CN109630469A - 一种叶片串列式扩压器及其控制方法 - Google Patents

一种叶片串列式扩压器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叶片串列式扩压器及其控制方法，适用于压缩空气储能离心压缩机领域，其中的串列式扩压器叶片包括两段独立可调的前缘调节段和尾缘调节段。通过两套独立的前缘调节结构和尾缘调节机构，可以分别改变前缘调节段和尾缘调节段的安装角度。本发明的主要优点是，扩压器在压缩机变工况时可以更好地适应上下游流动状况，叶片通过形成V形结构抑制了表面分离，改善了扩压器内部流场状况，提升了压缩机工作效率，进而提升了储能系统整体效率。

Description

一种叶片串列式扩压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及压缩空气储能离心压缩机领域，涉及一种叶片扩压器，具体涉及一种适用于离心压缩机的叶片串列式扩压器及其控制方法。
背景技术
压缩空气储能技术在电网削峰填谷、可再生能源并网及分布式能源系统中具有重要价值。离心压缩机是储能系统中核心部件，具有排气压力高、工作范围宽、效率高的特点。而扩压器是离心压缩机主要部件之一，主要功能是将压缩机叶轮出口高速气流的动能转变为压力势能。扩压器的流动损失约占整个压缩机的30％，因此，扩压器的性能对整机的效率、压比和运行工况范围等有重要影响。
离心压缩机的扩压器一般分为无叶扩压器和有叶扩压器，有叶扩压器相对无叶扩压器可以提高压缩机的工作效率，但会使压缩机的工作流量范围减小。为了使扩压器在变工况下更好地和叶轮匹配，可以采用可以旋动调节的叶片扩压器。通过调整叶片进口安装角，使压缩机获得宽广的流量范围，虽然这种结构比较复杂，但是仍然是一种获得宽流量范围的方法。
目前常用的可调叶片扩压器的结构是扩压器叶片中间装有旋转轴，通过连杆机构或齿轮进行旋转调节，调节时整个叶片会随旋转轴一起转动，这种结构存在以下问题：(1)根据叶轮出口(扩压器进口)气流角度调节扩压器进口安装角度，虽然减小了进口冲击损失，却忽视了扩压器出口与蜗壳的匹配性能，扩压器出口气流角度不当会造成下游蜗壳内较大的流动损失；(2)流量调节范围窄，即流量过小或过大工况下，可调扩压器表面易发生分离，流动损失增大，使压缩机性能下降。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种叶片串列式扩压器及其控制方法，以减小现有结构存在的流动损失，充分发挥叶片扩压器的扩压能力，提高离心压缩机的性能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：
一种叶片串列式扩压器，包括一环形叶片调节机构以及沿周向均匀布置在所述环形叶片调节机构上的多个串列式扩压器叶片，其特征在于，
每一所述串列式扩压器叶片包括一前缘调节段和一尾缘调节段，所述前缘调节段的后端与所述尾缘调节段的前端可转动地拼接在一起，且所述前缘调节段的前端形成为所述串列式扩压器叶片的前缘，所述尾缘调节段的后端形成为所述串列式扩压器叶片的尾缘，所述前缘调节段与尾缘调节段的压力面共同形成为所述串列式扩压器叶片的压力面，所述前缘调节段与尾缘调节段的吸力面共同形成为所述串列式扩压器叶片的吸力面，
所述前缘调节段的后端底壁上固定设置一向下延伸的空心套管，所述尾缘调节段的前端固定设置一向下延伸的轴杆，且所述轴杆同轴套设在所述空心套管内并向下延伸穿过所述空心套管，
所述空心套管和轴杆分别独立地与所述环形叶片调节机构转动连接，使得所述环形叶片调节机构可独立地带动所述空心套管和轴杆旋转，继而可独立地调节所述前缘调节段和尾缘调节段的安装角。
优选地，各串列式扩压器叶片呈环形均匀分布在压缩机叶轮的出口周围。
优选地，所述环形叶片调节机构包括一前缘调节结构和一位于所述前缘调节结构下方的尾缘调节结构，所述前缘调节结构与各所述前缘调节段的空心套管机械连接，通过转动所述空心套管调节各所述前缘调节段的安装角，所述尾缘调节结构与各所述尾缘调节段的轴杆机械连接，通过转动所述轴杆调节各所述尾缘调节段的安装角。
进一步地，所述前缘调节结构包括一第一环形固定盘和一设置在所述第一环形固定盘外周的第一环形转动盘，所述第一环形转动盘的外缘上至少设置一第一转动致动器且其底面上固定设置多个沿周向布置的第一转动连杆，所述第一环形固定盘的底面上转动连接多个沿周向布置的第一传动连杆，所述第一转动连杆与第一传动连杆一一传动连接，各所述前缘调节段的空心套管穿过所述第一环形固定盘的顶面与设置在底面的第一传动连杆的末端销接，所述第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动继而通过所述第一转动连杆带动所述第一传动连杆的末端转动，继而带动各所述前缘调节段的空心套管转动使得各所述前缘调节段的安装角发生改变。
