CN109737100B - 一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置及方法，属于压缩空气储能离心压缩机领域，包括前缘开孔的前置导叶、导气管、尾缘开孔的扩压器叶片，前置导叶通过其转轴中的气流通道与导叶集气环连通，扩压器叶片通过其转轴中的气流通道与扩压器集气环连通，导叶集气环与扩压器集气环通过导气管连通；前置导叶调节过程中，通过转轴角度变化改变进气量，气体经气流通道从叶片表面的通孔排出；扩压器叶片调节过程中，通过转轴角度变化改变抽气量，气体由叶片表面的通孔引出；本发明通过前置导叶和扩压器叶片的转动与叶片抽排气共同作用实现变工况条件下离心压缩机效率的提高。

Description

一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置及方法

技术领域

本发明属于压缩空气储能离心压缩机领域，涉及一种离心压缩机的气流导向装置及方法，特别是涉及一种离心压缩机使用的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置与调节方法。

背景技术

压缩空气储能所用离心压缩机在实际运行中其运行工况会因需求不同与系统负荷变化而发生改变，为适应这种需要改变，保证压缩机正常高效运行需要对其进行调节。在工况改变时通过安装可调导叶与可调扩压器来引导气流调整速度方向，使气流与叶片间的冲角始终能够保持在一个合理范围内，从而降低流动损失提高系统效率。

目前采用的调节技术中通常采用单独可调导叶、单独可调扩压器，或通过简单机械结构实现两部件的联动调节。这些调节假定调节过程中流动不发生分离，沿调节叶片面流动。但实际工作中，当调节过程叶片冲角过大时，会使气流通过叶片时发生流动分离并于叶片面附近产生低速区域，而产生很大的总压损失。且在这类调节过程中无法考虑两部件内不良流动现象并合理地进行抑制。因此，在某些调节工况下不但不能有效提高效率，反而有可能造成效率的下降。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的是提供一种离心压缩机使用的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置与调节方法，调节过程中可实现对前置导叶以及扩压器叶片表面流动分离的有效抑制，减少总压损失并提高压缩机工作效率。

为了解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：

一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，包括设置在离心压气机进气流道中的进气流量调节装置以及设置在离心压气机叶轮出口处并位于压气机蜗壳中的有叶扩压器，其特征在于，

所述进气流量调节装置包括多个沿周向均匀布置在离心压气机进气流道中并沿径向延伸且安装角可调的前置导叶、一导叶集气环和一导叶安装角调节机构，所述有叶扩压器包括多个垂直设置在扩压器本体上并沿周向均匀布置且安装角可调的扩压器叶片、一扩压器集气环和一扩压器叶片安装角调节机构，所述导叶集气环、导叶安装角调节机构均设置在所述进气流道的侧壁机匣内，所述扩压器集气环、扩压器叶片安装角调节机构均设置在所述扩压器本体内，其中，

每一所述前置导叶、扩压器叶片的中空腔体中均设置一从叶片前缘延伸至叶片尾缘的隔板，从而将所述中空腔体分隔为靠近叶片吸力面的第一腔体和靠近叶片压力面的第二腔体；

每一所述前置导叶的吸力面和压力面上靠近叶片前缘处均设有多个沿展向分布并与中空腔体连通的通孔；每一所述扩压器叶片的吸力面和压力面上靠近叶片尾缘处均设有多个沿展向分布并与中空腔体连通的通孔；

每一所述前置导叶、扩压器叶片的底壁上均固定设置一向外延伸的转轴，所述转轴内设有沿轴线延伸的第一通道和第二通道，所述第一通道、第二通道分别与所述第一腔体、第二腔体连通；

所述导叶集气环的内侧壁上、所述扩压器集气环的外端面上，分别沿周向均匀固定设置有多个与集气环内腔连通的通气支管，每一所述通气支管靠近出口的内壁上均设置一基本呈半圆形的挡板；

每一所述转轴的外径基本与所述通气支管的内径相当，且每一所述转轴的末端均以可转动的方式插设在一所述通气支管的出口位置并顶抵在所述挡板的外表面上，使得每一所述转轴均通过一所述通气支管与集气环内腔连通；

