CN108412799B - 可调节轴向槽容积的压缩机机匣及其容积调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可调节轴向槽容积的压缩机机匣及其容积调节方法。现有机匣处理很难能达到预期的效率和压缩比。本发明可调节轴向槽容积的压缩机机匣，包括机匣体、支撑架、执行机构和传动机构；执行机构包括槽孔挡板、竖直杆、水平连杆、槽轮和直线轴承座；本发明在小流量工况下，槽孔挡板沿机匣体径向朝外运动到最外端，第一槽孔的容积达到最大值，第一槽孔内产生的回流防止喘振的发生，扩大压缩机的工作裕度；在大流量工况下，槽孔挡板沿机匣体径向朝内运动到最内端，第一槽孔的容积达到最小值，第一槽孔内回流减小，能量损失减小，效率及压比提高。

Description

可调节轴向槽容积的压缩机机匣及其容积调节方法
技术领域
本发明属于轴流式压缩机技术领域，具体涉及一种可调节轴向槽容积的压缩机机匣及其容积调节方法。
背景技术
压缩系统中的流动非稳定现象，旋转失速及喘振，因其流动的复杂性和产生危害后果的严重性，已成为严重制约压缩机研发的最主要问题之一，一旦发生旋转失速甚至喘振，会造成压缩机级间压力失常产生振动，转子及定子受反复应力而降低寿命，甚至对部件及整机造成毁坏。
在防止和抑制方面，主要分为两类，即主动控制技术和被动控制技术。主动控制技术往往是通过闭环来控制，引入紧连控制阀是目前较有前景的闭环控制，但它有增加能耗等问题。机匣处理的概念最初由Hartman提出，是一种典型的被动控制技术，它结构简单所以便于实施，应用较广泛。但是叶轮机械都是在设计工况下进行设计的，加上机匣处理相当于改变了压缩机的结构，所以经过机匣处理后即使在设计工况下工作也很难能达到预期的效率和压缩比，普遍存在最高效率下降，大流量工况下的总压升下降等问题。被动控制技术中的可调进口导叶，柔性叶片都具有一定的可调性，这样都能扩大工作裕度同时尽量保证设计工况下的性能，但是在机匣处理领域可调方向做的很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调节轴向槽容积的压缩机机匣及其容积调节方法，该压缩机机匣能改变自身槽内容积，入口流量较少时增加槽内容积，扩大气体的回流，延迟喘振的发生，扩大工作裕度，入口流量较大时或在设计工况下工作时槽内容积减少，提高压缩机的效率及压比。
本发明可调节轴向槽容积的压缩机机匣，包括机匣体、支撑架、执行机构和传动机构；所述的传动机构包括电机、齿轮、弧形齿条、支架、轮盘和轮盘盖板；所述的支架固定在机匣体外侧壁，电机的底座固定在支架上；齿轮固定在电机的输出轴上，并与弧形齿条啮合；所述的轮盘盖板与两个轮盘均为可拆卸连接；所述的机匣体内壁靠近叶轮叶顶处开设沿周向均布的n个第一槽孔，n≤36；机匣体侧壁位于入口处设有沿周向均布的多个检测管道；所述的支撑架固定套置在机匣体上；支撑架开设有n个轴承安装槽，轴承安装槽的槽底开设第二槽孔、第一螺纹孔和第二螺纹孔；第一螺纹孔和第二螺纹孔对称布置在第二槽孔两侧；第二槽孔与第一槽孔的结构及尺寸完全一致，第二槽孔与第一槽孔的位置一一对应；两个轮盘通过滚动轴承对称支承在支撑架上；两个轮盘的相对面均开设沿周向均布的n个轮槽；所述的弧形齿条固定在靠近电机的那个轮盘上。
