CN112334665B - 用于制冷系统的混流式压缩机构造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心压缩机，其包括壳。叶轮布置在壳内。叶轮可绕轴线旋转。扩散器区段布置在壳内。扩散器区段轴向上定位于叶轮出口的下游，并且包括相对于叶轮固定的前部和与该前部不同的后部。

Description

用于制冷系统的混流式压缩机构造
技术领域
本公开总体上涉及混流式压缩机，并且更具体地涉及用于混流式压缩机的扩散器构造。
相关申请的交叉引用
本申请请求享有于2019年5月31日提交的美国临时申请号62/855352的优先权。
背景技术
诸如压缩机的旋转机器通常用于制冷和涡轮机应用中。在制冷系统中使用的旋转机器的一个实例包括离心压缩机，离心压缩机具有固定到旋转轴的叶轮。叶轮的旋转增加了流过叶轮的流体或气体的压力和/或速度。
在使用高压制冷剂的应用中，压缩机可具有超音速出口流。现有的压缩机使用从固定扩散器伸出的串联导叶组，以利用第一导叶组扩散高马赫数流，并通过与第二导叶组一起转动来实现常规的亚音速扩散器流。在现有系统中，可能难以减轻在用于调节流向常规流的流的导叶上的总压力，并且这反过来又会导致在第二导叶组的导叶根部处发生强烈的角区分离。
发明内容
在一个示例性实施例中，离心压缩机包括：壳；布置在壳内的叶轮，该叶轮可绕轴线旋转；以及布置在壳内的扩散器区段，该扩散器区段轴向上定位于该叶轮的出口的下游，并包括相对于叶轮固定的前部，以及后部。
在上述离心压缩机的另一个实例中，扩散器区段的前部的径向向内边界包括径向向外突出的导叶组，并且该导叶组构造成将流从超音速减小到亚音速。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，导叶组构造成将流的马赫数减少至少50％。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，导叶组构造成将马赫数减小到0.4到0.8马赫范围内的数。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，后部通过导叶的缺少来限定。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，扩散器区段的径向高度沿扩散器区段的前部恒定。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，扩散器区段的径向高度沿后部的至少一部分增加。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，扩散器区段的径向内壁沿后部的至少一部分朝向由扩散器区段限定的轴线会聚。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，扩散器区段的径向外壁沿后部的一部分远离由扩散器区段限定的轴线分叉。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，扩散器区段的径向外壁沿后部的一部分远离由扩散器区段限定的轴线分叉。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，径向高度沿后部的至少一部分以恒定速率增加。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，径向高度沿后部的至少一部分以变化的速率增加。
在上述离心压缩机中的任何一个的另一个实例中，离心压缩机是混流式压缩机。
在一个示例性实施例中，离心压缩机包括：壳；布置在壳内的叶轮，该叶轮可绕轴线旋转；以及布置在壳内的扩散器区段，该扩散器区段轴向地定位于该叶轮的出口的下游，并且包括具有恒定径向高度的前部和具有沿流动方向增加的径向高度的后部。
在上述离心压缩机的另一个实例中，后部相对于前部和叶轮自由地旋转。
在上述离心压缩机中的任一个的另一个实例中，前部相对于叶轮固定。