每一所述前置导叶、扩压器叶片的转轴分别与所述导叶安装角调节机构、扩压器叶片安装角调节机构传动连接，所述导叶安装角调节机构、扩压器叶片安装角调节机构分别通过带动每一所述前置导叶、扩压器叶片的转轴旋转以调节各所述前置导叶、扩压器叶片的安装角，当每一所述转轴旋转至基准位置时，所述第一通道和第二通道均被所述挡板遮蔽而关闭，当所述转轴沿第一旋转方向逐渐偏离基准位置时，所述第一通道逐渐打开而所述第二通道关闭，当所述转轴沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向逐渐偏离基准位置时，所述第二通道逐渐打开而所述第一通道关闭；

所述导叶集气环与扩压器集气环通过一至少带有气量调节阀的导气管连通，所述导气管用以将所述扩压器集气环中的高压气体输送至所述导叶集气环中。

本发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其工作原理为：

处于离心压气机叶轮出口位置的有叶扩压器，扩压器叶片附近的气体压力高于处于进气流道中的前置导叶，在前置导叶、扩压器叶片的转轴分别偏离基准位置时，高压气体通过扩压器叶片吸力面或压力面上的通孔进入第一腔体或第二腔体，并通过扩压器叶片转轴上的第一通道或第二通道进入扩压器集气环中，之后扩压器集气环中的高压气体通过导气管输送至导叶集气环中，导叶集气环中的高压气体通过前置导叶转轴上的第一通道或第二通道进入前置导叶的第一腔体或第二腔体中，并通过前置导叶吸力面或压力面上的通孔吹入进气流道中，通过这样的方式，有叶扩压器中的高压气体，从扩压器的叶片表面吸入，并从前置导叶的叶片表面排出，形成了气流从有叶扩压器向前置导叶的流动。

优选地，所述导气管上至少带有一气量调节阀，所述气量调节阀用以控制所述导气管中气流的流量与压力。

优选地，所述第一通道、第二通道的截面形状至少在所述转轴的末端面处形成为两个对称的扇形面。

进一步地，每一所述扇形面的圆心角为90°，且所述转轴以基准位置为参考，向第一旋转方向和第二旋转方向的极限旋转角度均为90°。

优选地，每一所述转轴和与其对应的所述通气支管之间密封圈。

优选地，当所述前置导叶的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述前置导叶的吸力面上排出；当所述前置导叶的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述前置导叶的压力面上排出。通过高压气体对出现不良流动表面的冲刷，改善流动分离。

进一步地，通过调节所述前置导叶的转轴相对于基准位置的角度大小，调节高压气体从所述前置导叶的吸力面或压力面上排出的流量及压力大小；通过调节所述前置导叶的转轴相对于基准位置的角度大小，调节从所述前置导叶的吸力面或压力面上排出高压气体的流量。

优选地，当所述扩压器叶片的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的吸力面上吸入；当所述扩压器叶片的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的压力面上吸入。通过对出现不良流动表面的高压气体进行抽吸，改善流动分离。

进一步地，通过调节所述扩压器叶片的转轴相对于基准位置的角度大小，调节从所述扩压器叶片的吸力面或压力面上引入高压气体的流量。

优选地，当所述前置导叶或扩压器叶片的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴均停留在基准位置上。

本发明的另一个技术目的在于提供一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节的方法，所述方法在实施时基于本发明的上述抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，

当所述前置导叶的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述前置导叶的吸力面上排出；当所述前置导叶的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述前置导叶的压力面上排出；

当所述扩压器叶片的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的吸力面上吸入；当所述扩压器叶片的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的压力面上吸入；

当所述前置导叶或扩压器叶片的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴均停留在基准位置上。

同现有技术相比，本发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置及方法可大大拓宽离心压缩机变工况运行范围，改善压缩机偏离工况下静叶调节时叶片面流动分离影响，从而有效保证导叶与扩压器调节效果，使压缩机高效变工况范围显著增大；直接通过调节过程中叶片转动实现进、排气量的合理给定，结构简单易行，避免过多运动部件带来的不利影响；此外，该调节装置易于直接于原压缩机装置进行小的调整下实施，便于工程实践应用。

