CN110273857B - 离心式压缩机开式叶轮 - Google Patents

Abstract

一种离心式压缩机叶轮(60；160)，其具有轮毂(62；162)，所述轮毂(62；162)具有从前端延伸到后端的气路表面(64；164)。多个叶片(70A、70B；170)从所述轮毂气路表面延伸，并且每个叶片具有：前缘(72A、72B；172)；后缘(74A、74B；174)；第一面(80A、80B；180)；第二面(82A、82B；182)；以及尖端(78A、78B；178)。多个分流器区段(120、122；320、322)在所述叶片中的两个相关叶片之间延伸，并且每个分流器区段与所述轮毂气路表面和所述两个相关叶片的所述尖端两者间隔开。

Description

离心式压缩机开式叶轮

相关申请的交叉引用

要求保护于2018年3月14日提交且名称为“离心式压缩机开式叶轮”的第62/642,827号美国专利申请，所述专利申请的公开内容通过引用整体并入本文，如同详细阐述一样。

背景技术

本公开涉及离心式压缩机。更具体地，本公开涉及离心式压缩机叶轮配置。

离心式压缩机通常用于蒸气压缩系统(例如，制冷)。叶轮设计和压缩机设计的其他方面有几个考虑因素。

叶轮广义表征为两组：开式或半开式叶轮(unshrouded impeller)；以及闭式叶轮(shrouded impeller)。这两组都形成具有轮毂和轮叶(也称为“叶片”)的叶轮，所述轮叶从轮毂向外延伸。轮毂外表面从上游端或前端(轴向入口)轴向地延伸，然后径向向外延伸到下游端(径向出口)。因此，靠近上游端的轮叶通常从轮毂径向向外突出并且从轮毂朝向下游端轴向突出。

利用闭式叶轮，整体护罩围绕轮叶使得轮叶延伸穿过轮毂表面与护罩表面之间的流动路径。示例性闭式叶轮经由合金的铸造和机加工而整体形成。护罩极大地加固了轮叶并降低了振动的趋势。这可以允许使用比在等效开式叶轮中相对更薄的轮叶结构，其中所述轮叶仅固定在轮毂处。

在开式叶轮情况下，轮叶的边缘与压缩机上的单独护罩紧密界接。在叶轮与护罩之间可以存在位置控制以平衡由于泄漏而导致的效率损失，从而防止叶轮与护罩接触引起的损坏风险。

开式叶轮提供某些易于制造的考虑因素。例如，轮叶可以容易地加工(铸入式轮叶的完全加工或精加工)。开式叶轮还允许针对特定的最终用途定制叶片几何形状。例如，对于不同的压缩机模型或子模型，一个基本叶轮铸件可以使其叶片以不同方式机加工(例如，机加工到不同高度)。

另外地，几种压缩机驱动配置与离心压缩机一起使用。在直接驱动压缩机中，叶轮安装到马达轴。在齿轮传动压缩机中，变速器介于马达与叶轮之间。例如，齿轮传动减速可以在马达轴上具有与叶轮轴上的小齿轮配合的大齿轮。这可以用于叶轮转速低的大容量压缩机情况。

另外的其他变型包括多叶轮压缩机。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种离心式压缩机叶轮，其包括轮毂，所述轮毂具有从前端延伸到后端的气路表面。多个叶片从所述轮毂气路表面延伸并且每个叶片具有：前缘；后缘；第一面；第二面；以及尖端。多个分流器区段在所述叶片中的两个相关叶片之间延伸。每个分流器区段与所述轮毂气路表面和所述两个相关叶片的所述尖端两者间隔开。

可选地，所述多个分流器区段在从所述前缘到所述后缘的流动路径长度的上游三分之一或下游三分之一以内。

可选地，所述多个分流器区段是第一多个分流器区段，并且所述叶轮还包括第二多个分流器区段，所述第二多个分流器区段在所述叶片之间延伸并且与所述轮毂气路表面和所述叶片的所述尖端两者间隔开。

