CN109578338A - 一种离心压缩机扩压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心压缩机扩压器。现有扩压器通过调节叶片而轮盘不动来改变相对气流角。本发明包括扩压器本体、扩压器齿圈、无级变速器、换向器、两个中间齿轮、主轴驱动齿轮、电子控制单元、流量传感器和转速传感器；电子控制单元根据流量传感器测得的离心压缩机流量和转速传感器测得的主轴转速控制无级变速器和换向器，实现扩压器本体的转速调节和正反向旋转，从而达到不同流量工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配。本发明的扩压器叶片与扩压器轮盘整体以不同的转速和转向旋转，实现不同工况下相对气流角的调节前提下，仍能保持扩压器整体的强度与刚度不被破坏，提高了离心压缩机的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明属于扩压器技术领域，具体涉及一种离心压缩机扩压器。
背景技术
离心压缩机作为工业生产过程中的核心动力设备，广泛应用于石化、冶金、电力、交通等工业领域。扩压器的主要作用是使气流减速增压，是离心压缩机中的重要部件。在离心压缩机非设计工况下，由于气流角与叶片安装角不匹配，流动出现分离，损失增加，压缩机压比和效率会急剧下降。为了实现压缩机在宽流量范围内仍能保持高压比和高效率的性能参数，可以通过调节扩压器叶片与来流的相对气流角相匹配的方法来实现，但是现有的扩压器都是将扩压器叶片与扩压器轮盘通过装配进行连接，通过旋动调节叶片而轮盘不动来实现改变相对气流角。考虑到扩压器内部流动具有压力高、流速大的特点，这种改变相对气流角的方式降低了扩压器整体的强度，不利于离心压缩机可靠运行。
发明内容
本发明的目的是区别于传统的扩压器定子和已有的叶片可旋转调节的扩压器，提出一种新型的用于非设计工况下调节扩压器相对气流角的离心压缩机扩压器。
本发明包括扩压器本体、扩压器齿圈、中间齿轮一、无级变速器、换向器、中间齿轮二、主轴驱动齿轮、电子控制单元、流量传感器和转速传感器；所述的扩压器齿圈固定在扩压器本体的轮盘上，并与扩压器本体的轮盘同轴设置，扩压器齿圈空套于离心压缩机的主轴上并进行轴向定位；所述的中间齿轮一与齿圈啮合，并固定在传动轴一上；传动轴一与无级变速器的输出轴固联，无级变速器的输入轴与换向器的输出轴固联，换向器的输入轴与传动轴二固联，中间齿轮二固定在传动轴二上，并与主轴驱动齿轮啮合；所述的传动轴一和传动轴二均通过轴承支承在离心压缩机的壳体支架上；所述的主轴驱动齿轮固定在离心压缩机的主轴上；流量传感器将测得的离心压缩机流量传给电子控制单元，转速传感器将测得的离心压缩机的主轴转速传给电子控制单元；电子控制单元控制无级变速器和换向器。
所述扩压器本体的正反向旋转和转速调节，具体过程如下：
根据流量与叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小成正比的关系得：
其中，Qs为小流量工况下流量，Qd为离心压缩机的设计工况下流量；DdBd为设计工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小，DsBs为小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小；
又根据△OABd∽△EsABs，且△DdABd∽△DsABs，得：
其中，OA为叶轮出口O处周向线速度大小，OEs为小流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；为叶轮出口处周向线速度，为设计工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为设计工况下叶轮出口的气流绝对速度，为小流量工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度，为小流量工况下扩压器本体入口处周向速度，Dd为Bd在上的投影，Ds为Bs在上的投影。
联立式(1)和(2)得到：
小流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同；
同理，在大流量工况下，由△OABd∽△ElABl，且△DdABd∽△DlABl，推出：
其中，Ql为大流量工况下流量；OEl大流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；为大流量工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为大流量工况下叶轮出口的气流绝对速度，为大流量工况下扩压器本体入口处周向速度，Dl为Bl在上的投影。大流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反。
规定叶轮转动方向为正，将式(3)和式(4)统一写为：
udiff为小流量工况或大流量工况下扩压器本体入口处的周向速度大小统一形式，udiff值为正时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同，udiff值为负时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反；Qx为任意流量工况；ud设计转速工况下叶轮出口处周向线速度大小；
将ud换算为扩压器本体转速得：
其中，Ndiff为设计转速工况下的扩压器本体转速，Nd为离心压缩机的设计转速；Ndiff值为正时，扩压器本体转向与叶轮转向相同，Ndiff值为负时，扩压器本体转向与叶轮转向相反。
电子控制单元根据流量传感器测得的离心压缩机流量和转速传感器测得的离心压缩机的主轴转速控制无级变速器和换向器，实现扩压器本体的转速调节和正反向旋转，从而达到不同流量工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配。
进一步，将Nd替换为任意转速Nx，从而获得任意流量及转速工况下的扩压器本体转速控制计算公式如下：