附图说明

图1为本发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置示意图；

图2为本发明装置中前置导叶的结构示意图，其中，(A)为侧视图，(B)为A向俯视图，(C)为叶片横截面示意图；

图3为本发明装置中扩压器叶片的结构示意图，其中，(A)为侧视图，(B)为A向俯视图，(C)为叶片横截面示意图；

图4为本发明装置中通气支管的结构示意图，其中，(A)为正视图，(B)为A-A向纵截面示意图，(C)为B-B向横截面示意图。

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。

如图1所示，本发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，包括设置在离心压气机进气流道中的进气流量调节装置100以及设置在离心压气机叶轮出口处并位于压气机蜗壳中的有叶扩压器200，进气流量调节装置100包括多个沿周向均匀布置在离心压气机进气流道中并沿径向延伸且安装角可调的前置导叶110、一导叶集气环120和一导叶安装角调节机构(图中未示出)，有叶扩压器200包括多个垂直设置在扩压器本体上并沿周向均匀布置且安装角可调的扩压器叶片210、一扩压器集气环220和一扩压器叶片安装角调节机构(图中未示出)，导叶集气环120、导叶安装角调节机构均设置在进气流道的侧壁机匣(图中未示出)内，扩压器集气环220、扩压器叶片安装角调节机构均设置在扩压器本体(图中未示出)内，导叶集气环120与扩压器集气环200通过一带有气量调节阀310的导气管300连通，导气管300用以将扩压器集气环220中的高压气体输送至导叶集气环110中。

如图2所示，前置导叶110中，中空叶片的吸力面和压力面两侧靠近叶片前缘处均设有多个沿展向分布的通孔111，叶片的中空腔体中设置一从叶片前缘延伸至叶片尾缘的隔板112，从而将叶片的中空腔体分隔为靠近叶片吸力面的第一腔体113和靠近叶片压力面的第二腔体114；叶片的底壁上固定设置一向外延伸的转轴115，转轴115内设有沿轴线延伸的第一通道116和第二通道117，第一通道116、第二通道117分别与第一腔体113、第二腔体114连通；各通道在导叶轴端出口处的截面呈现为圆心角为90°的扇形；每一转轴115均通过设置在其侧面的机械结构118(如齿轮、连杆等)分别与导叶安装角调节机构传动连接，导叶安装角调节机构通过带动各转轴115的旋转以调节各前置导叶110的安装角。

如图3所示，扩压器叶片210的通气结构与前置导叶110基本相同，中空叶片的吸力面和压力面两侧靠近叶片前缘处均设有多个沿展向分布的通孔211，叶片的中空腔体中设置一从叶片前缘延伸至叶片尾缘的隔板212，从而将叶片的中空腔体分隔为靠近叶片吸力面的第一腔体213和靠近叶片压力面的第二腔体214；叶片的底壁上固定设置一向外延伸的转轴215，转轴215内设有沿轴线延伸的第一通道216和第二通道217，第一通道216、第二通道217分别与第一腔体213、第二腔体214连通；各通道在导叶轴端出口处的截面呈现为圆心角为90°的扇形；每一转轴215均通过设置在其侧面的机械结构218(如齿轮、连杆等，图中示出的是一个传动连杆)分别与扩压器叶片安装角调节机构传动连接，扩压器叶片安装角调节机构通过带动各转轴215的旋转以调节各扩压器叶片210的安装角。

结合图1、4，导叶集气环120的内侧壁上、扩压器集气环220的外端面上，沿周向均匀固定设置有多个与集气环内腔连通的通气支管400，每一通气支管400靠近出口的内壁上均设置一基本呈半圆形的挡板401。每一转轴115、215的外径基本与通气支管400的内径相当，且每一转轴115、215的末端均以可转动的方式插设在一通气支管400的出口位置并顶抵在挡板401的外表面上，使得每一转轴115、215均通过一通气支管400与集气环内腔连通，并优选地于两端面间设置密封圈进行密封。