进一步地，所述尾缘调节结构包括一第二环形固定盘和一设置在所述第二环形固定盘外周的第二环形转动盘，所述第二环形转动盘的外缘上至少设置一第二转动致动器且其底面上固定设置多个沿周向布置的第二转动连杆，所述第二环形固定盘的底面上转动连接多个沿周向布置的第二传动连杆，所述第二转动连杆与第二传动连杆一一传动连接，各所述尾缘调节段的轴杆穿过所述第二环形固定盘的顶面与设置在底面的第二传动连杆的末端销接，所述第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动继而通过所述第二转动连杆带动所述第二传动连杆的末端转动，继而带动各所述尾缘调节段的轴杆转动使得各所述尾缘调节段的安装角发生改变。
进一步地，所述第一转动致动器、第二转动致动器分别为设置在所述第一环形转动盘外缘上的第一转动拉杆、设置在所述第二环形转动盘外缘上的第二转动拉杆。
进一步地，当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以减小各所述前缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的前缘适应压缩机叶轮出口来流，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
进一步地，当压缩机工作流量大于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以增大各所述前缘调节段的安装角，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在压力面形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
本发明的另一个技术目的是提供一种上述叶片串列式扩压器的控制方法，其特征在于，
当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述环形叶片调节机构减小各所述前缘调节段的安装角，再通过所述环形叶片调节机构调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离；
当压缩机工作流量大于设计流量时，首先通过所述环形叶片调节机构增大各所述前缘调节段的安装角，再通过所述环形叶片调节机构调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在压力面形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
进一步地，当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以减小各所述前缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的前缘适应压缩机叶轮出口来流，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
进一步地，当压缩机工作流量大于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以增大各所述前缘调节段的安装角，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在压力面形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
同现有技术相比，本发明的叶片串列式扩压器及其控制方法具有如下优点：(1)本发明的串列式扩压器叶片前后两段可以分开独立调节，叶片出口安装角不再受前段调节角度约束；(2)本发明的串列式扩压器叶片拥有两套独立调节机构，可以分别改变扩压器前后两段安装角度，扩压器前缘可以适应叶轮出口气流状态，调整扩压器尾缘改善下游蜗壳中的流动状态，提高整机性能；(3)在大流量和小流量下，叶片可以形成V形结构，叶片弯折可以很好地抑制表面流动分离，在拓宽压缩机的工作范围时提高了压缩机性能。
附图说明
图1为本发明的叶片串列式扩压器的结构示意图；
图2为本发明中串列式扩压器叶片的结构示意图；
图3为本发明的叶片串列式扩压器在小流量时扩压器叶片的结构图；
图4为本发明的叶片串列式扩压器在大流量时扩压器叶片的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
参照图1和图2，本发明的叶片串列式扩压器，包括环形叶片调节机构以及沿周向均匀布置在环形叶片调节机构上的多个串列式扩压器叶片100，所有串列式扩压器叶片100呈环形均匀分布在压缩机叶轮的出口周围。每一串列式扩压器叶片100由尾缘调节段101和前缘调节段102组成，尾缘调节段101与前缘调节段102通过铰链结构连接在一起，可以在一定角度范围内实现相互独立调节。前缘调节段102的前端形成为串列式扩压器叶片的前缘，尾缘调节段101的后端形成为串列式扩压器叶片的尾缘，前缘调节段102与尾缘调节段101的压力面共同形成为串列式扩压器叶片100的压力面，前缘调节段102与尾缘调节段101的吸力面共同形成为串列式扩压器叶片100的吸力面。前缘调节段102的后端底壁上固定设置一向下延伸的空心套管104，尾缘调节段101的前端固定设置一向下延伸的轴杆103，且轴杆103同轴套设在空心套管104内并向下延伸穿过空心套管104，空心套管104和轴杆103分别独立地与环形叶片调节机构转动连接，使得环形叶片调节机构可独立地带动空心套管104和轴杆103旋转，继而可独立地调节前缘调节段102和尾缘调节段101的安装角。