式中，为任意流量及转速工况下的扩压器本体转速；值为正时，扩压器本体转向与叶轮转向相同，值为负时，扩压器本体转向与叶轮转向相反。
电子控制单元根据流量传感器测得的离心压缩机流量和转速传感器测得的离心压缩机的主轴转速控制无级变速器和换向器，实现扩压器本体的转速调节和正反向旋转，从而达到不同流量和不同转速工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配。
本发明具有的有益效果是：扩压器叶片与扩压器轮盘通过焊接方式刚性连接，扩压器叶片与扩压器轮盘整体通过传动机构驱动以不同的转速和转向旋转，在实现适应不同工况下相对气流角的功能前提下，仍能保持扩压器整体的强度与刚度不被破坏，从而提高了离心压缩机的运行可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为小流量工况下叶轮出口与扩压器本体入口之间的气流速度三角形；
图3为大流量工况下叶轮出口与扩压器本体入口之间的气流速度三角形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种离心压缩机扩压器，包括扩压器本体1、扩压器齿圈2、中间齿轮一3、无级变速器4、换向器5、中间齿轮二6、主轴驱动齿轮7、电子控制单元8(ECU)、流量传感器9和转速传感器10；扩压器齿圈2固定在扩压器本体1的轮盘上，并与扩压器本体1的轮盘同轴设置，扩压器齿圈2空套于离心压缩机的主轴上并进行轴向定位；中间齿轮一3与齿圈2啮合，并固定在传动轴一上；传动轴一与无级变速器4的输出轴固联，无级变速器4的输入轴与换向器5的输出轴固联，换向器5的输入轴与传动轴二固联，中间齿轮二6固定在传动轴二上，并与主轴驱动齿轮7啮合；传动轴一和传动轴二均通过轴承支承在离心压缩机的壳体支架上；主轴驱动齿轮7固定在离心压缩机的主轴上；流量传感器9将测得的离心压缩机流量传给电子控制单元8，转速传感器10将测得的离心压缩机的主轴转速传给电子控制单元8；电子控制单元8控制无级变速器4和换向器5，实现扩压器本体1的转速可变调节和正反向旋转，进而使扩压器入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角一致，以适应不同流量以及叶轮转速工况的流动性能。
图2给出了小流量工况下叶轮出口与扩压器本体入口之间的气流速度三角形，为设计工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，方向与叶轮叶片出口处的切线方向一致，为叶轮出口处周向线速度，即牵连速度，和的合成速度构成设计工况下叶轮出口的气流绝对速度，由于是设计工况，的方向可以认为与静止状态下的扩压器叶片入口安装角相匹配，即在设计工况下，扩压器本体入口的气流相对速度也为根据叶轮机械原理，叶轮出口的气流绝对速度矢量在径向方向的分量大小DdBd代表了流量的大小，假定离心压缩机定转速运行，即牵连速度方向和大小保持不变，又考虑到叶轮叶片出口安装角β固定不变，进而叶轮出口的气流相对速度方向仍然保持与叶轮叶片出口切线方向一致，于是小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小由DdBd减小为DsBs，叶轮出口的气流绝对速度由变化为叶轮出口的绝对气流角由αd减小至αs，最终导致的结果为小流量工况下叶轮出口的绝对气流角与扩压器叶片入口安装角不一致，为保证二者在小流量工况下的匹配关系，对扩压器本体施加一个周向速度该周向速度可以视为叶轮扩压器本体牵连速度，在叶轮出口的气流绝对速度由流量确定的前提下，通过给定一个合适的牵连速度可以获得与扩压器叶片入口安装角相匹配的扩压器叶片入口气流相对速度
图3给出了大流量工况下叶轮出口与扩压器本体入口之间的气流速度三角形，大流量工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小由DdBd增大为DlBl，叶轮出口的气流绝对速度由变化为叶轮出口的绝对气流角由αd增大至αl，最终导致的结果为大流量工况下叶轮出口的绝对气流角与扩压器叶片入口安装角不一致，为保证二者在大流量工况下的匹配关系，对扩压器本体施加一个周向速度该周向速度可以视为叶轮扩压器本体牵连速度，在叶轮出口的气流绝对速度由流量确定的前提下，通过给定一个合适的牵连速度可以获得与扩压器叶片入口安装角相匹配的扩压器叶片入口气流相对速度
关于如何获得扩压器本体旋转速度与流量之间的定量关系，应通过数学中三角形几何相似原理确定。根据流量与叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小成正比的关系得：
其中，Qs为小流量工况下流量，Qd为离心压缩机的设计工况下流量；DdBd为设计工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小，DsBS为小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小；
又根据△OABd∽△EsABs，且△DdABd∽△DsABs，得：
其中，OA为叶轮出口O处周向线速度大小，OEs为小流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；
联立式(1)和(2)得到：
小流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同；
同理，在大流量工况下，由△OABd∽△ElABl，且△DdABd∽△DlABl，推出：
其中，Ql为大流量工况下流量；OEl大流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；与小流量工况不同，大流量工况时需要给扩压器本体提供与叶轮转向相反的速度，因此，大流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反；
为了得到一个统一的公式来概括大流量和小流量工况下扩压器本体入口处的周向速度，规定叶轮转动方向(转速为ω)为正，将式(3)和式(4)统一写为：