当每一转轴115、215旋转至基准位置时，第一通道116、216和第二通道117、217均被挡板401遮蔽而关闭，当转轴115、215沿第一旋转方向逐渐偏离基准位置时，第一通道116、216逐渐打开而第二通道117、217关闭，当转轴115、215沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向逐渐偏离基准位置时，第二通道117、217逐渐打开而第一通道116、216关闭。

本发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其工作原理为：

处于离心压气机叶轮出口位置的有叶扩压器200，扩压器叶片210附近的气体压力高于处于进气流道中的前置导叶110，在前置导叶110、扩压器叶片210的转轴115、215分别偏离基准位置时，高压气体通过扩压器叶片210的吸力面或压力面上的通孔211进入第一腔体213或第二腔体214，并通过扩压器叶片210的转轴215上的第一通道216或第二通道217进入扩压器集气环220中，之后扩压器集气环220中的高压气体通过导气管300输送至导叶集气环120中，导叶集气环120中的高压气体通过前置导叶转轴115上的第一通道116或第二通道117进入前置导叶110的第一腔体113或第二腔体114中，并通过前置导叶吸力面或压力面上的通孔111吹入进气流道中，通过这样的方式，有叶扩压器200中的高压气体，从扩压器叶片210的表面吸入，并从前置导叶110的叶片表面排出，形成了气流从有叶扩压器200向前置导叶110的流动。导气管300上至设置气量调节阀310，用以控制所述导气管300中气流的流量与压力。

当前置导叶110的吸力面上出现流动分离时，其转轴115从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使第一通道116打开、第二通道117关闭，转动角度离基准位置越大，第一通道116打开的通道面积也增大，且与转角呈正比例关系，高压气体从前置导叶110的吸力面上排出；当前置导叶110的压力面上出现流动分离时，其转轴115从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使第二通道117打开、第一通道116关闭，转动角度离基准位置越大，第二通道117打开的通道面积也增大，高压气体从前置导叶110的压力面上排出。通过高压气体对出现不良流动表面的冲刷，改善流动分离。当前置导叶110的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴115均停留在基准位置上。

扩压器叶片210的调节方式与扩压器叶片210类似。当扩压器叶片210的吸力面上出现流动分离时，其转轴215从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使第一通道216打开、第二通道217关闭，转动角度离基准位置越大，第一通道216打开的通道面积也增大，且与转角呈正比例关系，高压气体从扩压器叶片210的吸力面上引入；当扩压器叶片210的压力面上出现流动分离时，其转轴215从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使第二通道217打开、第一通道216关闭，转动角度离基准位置越大，第二通道117打开的通道面积也增大，高压气体从扩压器叶片210的压力面上引入。通过高压气体对出现不良流动表面的抽吸，改善流动分离。当扩压器叶片210的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴115均停留在基准位置上。另外，在工况范围呈现其他需要时，通过气量调节阀310来控制导气管300内流量与压力，实现离心压缩机高效变工况运行。

发明的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置及方法，可大大拓宽离心压缩机变工况运行范围，改善压缩机偏离工况下静叶调节时叶片面流动分离影响，从而有效保证导叶与扩压器调节效果，使压缩机高效变工况范围显著增大；直接通过调节过程中叶片转动实现进、排气量的合理给定，结构简单易行，避免过多运动部件带来的不利影响；此外，该调节装置易于直接于原压缩机装置进行小的调整下实施，便于工程实践应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，包括设置在离心压气机进气流道中的进气流量调节装置以及设置在离心压气机叶轮出口处并位于压气机蜗壳中的有叶扩压器，其特征在于，

所述进气流量调节装置包括多个沿周向均匀布置在离心压气机进气流道中并沿径向延伸且安装角可调的前置导叶、一导叶集气环和一导叶安装角调节机构，所述有叶扩压器包括多个垂直设置在扩压器本体上并沿周向均匀布置且安装角可调的扩压器叶片、一扩压器集气环和一扩压器叶片安装角调节机构，所述导叶集气环、导叶安装角调节机构均设置在所述进气流道的侧壁机匣内，所述扩压器集气环、扩压器叶片安装角调节机构均设置在所述扩压器本体内，其中，

