每一个与相邻的第一叶片间隔开第一圆周距离；和
至少一个第二叶片，其位于所述第一叶片中的第一叶片之间，所述至少一个第二叶片具有与所述第一叶片不同的特性，所述不同的特性导致邻近所述至少一个第二叶片的偏置通路，以用于使进入所述扩散器的流场的圆周压力分布朝向圆周均匀的压力分布偏置。
30.根据权利要求29所述的扩散器，其中，所述不同的特性选自由前缘或后缘距扩散器中心线的径向距离，距扩散器中心线的径向距离、弦长度、最大厚度、高度、沿流动方向的形状分布、交错角、叶片节距、叶片楔角、叶片倾斜、叶片扭转、叶片前缘形状和通道发散角组成的组。
31.根据权利要求29所述的扩散器，其中，所述多个第一叶片具有空间频率，所述偏置扩散器通路构造成使具有低频分量的时间平均圆周压力分布偏置，所述低频分量具有比所述第一叶片空间频率低的空间频率，所述偏置通路构造成使所述低频分量朝向圆周均匀的压力分布偏置。
32.一种扩散器，包括：
轮毂和护罩；
多个第一叶片，其从所述轮毂延伸到所述护罩并且围绕所述扩散器的圆周的一部分布置成一排；和
至少一个第二叶片，其位于所述第一叶片中的第一叶片之间，所述至少一个第二叶片从所述轮毂延伸到所述护罩并且具有与所述第一叶片不同的特性。
33.根据权利要求32所述的扩散器，其中，所述不同的特性选自由前缘或后缘距扩散器中心线的径向距离、距扩散器中心线的径向距离、弦长度、最大厚度、高度、沿流动方向的形状分布、交错角、叶片节距、叶片楔角、叶片倾斜、叶片扭转、叶片前缘形状和通道发散角组成的组。
34.一种扩散器，包括：
轮毂和护罩；和
多个叶片组，各自包括至少两个叶片，所述至少两个叶片中的每一个具有与所述至少两个叶片中的其它叶片不同的特性。
35.根据权利要求34所述的扩散器，其中，所述扩散器具有圆周，所述叶片组以周期性布置位于所述扩散器的圆周周围。
36.根据权利要求34所述的扩散器，其中，所述至少两个叶片是部分高度的叶片，所述至少两个叶片中的一个附连到所述护罩，并且所述至少两个叶片中的第二叶片附连到所述轮毂。
37.根据权利要求36所述的扩散器，其中，所述至少两个叶片的高度不相同。
38.一种设计扩散器的方法，所述扩散器具有入口和多个叶片以减小邻近所述入口的圆周压力变化，所述压力变化具有小于所述叶片的空间频率的主空间频率，所述方法包括：
提供多个扩散器通路，每个扩散器通路具有入口并围绕所述扩散器的圆周定位；和
将至少一个偏置的扩散器通路定位在所述多个扩散器通路中的扩散器通路之间，所述偏置的扩散器通路具有与所述多个扩散器通路不同的横截面面积，以用于使所述多个扩散器通路的所述入口处的圆周压力变化最小化。
39.一种设计扩散器的方法，包括：
开发轴对称扩散器的计算模型；
当在所述扩散器的入口处存在具有时间平均低频圆周变化的圆周压力分布时，计算所述扩散器的性能；
修改所述计算模型以将至少一个偏置的流动通路添加到所述扩散器；
计算所修改的扩散器的性能；和
根据两个计算步骤比较所述扩散器的性能以确定所述偏置的流动通路是否改善了扩散器性能。
40.一种设计扩散器的方法，包括：
测量具有周期性扩散器通路的第一扩散器的入口处的圆周压力分布；
用具有至少一个非周期性部分的第二扩散器替换所述第一扩散器，所述至少一个非周期性部分具有至少一个偏置的扩散器通路；
测量在所述第二扩散器的入口处的圆周压力分布；和
根据两个测量步骤比较所述压力分布，以确定所述第二扩散器是否将在所测量的圆周压力分布的量度上的不需要的变化减小了预定量。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括：
计算所述第一扩散器的性能；
计算所述第二扩散器的性能；和
根据两个计算步骤比较所述性能，以确定所述第二扩散器是否将扩散器性能提高了预定量。
42.一种无叶片式扩散器，包括：
入口和出口；
轮毂表面和护罩表面，所述轮毂表面和所述护罩表面各自在所述入口和所述出口之间延伸；和
在所述轮毂表面和所述护罩表面中的至少一个中的多个沿流动方向的凹部，所述多个凹部是非周期性的。
43.根据权利要求42所述的无叶片式扩散器，其中，所述多个沿流动方向的凹部包括一个或更多个第一沿流动方向的凹部和一个或更多个第二沿流动方向的凹部，所述一个或更多个第二沿流动方向的凹部具有与所述第一沿流动方向的凹部不同的至少一个特性。
44.根据权利要求43所述的无叶片式扩散器，其中，不同的所述至少一个特性选自由长度、宽度、前缘位置、后缘位置、深度和横截面形状组成的组。
45.一种用于涡轮机的扩散器，包括：
多个扩散器通路，其位于所述扩散器的圆周周围，用于接收流场，其中所述流场具有圆周压力分布；
其中所述扩散器通路包括第一组通路，所述第一组通路中的每个通路具有沿流动方向的第一有效的横截面面积分布，并且所述扩散器通路包括至少一个偏置通路，所述至少一个偏置通路具有沿所述流动方向的第二有效的横截面面积分布，所述第一有效的横截面面积分布和所述第二有效的横截面面积分布是不同的，所述至少一个偏置通路被定位、构造和设定尺寸以使所述圆周压力分布朝向圆周均匀性偏置。
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