参照图1，所述环形叶片调节机构包括一前缘调节结构和一位于前缘调节结构下方的尾缘调节结构，其中，前缘调节结构包括一第一环形固定盘3和一设置在第一环形固定盘3外周的第一环形转动盘12，第一环形转动盘的外缘上至少设置一第一转动致动器10且其底面上固定设置多个沿周向布置的第一转动连杆11，第一转动致动器10优选为设置在第一环形转动盘12外缘上的第一转动拉杆，第一环形固定盘3的底面上转动连接多个沿周向布置的第一传动连杆4，第一转动连杆11与第一传动连杆4一一传动连接，优选地，第一转动连杆11与第一传动连杆4通过销连接，中间装有深沟球轴承，两连杆之间可以相对转动。各前缘调节段102的空心套管104穿过第一环形固定盘3的顶面与设置在底面的第一传动连杆4的末端销接，第一转动致动器10带动第一环形转动盘12转动继而通过第一转动连杆11带动第一传动连杆4的末端转动，继而带动各前缘调节段102的空心套管104转动使得各前缘调节段102的前缘安装角发生改变。
尾缘调节结构包括一第二环形固定盘7和一设置在第二环形固定盘7外周的第二环形转动盘8，第二环形转动盘8的外缘上至少设置一第二转动致动器9且其底面上固定设置多个沿周向布置的第二转动连杆5，第二环形固定盘7的底面上转动连接多个沿周向布置的第二传动连杆6，第二转动连杆5与第二传动连杆6一一传动连接，优选地，第一转动连杆11与第一传动连杆4通过销连接，中间装有深沟球轴承，两连杆之间可以相对转动。各尾缘调节段101的轴杆穿过第二环形固定盘7的顶面与设置在底面的第二传动连杆6的末端销接，第二转动致动器9带动第二环形转动盘8转动继而通过第二转动连杆5带动第二传动连杆6的末端转动，继而带动各尾缘调节段101的轴杆转动使得各尾缘调节段101的尾缘安装角发生改变。第二转动致动器9优选为设置在第二环形转动盘8外缘上的第二转动拉杆。
如图3所示，当压缩机工作流量小于设计流量时，叶轮出口气流角变小，气流冲击扩压器叶片压力面，形成正冲角，吸力面易发生流动分离，首先通过前缘调节结构中的第一转动致动器10带动第一环形转动盘12转动，继而通过第一转动连杆11和第一传动连杆4带动各前缘调节段102的空心套管104转动，使前缘调节段102的前缘安装角减小，使得扩压器叶片的前缘适应叶轮出口来流，减小了冲击损失，再通过尾缘调节结构调节尾缘调节段的安装角，使扩压器叶片出口的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段102和尾缘调节段101在吸力面形成V形结构，抑制了表面分离。
如图4所示，当压缩机工作流量大于设计流量时，叶轮出口气流角变大，气流冲击扩压器叶片吸力面，形成负冲角，压力面易发生流动分离，通过前缘调节结构中的第一转动致动器10带动第一环形转动盘12转动，继而通过第一转动连杆11和第一传动连杆4带动各前缘调节段102的空心套管104转动，使前缘调节段102的前缘安装角增大，使得扩压器前缘适应叶轮出口来流，减小了冲击损失，再通过尾缘调节结构调节尾缘调节段安装角，使扩压器叶片出口的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段102和尾缘调节段101在压力面形成V形结构，抑制了表面分离。
以上所述仅为本发明的优选实施例，驱动机构除了连杆机构还可以是齿轮机构等形式，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶片串列式扩压器，包括一环形叶片调节机构以及沿周向均匀布置在所述环形叶片调节机构上的多个串列式扩压器叶片，其特征在于，
每一所述串列式扩压器叶片包括一前缘调节段和一尾缘调节段，所述前缘调节段的后端与所述尾缘调节段的前端可转动地拼接在一起，且所述前缘调节段的前端形成为所述串列式扩压器叶片的前缘，所述尾缘调节段的后端形成为所述串列式扩压器叶片的尾缘，所述前缘调节段与尾缘调节段的压力面共同形成为所述串列式扩压器叶片的压力面，所述前缘调节段与尾缘调节段的吸力面共同形成为所述串列式扩压器叶片的吸力面，
所述前缘调节段的后端底壁上固定设置一向下延伸的空心套管，所述尾缘调节段的前端固定设置一向下延伸的轴杆，且所述轴杆同轴套设在所述空心套管内并向下延伸穿过所述空心套管，
所述空心套管和轴杆分别独立地与所述环形叶片调节机构转动连接，使得所述环形叶片调节机构可独立地带动所述空心套管和轴杆旋转，继而可独立地调节所述前缘调节段和尾缘调节段的安装角。
2.根据权利要求1所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，各串列式扩压器叶片呈环形均匀分布在压缩机叶轮的出口周围。