所述的执行机构包括槽孔挡板、竖直杆、水平连杆、槽轮和直线轴承座；水平连杆的两端分别与一个槽轮构成转动副；竖直杆支承在直线轴承座上，且外端套置在水平连杆的中心孔内，内端与槽孔挡板固定；槽孔挡板的密封槽内设置密封环；两个螺母均与竖直杆外端螺纹连接，且外端的螺母压紧内端的螺母；执行机构共有n个，每个执行机构的直线轴承座与支撑架对应一个轴承安装槽内的第一螺纹孔和第二螺纹孔通过螺栓固定；每个执行机构的槽孔挡板与支撑架对应的一个第二槽孔构成滑动副，或同时与机匣体对应的一个第一槽孔及支撑架对应的一个第二槽孔构成滑动副。每个执行机构的两个槽轮分别与两个轮盘对应位置的轮槽构成滑动副。
所述第一槽孔的横截面为矩形；第一槽孔的长为40mm，宽为12mm；槽孔挡板的长为40mm，宽为12mm，高为5mm。
所述的支撑架为可拆分式，由固定在一起的两个半圆环组成。
所述轮槽的形状与双圆头平键的形状一致，且长度方向所在的平面与槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线之间设有夹角。
轮槽尺寸的设计方法如下：
设计槽孔挡板处于内极限位置时与机匣体内壁的径向距离为0.5mm，槽轮位于轮槽两端时存在径向差值sr＝5mm；因此，槽孔挡板处于外极限位置时与机匣体内壁的径向距离为5.5mm，槽孔挡板处于内、外极限位置的高度差h＝5mm；为了减小槽轮所受周向力，应尽量减小轮槽坡度i，同时要保证l＝h/i<a，其中，投影切线定义为槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线，l为轮槽长度s在投影切线上的投影，轮槽长度s为槽轮位于轮槽两端时的中心距，即槽轮在轮槽内的运动距离，a为与半径r＝r2+d的圆内切的正n边形的边长，r2为滚动轴承外径，d为槽孔挡板处于内极限位置时槽轮中心到滚动轴承外圈的径向距离。
该可调节轴向槽容积的压缩机机匣进行容积调节的方法，具体如下：
在机匣体的各检测管道处均设置流量检测计，流量检测计的测量值输出给单片机；电机为步进电机，通过单片机控制；取所有流量检测计测量值的平均值为平均流量q，当平均流量q＜1.1qVs时，qVs为槽孔挡板处于内极限位置且压缩机工作出现喘振时机匣体入口处的流量，单片机控制电机正向转动，电机带动齿轮转动，齿轮与弧形齿条啮合直到齿轮位于弧形齿条的一端，从而带动弧形齿条和轮盘相对机匣体做旋转运动，使得槽轮在轮盘的轮槽内滑动，并沿机匣体径向朝外运动到轮槽最外端，此时槽轮通过横向连杆带动竖直杆和槽孔挡板沿机匣体径向朝外运动到最外端，第一槽孔的容积达到最大值，第一槽孔内产生的回流防止喘振的发生，扩大压缩机的工作裕度；直线轴承给竖直杆提供导向作用，减小槽孔挡板径向朝内或朝外运动时与机匣体的第一槽孔之间的摩擦力；1.1qVs≤q≤1.2qVs时电机不转动，槽孔挡板保持在沿机匣体径向最外端位置；当平均流量q＞1.2qVs时，单片机控制电机反向转动，电机带动齿轮转动，齿轮与弧形齿条啮合直到齿轮位于弧形齿条的另一端，槽轮则在轮盘的轮槽内滑动，并沿机匣体径向朝内运动到轮槽最内端，此时槽轮通过横向连杆带动竖直杆和槽孔挡板沿机匣体径向朝内运动到最内端，第一槽孔的容积达到最小值，第一槽孔内回流减小，能量损失减小，效率及压比提高。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明在小流量工况下增大轴向槽(第一槽孔)容积，能防止喘振及旋转失速的发生，扩大工作裕度。
2、本发明在大流量工况下将槽内容积调整至接近于0，减小气流在槽内的流动损失，保证了在设计工况下压缩机的效率和压比。
3、本发明机构适应性强，不仅对于轴向槽适用，对于轴向倾斜缝，叶片角向缝同样适用。
4、本发明机构简单，便于实现，故障率低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明去掉轮盘挡板且槽孔挡板在内极限位置时的结构示意图；