可选地，所述第一多个分流器区段在从所述前缘到所述后缘的流动路径长度的上游三分之一以内，并且所述第二多个分流器区段在从所述前缘到所述后缘的所述流动路径长度的下游三分之一以内。

可选地，所述多个叶片是第一多个叶片。第二多个叶片从所述轮毂气路表面延伸并且每个叶片具有：前缘；后缘；第一面；第二面；以及尖端。所述第二多个叶片的所述前缘相对于所述第一多个叶片的所述前缘向下游凹陷。所述多个分流器区段可以在所述第二多个叶片的所述前缘的上游。

可选地，所述多个分流器区段是第一多个分流器区段，并且所述叶轮还包括第二多个分流器区段，所述第二多个分流器区段在所述第一多个叶片与所述第二多个叶片的叶片之间延伸并且与所述轮毂气路表面以及所述第一多个叶片和所述第二多个叶片的所述尖端两者间隔开。

可选地，所述轮毂、所述多个叶片以及所述多个分流器区段形成为单一整体金属铸件。

可选地，所述多个分流器区段形成圆周环。

可选地，所述轮毂和所述多个叶片形成为第一单一金属铸件，并且所述圆周环与所述第一单一金属铸件分开形成。

可选地，所述轮毂和所述多个叶片包括第一合金，并且所述圆周环包括与所述第一合金不同的第二合金。

可选地，所述第一合金是铝合金；并且所述第二合金是钛合金。

可选地，所述轮毂、所述多个叶片以及所述多个分流器区段形成为单一整体玻璃纤维填充尼龙。

可选地，所述叶轮具有轴向入口和径向出口。

可选地，所述叶轮具有轴向入口和轴向出口。

可选地，一种压缩机包括所述压缩机叶轮，并且还包括壳体，所述壳体具有入口孔和出口孔；以及马达，其安装在所述壳体内。所述压缩机叶轮联接到所述马达以被驱动围绕叶轮轴线旋转。护罩面向所述尖端。

可选地，一种用于使用所述压缩机的方法包括使所述马达运转以驱动所述压缩机叶轮以驱动从所述入口到所述出口的流动，其中所述流动的至少25%通过所述多个分流器区段的径向外侧并且所述流动的至少25%通过所述多个分流器区段的径向内侧。

可选地，一种用于制造所述压缩机叶轮的方法包括：形成第一合金的所述多个分流器区段；以及形成与所述第一合金不同的第二合金的所述多个叶片。

可选地，所述制造方法包括增材制造。

可选地，所述制造方法包括增材制造所述多个分流器区段和所述多个叶片两者。

可选地，一种用于制造所述压缩机叶轮的方法包括增材制造所述多个分流器区段和所述多个叶片两者作为一个单元。

本公开的另一方面涉及一种离心式压缩机叶轮，其包括轮毂，所述轮毂具有从前端延伸到后端的气路表面。多个叶片从所述轮毂气路表面延伸并且每个叶片具有：前缘；后缘；第一面；第二面；以及尖端。圆周环在所述叶片之间延伸并且与所述轮毂气路表面和所述叶片的所述尖端两者间隔开。

在附图及下文描述中陈述一个或多个实施方案的细节。从具体实施方式、附图说明及权利要求书，其他特征、目的以及优点将显而易见。

附图说明

图1是压缩机的正视图。

图2是图1的压缩机沿线2-2截取的纵向剖视图。

图2A是图2的压缩机的叶轮区域的放大视图。

图3是叶轮的正视图。

图4是叶轮沿图3的线4-4截取的局部轴向剖视图。

图5是叶轮的局部侧视图。

图6是第二叶轮的中心轴向剖视图。

图7是叶轮上的环-轮叶交叉的局部横向剖视图。

在各个附图中，相同的附图标记和名称指示相同的元件。

具体实施方式

图1示出了具有壳体或外壳(组件) 22的压缩机20，所述壳体或外壳22具有入口或吸入口24和出口或排出口26。吸入口与排出口之间的流动路径可以压缩蒸气流400 (图2)。