3.根据权利要求1所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，所述环形叶片调节机构包括一前缘调节结构和一位于所述前缘调节结构下方的尾缘调节结构，所述前缘调节结构与各所述前缘调节段的空心套管机械连接，通过转动所述空心套管调节各所述前缘调节段的安装角，所述尾缘调节结构与各所述尾缘调节段的轴杆机械连接，通过转动所述轴杆调节各所述尾缘调节段的安装角。
4.根据权利要求3所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，所述前缘调节结构包括一第一环形固定盘和一设置在所述第一环形固定盘外周的第一环形转动盘，所述第一环形转动盘的外缘上至少设置一第一转动致动器且其底面上固定设置多个沿周向布置的第一转动连杆，所述第一环形固定盘的底面上转动连接多个沿周向布置的第一传动连杆，所述第一转动连杆与第一传动连杆一一传动连接，各所述前缘调节段的空心套管穿过所述第一环形固定盘的顶面与设置在底面的第一传动连杆的末端销接，所述第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动继而通过所述第一转动连杆带动所述第一传动连杆的末端转动，继而带动各所述前缘调节段的空心套管转动使得各所述前缘调节段的安装角发生改变。
5.根据权利要求4所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，所述尾缘调节结构包括一第二环形固定盘和一设置在所述第二环形固定盘外周的第二环形转动盘，所述第二环形转动盘的外缘上至少设置一第二转动致动器且其底面上固定设置多个沿周向布置的第二转动连杆，所述第二环形固定盘的底面上转动连接多个沿周向布置的第二传动连杆，所述第二转动连杆与第二传动连杆一一传动连接，各所述尾缘调节段的轴杆穿过所述第二环形固定盘的顶面与设置在底面的第二传动连杆的末端销接，所述第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动继而通过所述第二转动连杆带动所述第二传动连杆的末端转动，继而带动各所述尾缘调节段的轴杆转动使得各所述尾缘调节段的安装角发生改变。
6.根据权利要求5所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，所述第一转动致动器、第二转动致动器分别为设置在所述第一环形转动盘外缘上的第一转动拉杆、设置在所述第二环形转动盘外缘上的第二转动拉杆。
7.根据权利要求5所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以减小各所述前缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的前缘适应压缩机叶轮出口来流，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
8.根据权利要求5所述的叶片串列式扩压器，其特征在于，当压缩机工作流量大于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以增大各所述前缘调节段的安装角，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在压力面形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
9.一种上述权利要求1至8所述的叶片串列式扩压器的控制方法，其特征在于，
当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述环形叶片调节机构减小各所述前缘调节段的安装角，再通过所述环形叶片调节机构调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离；
当压缩机工作流量大于设计流量时，首先通过所述环形叶片调节机构增大各所述前缘调节段的安装角，再通过所述环形叶片调节机构调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在压力面形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当压缩机工作流量小于设计流量时，首先通过所述前缘调节结构中的第一转动致动器带动所述第一环形转动盘转动，继而通过所述第一转动连杆和第一传动连杆带动各所述前缘调节段的空心套管转动以减小各所述前缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的前缘适应压缩机叶轮出口来流，再通过所述尾缘调节结构中的第二转动致动器带动所述第二环形转动盘转动，继而通过所述第二转动连杆和第二传动连杆带动各所述尾缘调节段的轴杆转动以调节各所述尾缘调节段的安装角，使各所述串列式扩压器叶片的尾缘的气流方向适应蜗壳内部流场状态，最终使得前缘调节段和尾缘调节段在吸力面上形成V形结构，从而抑制表面气流分离。
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