图3为本发明去掉轮盘挡板且槽孔挡板在外极限位置时的结构示意图；
图4为本发明中执行机构去除直线轴承座后的结构立体图；
图5为本发明中执行机构的结构立体图；
图6本发明中支撑架与机匣体的装配立体图；
图7为本发明中执行机构的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3和6所示，可调节轴向槽容积的压缩机机匣，包括机匣体5、支撑架6、执行机构和传动机构。传动机构包括电机1、齿轮2、弧形齿条3、支架4、轮盘8和轮盘盖板20；支架4固定在机匣体5外侧壁，电机1的底座固定在支架4上；齿轮2固定在电机1的输出轴上，并与弧形齿条3啮合；轮盘盖板20与两个轮盘8均为可拆卸连接，用于盖住设置在两个轮盘8之间的执行机构；机匣体5为轴流风机外壳部分，本实施例采用的机匣体5与常规轴流压缩机的机匣外形相同，呈两端均开放的圆筒状；机匣体5的内径为400mm，机匣体5内壁靠近叶轮叶顶处开设沿周向均布的二十四个第一槽孔；第一槽孔的横截面为矩形；第一槽孔的长为40mm，宽为12mm；机匣体5侧壁位于入口处设有沿周向均布的四个检测管道18，用于测试入口流量。支撑架6固定套置在机匣体5上；支撑架6为可拆分式，由固定在一起的两个半圆环组成；支撑架6开设有二十四个轴承安装槽，轴承安装槽的槽底开设第二槽孔19、第一螺纹孔131和第二螺纹孔133；第一螺纹孔131和第二螺纹孔133对称布置在第二槽孔19两侧；第二槽孔19与第一槽孔的结构及尺寸完全一致，第二槽孔19与第一槽孔的位置一一对应；两个轮盘8通过滚动轴承7对称支承在支撑架6上；两个轮盘8的相对面均开设沿周向均布的二十四个轮槽11；轮槽的形状与双圆头平键的形状一致，且长度方向所在的平面与槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘8中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线之间设有夹角；弧形齿条3固定在靠近电机1的那个轮盘上。
如图2、3、4、5、6和7所示，执行机构包括槽孔挡板16、竖直杆12、水平连杆9、槽轮10和直线轴承座14；水平连杆9的两端分别与一个槽轮10构成转动副；竖直杆12支承在直线轴承座14上，且外端套置在水平连杆9的中心孔内，内端与槽孔挡板16固定(本实施例采用焊接)；槽孔挡板16的密封槽内设置密封环15，减少气体从机匣体5的第一槽孔中泄露；槽孔挡板16的长为40mm，宽为12mm，高为5mm；两个螺母17均与竖直杆12外端螺纹连接，实现竖直杆12与水平连杆9的固定，且外端的螺母17压紧内端的螺母17；执行机构共有二十四个，每个执行机构的直线轴承座14与支撑架6对应一个轴承安装槽内的第一螺纹孔131和第二螺纹孔133通过螺栓13(图7中用中心线简化表达螺栓)固定；每个执行机构的槽孔挡板16与支撑架6对应的一个第二槽孔19构成滑动副，或同时与机匣体5对应的一个第一槽孔及支撑架6对应的一个第二槽孔19构成滑动副，从而保证槽孔挡板运动时脱离机匣后能在第二槽孔19内运动，且不会脱离第二槽孔19。每个执行机构的两个槽轮10分别与两个轮盘8对应位置的轮槽构成滑动副。
轮槽尺寸的设计方法如下：