图2将压缩机20示为在壳体的马达外壳部分中包括马达30。所述马达具有定子32和转子34。转子34包括轴36，所述轴36向外延伸以与变速器40配合并驱动所述变速器。示例性变速器40包括驱动齿轮42，所述驱动齿轮42与轴36配合以围绕轴的轴线502驱动。示例性轴36由轴承44、46支撑以围绕轴线502旋转。变速器40还包括从动齿轮50，所述从动齿轮50安装到叶轮轴52，所述叶轮轴52通过轴承54和56保持围绕轴500旋转。叶轮60安装到叶轮轴52的前端部。叶轮具有轮毂62，所述轮毂62具有沿穿过压缩机的流动路径的外侧表面(气路表面) 64 (图2A)。叶轮轮毂的内径(ID)表面容纳叶轮轴52。

叶轮60包括从表面64突出的多个轮叶(也称为叶片)。示例性叶轮被配置有两组叉指式轮叶70A和70B (图5)。示例性轮叶70A沿流动路径较长，在叶轮的入口端处具有前缘72A。轮叶70B的前缘72B是凹陷的。轮叶的下游边缘或后缘74A、74B可以沿流动路径处于相同位置处。在所示实施方案中，下游边缘沿叶轮的径向出口轴向延伸。轮叶在表面64处具有近侧或内侧边界(图4)并且延伸到用作叶片尖端的外侧边缘78A或远侧边缘78B。轮叶具有相对的第一表面(面) 80A、80B和第二表面(面) 82A、82B (图3)。轮叶高度可以被测量为垂直于表面64测量的边缘78A、78B的距离。轮叶高度的备选参数可以是轮叶在入口端处的径向跨度或轮叶在出口端处的轴向跨度。

图2还示出了固定护罩90和其上游的入口引导轮叶阵列94。引导轮叶可以通过致动器(例如，伺服马达等)围绕所述引导轮叶的相应轴线旋转。示例性致动涉及单个致动器，所述致动器经由齿轮传动或滑轮相互作用同步地移动所有轮叶。图2还示出了扩散器100，所述扩散器具有在叶轮出口与对排出口供给的排放室104之间延伸的扩散器通道102。

如上所述，压缩机说明了可以应用以下教导的多个压缩机的一个示例。

在图3中，所示叶轮包括一对环120、122。示例性环是基本上完全周向延伸(例如，不具有轴向或径向螺旋)的圆周环。示例性第一环120在沿叶轮的流动路径的上游三分之一处在第二轮叶70B的前方间隔开，以便在相邻第一轮叶70A之间限定区段。

示例性环120具有从上游(前缘)边缘130 (图5)延伸到下游(后缘)边缘132的大致矩形中心轴向横截面(图4)。因此，环120及其区段还具有内侧面或表面134 (图4)和外侧面或表面136。内侧表面134面向并且相对靠近轮毂气路表面64。备选的横截面的弓形程度可以更大以符合流动路径的弯曲。

第二环122在沿叶轮的流动路径长度的下游三分之一以内。示例性第二环122也具有大致矩形横截面，所述大致矩形横截面具有前缘140 (图3)、后缘142、内侧面144 (图5)以及外侧面146。第二环122横跨所有轮叶(因此其区段各自在第一轮叶中的一者与第二轮叶中的一者之间延伸)。

通过使区段的面136、146从边缘78A、78B凹陷，环120、122因此各自将流动通过叶轮分成内侧部分(在一侧的表面64与另一侧的面134和144之间)和外侧部分(在一侧的护罩与另一侧的面136和146之间)。示例性凹陷可以使轮叶高度的至少10%超出面136和146。因此，可选地，环区段可以被描述为将流动分成内侧部分和外侧部分的分流器区段。