udiff为小流量工况或大流量工况下扩压器本体入口处的周向速度大小统一形式，udiff值为正时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同，udiff值为负时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反；Qx为任意流量工况；ud设计转速工况下叶轮出口处周向线速度大小；
将ud换算为扩压器本体转速得：
其中，Ndiff为设计转速工况下的扩压器本体转速，Nd为离心压缩机的设计转速(即叶轮的设计转速)；
同理，该方案可以推广至全转速范围，只需将Nd替换为任意转速Nx即可，从而获得任意流量及转速工况下的扩压器本体转速控制计算公式如下：
式中，为任意流量及转速工况下的扩压器本体转速；值为正时，扩压器本体转向与叶轮转向相同，值为负时，扩压器本体转向与叶轮转向相反。
电子控制单元(ECU)利用式(7)对流量传感器9测得的离心压缩机流量和转速传感器10测得的离心压缩机的主轴转速进行计算处理，输出无级变速器以及换向器的控制参数，实现扩压器本体1的转速可变调节和正反向旋转，从而达到不同流量和不同转速工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配，以减少流动损失，提高压缩机性能的目的。
Claims (3)
1.一种离心压缩机扩压器，包括扩压器本体、扩压器齿圈、中间齿轮一、无级变速器、换向器、中间齿轮二、主轴驱动齿轮、电子控制单元、流量传感器和转速传感器，其特征在于：所述的扩压器齿圈固定在扩压器本体的轮盘上，并与扩压器本体的轮盘同轴设置，扩压器齿圈空套于离心压缩机的主轴上并进行轴向定位；所述的中间齿轮一与齿圈啮合，并固定在传动轴一上；传动轴一与无级变速器的输出轴固联，无级变速器的输入轴与换向器的输出轴固联，换向器的输入轴与传动轴二固联，中间齿轮二固定在传动轴二上，并与主轴驱动齿轮啮合；所述的传动轴一和传动轴二均通过轴承支承在离心压缩机的壳体支架上；所述的主轴驱动齿轮固定在离心压缩机的主轴上；流量传感器将测得的离心压缩机流量传给电子控制单元，转速传感器将测得的离心压缩机的主轴转速传给电子控制单元；电子控制单元控制无级变速器和换向器。
2.根据权利要求1所述的一种离心压缩机扩压器，其特征在于：所述扩压器本体的正反向旋转和转速调节，具体过程如下：
根据流量与叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小成正比的关系得：
其中，Qs为小流量工况下流量，Qd为离心压缩机的设计工况下流量；DdBd为设计工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小，DsBs为小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度径向分量大小；
又根据且得：
其中，OA为叶轮出口O处周向线速度大小，OEs为小流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；为叶轮出口处周向线速度，为设计工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为设计工况下叶轮出口的气流绝对速度，为小流量工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为小流量工况下叶轮出口的气流绝对速度，为小流量工况下扩压器本体入口处周向速度，Dd为Bd在上的投影，Ds为Bs在上的投影；
联立式(1)和(2)得到：
小流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同；
同理，在大流量工况下，由且推出：
其中，Ql为大流量工况下流量；OEl大流量工况下扩压器本体入口处周向速度大小；为大流量工况下叶轮出口的气流相对叶轮的速度，为大流量工况下叶轮出口的气流绝对速度，为大流量工况下扩压器本体入口处周向速度，Dl为Bl在上的投影；大流量工况下扩压器本体入口处周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反；
规定叶轮转动方向为正，将式(3)和式(4)统一写为：
udiff为小流量工况或大流量工况下扩压器本体入口处的周向速度大小统一形式，udiff值为正时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相同，udiff值为负时，扩压器本体入口处的周向速度方向与叶轮出口处周向线速度方向相反；Qx为任意流量工况；ud设计转速工况下叶轮出口处周向线速度大小；
将ud换算为扩压器本体转速得：
其中，Ndiff为设计转速工况下的扩压器本体转速，Nd为离心压缩机的设计转速；Ndiff值为正时，扩压器本体转向与叶轮转向相同，Ndiff值为负时，扩压器本体转向与叶轮转向相反；
电子控制单元根据流量传感器测得的离心压缩机流量和转速传感器测得的离心压缩机的主轴转速控制无级变速器和换向器，实现扩压器本体的转速调节和正反向旋转，从而达到不同流量工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配。
3.根据权利要求2所述的一种离心压缩机扩压器，其特征在于：将Nd替换为任意转速Nx，从而获得任意流量及转速工况下的扩压器本体转速控制计算公式如下：
式中，N‘diff为任意流量及转速工况下的扩压器本体转速；N‘diff值为正时，扩压器本体转向与叶轮转向相同，N‘diff值为负时，扩压器本体转向与叶轮转向相反；
电子控制单元根据流量传感器测得的离心压缩机流量和转速传感器测得的离心压缩机的主轴转速控制无级变速器和换向器，实现扩压器本体的转速调节和正反向旋转，从而达到不同流量和不同转速工况下扩压器本体入口的相对气流角与扩压器叶片入口安装角匹配。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190405 |
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