设计槽孔挡板处于内极限位置时与机匣体内壁的径向距离为0.5mm，此时槽孔挡板到机匣体中心轴线的距离为r1＝200.5mm，内极限位置是为了保证槽孔挡板不与叶轮碰撞；考虑槽轮在轮槽内滑动的范围，设计槽轮位于轮槽两端时存在径向差值sr＝5mm；因此，槽孔挡板16处于外极限位置时与机匣体内壁的径向距离为5.5mm，槽孔挡板16处于内、外极限位置的高度差h＝5mm；为了减小槽轮所受周向力，保证运动的连贯性，扩大槽轮的周向移动距离，并增大转盘的转动角度，使电机控制更加精确，应尽量减小轮槽长度方向所在的平面与投影切线之间的夹角，即尽量减小轮槽坡度i，同时要保证l＝h/i<a，其中，投影切线定义为槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘8中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线，l为轮槽长度s在投影切线上的投影，轮槽长度s为槽轮位于轮槽两端时的中心距，即槽轮在轮槽内的运动距离，a＝60.3mm为与半径r＝r2+d＝243mm的圆内切的正二十四边形的边长，r2为滚动轴承7外径，取值为225mm，d为槽孔挡板处于内极限位置时槽轮中心到滚动轴承7外圈的径向距离，取值为18mm；所以本实施例中取轮槽坡度i＝1:8，则l＝40mm<a，此时，轮槽长度
该可调节轴向槽容积的压缩机机匣进行容积调节的方法，具体如下：
在机匣体5的四个检测管道18处均设置流量检测计，流量检测计的测量值输出给单片机；电机1为步进电机，通过单片机控制；取四个流量检测计测量值的平均值为平均流量q，当平均流量q＜1.1qVs时，qVs为槽孔挡板16处于内极限位置且压缩机工作出现喘振时机匣体入口处的流量，单片机控制电机正向转动，电机1带动齿轮2转动，齿轮2与弧形齿条3啮合直到齿轮2位于弧形齿条3的一端，从而带动弧形齿条3和轮盘8相对机匣体5做旋转运动(转动的角度较小)，使得槽轮10在轮盘8的轮槽内滑动，并沿机匣体5径向朝外运动到轮槽最外端，此时槽轮10通过横向连杆9带动竖直杆12和槽孔挡板16沿机匣体5径向朝外运动到最外端，第一槽孔的容积达到最大值，如图3所示，第一槽孔内产生的回流防止喘振的发生，扩大压缩机的工作裕度；直线轴承给竖直杆12提供导向作用，减小槽孔挡板16径向朝内或朝外运动时与机匣体5的第一槽孔之间的摩擦力；为了保证安全，防止喘振发生，1.1qVs≤q≤1.2qVs时电机不转动，槽孔挡板保持在沿机匣体径向最外端位置；当平均流量q＞1.2qVs时，单片机控制电机反向转动，电机1带动齿轮2转动，齿轮2与弧形齿条3啮合直到齿轮2位于弧形齿条3的另一端，槽轮10则在轮盘8的轮槽内滑动，并沿机匣体5径向朝内运动到轮槽最内端，此时槽轮10通过横向连杆9带动竖直杆12和槽孔挡板16沿机匣体5径向朝内运动到最内端，第一槽孔的容积达到最小值，如图2所示，第一槽孔内回流减小，能量损失减小，效率及压比提高。就此，此发明不仅扩大了压缩机的工作裕度，更有效解决了进行机匣处理后设计工况下效率及压缩比下降的问题。

Claims (4)

1.可调节轴向槽容积的压缩机机匣，包括机匣体、支撑架、执行机构和传动机构，其特征在于：所述的传动机构包括电机、齿轮、弧形齿条、支架、轮盘和轮盘盖板；所述的支架固定在机匣体外侧壁，电机的底座固定在支架上；齿轮固定在电机的输出轴上，并与弧形齿条啮合；所述的轮盘盖板与两个轮盘均为可拆卸连接；所述的机匣体内壁靠近叶轮叶顶处开设沿周向均布的n个第一槽孔，n≤36；机匣体侧壁位于入口处设有沿周向均布的多个检测管道；所述的支撑架固定套置在机匣体上；支撑架开设有n个轴承安装槽，轴承安装槽的槽底开设第二槽孔、第一螺纹孔和第二螺纹孔；第一螺纹孔和第二螺纹孔对称布置在第二槽孔两侧；第二槽孔与第一槽孔的结构及尺寸完全一致，第二槽孔与第一槽孔的位置一一对应；两个轮盘通过滚动轴承对称支承在支撑架上；两个轮盘的相对面均开设沿周向均布的n个轮槽；所述的弧形齿条固定在靠近电机的那个轮盘上；