环120、122的存在可以限制叶轮在期望速度范围内的共振行为。这可能具有几个后果中的一者或多者，包括允许更薄/更轻/更有效的轮叶，允许更高速的操作，允许减少其他防振措施，以及改善使用寿命。

示例性第一环120被示为沿轮叶70A的高度凹陷。即使在使用一种形式的叶轮前体(例如，具有叶片前体的原始铸件或具有已经在最大高度处形成的其他全功能叶片的机加工铸件)时，该凹陷也允许机加工边缘78A、78B以选择给定应用的叶片高度。类似地，环122从后缘74A、74B径向凹陷。这也允许在叶轮出口处径向修整叶轮。

可以使用其他常规或尚未开发的材料和技术来制造系统。用于制造整体环的特定方法是砂型铸造、注塑模具或五轴轧机。这可以是单一的单合金铸件，所述单合金铸件与轮叶和一个或多个环一起形成轮毂的至少一部分。例如，一些已知的叶轮的特征在于铸造在钢轮毂芯/衬套上的铝合金。

可以使用增材制造技术。诸如当一个或多个环与叶轮轮毂和轮叶由不同的材料制成时可以使用增材制造(参见图7)。在一个示例中，使用多路供给增材制造设备(例如，熔融沉积模型(FDM)等)，其中一路供给用于叶轮轮毂和轮叶材料，而另一路供给用于环形材料。相对于轮毂/轮叶材料，环材料可以是更昂贵的材料、更坚固的材料以及更少可机加工的材料中的一种或多种。例如，考虑用于轮毂/轮叶的铝合金(例如，按重量计的大部分Al)和用于一个或多个环的钛合金(例如，按重量计的大部分Ti)。在这种方法中，每个环的环合金可以形成穿过轮叶的连续完整环以便增强卡箍强度(hoop strength)。

诸如通过机加工然后包覆铸造轮毂/轮叶，备选的双金属制造涉及预先形成一个或多个环。

备选制造涉及非金属材料。一个示例是使用玻璃纤维填充聚合物，诸如玻璃纤维填充聚酰胺(例如，尼龙12 GF)。各等级的尼龙12 GF可商购获得以用于激光烧结制造技术。因此，通过选择性激光烧结(SLS)对包括轮叶和一个或多个环的叶轮的整体增材制造是一种可能的技术。

图6示出了用于混流式压缩机的备选叶轮160，其中叶轮具有轴向入口和轴向出口。在图6中，与图3至图5中所示那些相当的用于部件的附图标记被增加100。因此，例如，在图6中有前边缘240，其与图3中的前边缘140相当。尽管有轴向出口，但是气路仍然基本上从叶轮入口到叶轮出口径向发散。因此，叶轮出口处的示例性气路外径仍然是叶轮入口处的示例性气路外径的至少约130%，并且轮毂表面与轮叶OD之间的中值更加发散(例如，出口处的中值直径为入口处的中值直径的至少约150%)。

该特定示例具有由与轮叶不同的材料形成的环，但是单一的整体变型也是可能的。叶轮具有轮毂162，所述轮毂162具有气路表面164和从其中径向向外延伸的轮叶17。叶轮160相对于叶轮60的两个示例性差异是轴向出口和缺少两个不同长度的轮叶170。因此，轮叶170各自具有前缘172、后缘174、外侧或远侧边缘78、第一面80以及相对第二面82。

说明书中和所附权利要求中的“第一”、“第二”等的使用仅仅是为了在所述权利要求内进行区分，而未必指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，权利要求中将一个元件表示为“第一”(或类似表述)不排除此类“第一”元件表示在另一权利要求或说明书中被称为“第二”(或类似表述)的元件。

已经描述了一个或多个实施方案。然而，应当理解可以进行各种修改。例如，当应用于现有基本系统时，此类配置或其相关用途的细节可能影响特定实施方式的细节。因此，其他实施方案也在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种离心式压缩机叶轮(60；160)，包括：