每一所述前置导叶、扩压器叶片的中空腔体中均设置一从叶片前缘延伸至叶片尾缘的隔板，从而将所述中空腔体分隔为靠近叶片吸力面的第一腔体和靠近叶片压力面的第二腔体；

每一所述前置导叶的吸力面和压力面上靠近叶片前缘处均设有多个沿展向分布并与中空腔体连通的通孔；每一所述扩压器叶片的吸力面和压力面上靠近叶片尾缘处均设有多个沿展向分布并与中空腔体连通的通孔；

每一所述前置导叶、扩压器叶片的底壁上均固定设置一向外延伸的转轴，所述转轴内设有沿轴线延伸的第一通道和第二通道，所述第一通道、第二通道分别与所述第一腔体、第二腔体连通；

所述导叶集气环的内侧壁上、所述扩压器集气环的外端面上，分别沿周向均匀固定设置有多个与集气环内腔连通的通气支管，每一所述通气支管靠近出口的内壁上均设置一基本呈半圆形的挡板；

每一所述转轴的外径基本与所述通气支管的内径相当，且每一所述转轴的末端均以可转动的方式插设在一所述通气支管的出口位置并顶抵在所述挡板的外表面上，使得每一所述转轴均通过一所述通气支管与集气环内腔连通；

每一所述前置导叶、扩压器叶片的转轴分别与所述导叶安装角调节机构、扩压器叶片安装角调节机构传动连接，所述导叶安装角调节机构、扩压器叶片安装角调节机构分别通过带动每一所述前置导叶、扩压器叶片的转轴旋转以调节各所述前置导叶、扩压器叶片的安装角，当每一所述转轴旋转至基准位置时，所述第一通道和第二通道均被所述挡板遮蔽而关闭，当所述转轴沿第一旋转方向逐渐偏离基准位置时，所述第一通道逐渐打开而所述第二通道关闭，当所述转轴沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向逐渐偏离基准位置时，所述第二通道逐渐打开而所述第一通道关闭；

所述导叶集气环与扩压器集气环通过一导气管连通，所述导气管用以将所述扩压器集气环中的高压气体输送至所述导叶集气环中；

所述导气管上至少带有一气量调节阀，所述气量调节阀用以控制所述导气管中气流的流量与压力；

所述第一通道、第二通道的截面形状至少在所述转轴的末端面处形成为两个对称的扇形面。

2.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，每一所述扇形面的圆心角为90°，且所述转轴以基准位置为参考，向第一旋转方向和第二旋转方向的极限旋转角度均为90°。

3.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，每一所述转轴和与其对应的所述通气支管之间设置有密封圈。

4.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，当所述前置导叶的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述前置导叶的吸力面上排出；当所述前置导叶的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述前置导叶的压力面上排出。

5.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，通过调节所述前置导叶的转轴相对于基准位置的角度大小，调节高压气体从所述前置导叶的吸力面或压力面上排出的流量及压力大小。

6.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，当所述扩压器叶片的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的吸力面上吸入；当所述扩压器叶片的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的压力面上吸入。

7.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，通过调节所述扩压器叶片的转轴相对于基准位置的角度大小，调节从所述扩压器叶片的吸力面或压力面上引入高压气体的流量。

8.根据权利要求1所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，当所述前置导叶或扩压器叶片的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴均停留在基准位置上。

9.一种抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节的方法，基于上述权利要求1~8任一项所述的抽排气前置导叶与有叶扩压器联合调节装置，其特征在于，当所述前置导叶的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述前置导叶的吸力面上排出；当所述前置导叶的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述前置导叶的压力面上排出；

当所述扩压器叶片的吸力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第一旋转方向进行旋转，使所述第一通道打开、第二通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的吸力面上吸入；当所述扩压器叶片的压力面上出现流动分离时，其转轴从基准位置沿第二旋转方向进行旋转，使所述第二通道打开、第一通道关闭，高压气体从所述扩压器叶片的压力面上吸入；

当所述前置导叶或扩压器叶片的吸力面和压力面上均未出现流动分离时，转轴均停留在基准位置上。