所述的执行机构包括槽孔挡板、竖直杆、水平连杆、槽轮和直线轴承座；水平连杆的两端分别与一个槽轮构成转动副；竖直杆支承在直线轴承座上，且外端套置在水平连杆的中心孔内，内端与槽孔挡板固定；槽孔挡板的密封槽内设置密封环；两个螺母均与竖直杆外端螺纹连接，且外端的螺母压紧内端的螺母；执行机构共有n个，每个执行机构的直线轴承座与支撑架对应一个轴承安装槽内的第一螺纹孔和第二螺纹孔通过螺栓固定；每个执行机构的槽孔挡板与支撑架对应的一个第二槽孔构成滑动副，或同时与机匣体对应的一个第一槽孔及支撑架对应的一个第二槽孔构成滑动副；每个执行机构的两个槽轮分别与两个轮盘对应位置的轮槽构成滑动副；
所述第一槽孔的横截面为矩形；第一槽孔的长为40mm，宽为12mm；槽孔挡板的长为40mm，宽为12mm，高为5mm；
所述的支撑架为可拆分式，由固定在一起的两个半圆环组成。
2.根据权利要求1所述的可调节轴向槽容积的压缩机机匣，其特征在于：所述轮槽的形状与双圆头平键的形状一致，且长度方向所在的平面与槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线之间设有夹角。
3.根据权利要求1所述的可调节轴向槽容积的压缩机机匣，其特征在于：轮槽尺寸的设计方法如下：
设计槽孔挡板处于内极限位置时与机匣体内壁的径向距离为0.5mm，槽轮位于轮槽两端时存在径向差值sr＝5mm；因此，槽孔挡板处于外极限位置时与机匣体内壁的径向距离为5.5mm，槽孔挡板处于内、外极限位置的高度差h＝5mm；为了减小槽轮所受周向力，应尽量减小轮槽坡度i，同时要保证l＝h/i<a，其中，投影切线定义为槽孔挡板处于内极限位置时以轮盘中心为圆心的圆周在轮槽中心处的切线，l为轮槽长度s在投影切线上的投影，轮槽长度s为槽轮位于轮槽两端时的中心距，即槽轮在轮槽内的运动距离，a为与半径r＝r2+d的圆内切的正n边形的边长，r2为滚动轴承外径，d为槽孔挡板处于内极限位置时槽轮中心到滚动轴承外圈的径向距离。
4.根据权利要求1所述可调节轴向槽容积的压缩机机匣进行容积调节的方法，其特征在于：该方法具体如下：
在机匣体的各检测管道处均设置流量检测计，流量检测计的测量值输出给单片机；电机为步进电机，通过单片机控制；取所有流量检测计测量值的平均值为平均流量q，当平均流量q＜1.1qVs时，qVs为槽孔挡板处于内极限位置且压缩机工作出现喘振时机匣体入口处的流量，单片机控制电机正向转动，电机带动齿轮转动，齿轮与弧形齿条啮合直到齿轮位于弧形齿条的一端，从而带动弧形齿条和轮盘相对机匣体做旋转运动，使得槽轮在轮盘的轮槽内滑动，并沿机匣体径向朝外运动到轮槽最外端，此时槽轮通过水平连杆带动竖直杆和槽孔挡板沿机匣体径向朝外运动到最外端，第一槽孔的容积达到最大值，第一槽孔内产生的回流防止喘振的发生，扩大压缩机的工作裕度；直线轴承座给竖直杆提供导向作用，减小槽孔挡板径向朝内或朝外运动时与机匣体的第一槽孔之间的摩擦力；1.1qVs≤q≤1.2qVs时电机不转动，槽孔挡板保持在沿机匣体径向最外端位置；当平均流量q＞1.2qVs时，单片机控制电机反向转动，电机带动齿轮转动，齿轮与弧形齿条啮合直到齿轮位于弧形齿条的另一端，槽轮则在轮盘的轮槽内滑动，并沿机匣体径向朝内运动到轮槽最内端，此时槽轮通过水平连杆带动竖直杆和槽孔挡板沿机匣体径向朝内运动到最内端，第一槽孔的容积达到最小值，第一槽孔内回流减小，能量损失减小，效率及压比提高。
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