轮毂(62；162)，其具有从前端延伸到后端的轮毂气路表面(64；164)；

多个叶片(70A、70B；170)，其从所述轮毂气路表面延伸并且每个叶片具有：

前缘(72A、72B；172)；

后缘(74A、74B；174)；

第一面(80A、80B；180)；

第二面(82A、82B；182)；以及

尖端(78A、78B；178)；以及

多个分流器区段(120、122；220、222)，其在所述叶片中的两个相关叶片之间延伸，并且每个分流器区段与所述轮毂气路表面和所述两个相关叶片的所述尖端两者间隔开，

其中：

所述多个分流器区段是第一多个分流器区段(120；220)，并且所述叶轮还包括第二多个分流器区段(122；222)，所述第二多个分流器区段(122；222)在所述叶片之间延伸并且与所述轮毂气路表面和所述叶片的所述尖端两者间隔开；

所述第一多个分流器区段(120；220)在从所述前缘到所述后缘的流动路径长度的上游三分之一以内；并且

所述第二多个分流器区段(122；222)在从所述前缘到所述后缘的所述流动路径长度的下游三分之一以内。

2.如权利要求1所述的压缩机叶轮(60)，其中：

所述多个叶片是第一多个叶片(70A)；

第二多个叶片(70B)从所述轮毂气路表面延伸并且每个叶片具有：

前缘；

后缘；

第一面；

第二面；以及

尖端；

所述第二多个叶片的所述前缘相对于所述第一多个叶片的所述前缘向下游凹陷；并且

所述第一多个分流器区段在所述第二多个叶片的所述前缘的上游。

3.如权利要求2所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述第二多个分流器区段在所述第一多个叶片与所述第二多个叶片的叶片之间延伸并且与所述轮毂气路表面以及所述第一多个叶片和所述第二多个叶片的所述尖端两者间隔开。

4.如任一前述权利要求所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述轮毂、所述多个叶片以及所述多个分流器区段形成为单一整体金属铸件。

5.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述第一多个分流器区段和所述第二多个分流器区段中的至少一者形成圆周环(120、122；220、222)。

6.如权利要求5所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述轮毂和所述多个叶片形成为第一单一金属铸件；并且

所述圆周环与所述第一单一金属铸件分开形成。

7.如权利要求5所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述轮毂和所述多个叶片包括第一合金；并且

所述圆周环包括与所述第一合金不同的第二合金。

8.如权利要求7所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述第一合金是铝合金；并且

所述第二合金是钛合金。

9.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(60；160)，其中：

所述轮毂、所述多个叶片以及所述多个分流器区段形成为单一整体玻璃纤维填充尼龙。

10.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(60)，其中：

所述叶轮具有轴向入口和径向出口。

11.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(160)，其中：

所述叶轮具有轴向入口和轴向出口。

12.一种压缩机(20)，其包括如任一前述权利要求所述的压缩机叶轮(60；160)并且还包括：

壳体(22)，其具有入口孔(24)和出口孔(26)；

马达(30)，其安装在所述壳体内；

所述压缩机叶轮，其联接到所述马达以被驱动围绕叶轮轴线(500)旋转；以及

护罩(90)，其面向所述尖端。

13.一种用于使用如权利要求12所述的压缩机的方法，所述方法包括：

使所述马达运转以驱动所述压缩机叶轮(60；160)以驱动从所述入口到所述出口的流动，其中所述流动的至少25%通过所述多个分流器区段的径向外侧并且所述流动的至少25%通过所述多个分流器区段的径向内侧。

14.一种用于制造如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(60；160)的方法，所述方法包括：

由第一合金形成所述多个分流器区段；以及

由与所述第一合金不同的第二合金形成所述多个叶片。

15.如权利要求14所述的方法，包括增材制造。

16.如权利要求14所述的方法，包括增材制造所述多个分流器区段和所述多个叶片两者。

17.一种用于制造如权利要求1至权利要求3中任一项所述的压缩机叶轮(60；160)的方法，所述方法包括：

增材制造所述多个分流器区段和所述多个叶片两者作为一个单元。

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