在上述离心压缩机的任何一个的另一个实例中，后部包括沿径向高度增加的径向会聚的内壁和径向分叉的外壁中的至少一个。
在上述离心压缩机的任何一个的另一个实例中，径向会聚的内壁和径向分叉的外壁中的至少一个是线性的。
在上述离心压缩机的任何一个的另一个实例中，径向会聚的内壁和径向分叉的外壁中的至少一个是弯曲的。
用于调节混流式离心压缩机中的流动的示例性方法包括：使用第一扩散器区段中的多个导叶将来自叶轮区段的流体流的速度降低到亚音速以下，该第一扩散器区段相对于叶轮固定，并且进一步降低流过第二扩散器部分的流体的速度，第二扩散器部分相对于叶轮自由地旋转。
本发明的这些和其它特征可从下面的说明书和附图中得到最好的理解，下面是简要描述。
附图说明
图1示意性地示出了示例性混流式压缩机的横截面。
图2示意性地示出了根据第一实例的图1的混流式压缩机的扩散器区段。
图3A示意性地示出了用于混流式压缩机的第一扩散器部分。
图3B示意性地示出了用于混流式压缩机的第二扩散器部分。
图3C示意性地示出了在单个实例中结合了图3A和3B的第一扩散器和第二扩散器的特征的第三扩散器。
图4示意性地示出了用于混流式压缩机的第四扩散器部分。
具体实施方式
图1示意性地示出了示例混流式压缩机40。压缩机40包括具有入口44的主壳或壳体42，诸如制冷剂的流体通过该入口轴向地被引导朝向旋转的叶轮46。叶轮46固定到驱动轴48，使得叶轮46与压缩机40的轴线X对准，并与轴48一起旋转。
叶轮46包括具有前侧和后侧的毂或主体50。主体50的前侧的直径大体上朝向后侧增大，使得叶轮46形状上为锥形。多个叶片或导叶56从主体50向外延伸。多个叶片56中的每个叶片相对于轴48和叶轮46的旋转轴线X成一定角度布置。在一个实例中，叶片56中的每个叶片在叶轮46的前侧和后侧之间延伸。叶片56包括大体上邻近轮毂50的第一端布置的第一端和大体上位于邻近叶轮46的后侧的第二端。此外，叶片56的第二端从叶片56的对应的第一端沿周向偏移。
多个通路62限定在相邻叶片56之间，以排放大体上平行于轴线X地通过叶轮46的流体。当叶轮46旋转时，流体沿基本轴向方向接近叶轮46的前侧，并流过在相邻叶片56之间限定的通路62。因为通路62既具有轴向分量又具有径向分量，所以提供给叶轮46的前表面的轴向流同时平行于轴48的轴线移动并且绕驱动轴的轴线周向移动。壳42的内表面和叶轮46的通路62组合地协作以从叶轮46排出压缩的制冷剂流体。压缩流体以相对于轴48的轴线X的任何角度从叶轮46排放到相邻的扩散器区段70中。
继续参看图1，图2示意性地示出了示例性扩散器区段70的等距视图。扩散器区段70包括扩散器结构72，该扩散器结构相对于通过压缩机40的流动方向在叶轮46下游的位置处大体上围绕轴48沿周向安装。当扩散器结构72安装在压缩机40内时，扩散器结构72的第一端74可直接邻接叶轮46的后侧。在备选实例中，在叶轮46的后侧和扩散器70之间可包括间隙。此外，扩散器结构72可安装成使得其外表面76在与后表面的界面处基本与叶轮46的前表面52齐平。
扩散器结构72包括前部71，该前部包括从前部71径向向外突出的导叶组82。前部71相对于轴48固定并且与轴48一起旋转。
一组周向间隔开的导叶82围绕外表面76粘附，并且从前部71中的外表面76径向向外延伸。在一个实例中，多个导叶82基本上彼此相同。备选地，在另一个实例中，导叶82在尺寸和/或形状方面不同。多个导叶82相对于轴48的旋转轴线X成角度地定向。
另外，扩散器结构72包括第二后部73。后部73不是静止地固定到前部71，而是被允许相对于轴48自由地旋转。所示的第二部分完全省略了叶片，导致扩散器70具有仅单个导叶组82。在其它实例中，扩散器72的自由旋转部分也可包括导叶组。后部73的自由旋转经由根据已知技术的任何常规轴承结构来支承。在另外的实例中，扩散器结构72的后部73可相对于前部71固定。
当制冷剂通过限定在扩散器结构72的相邻导叶82之间的通路88时，制冷剂的动能转换成势能或静压，这将流体的速度降低到亚音速状态。在一个实施例中，导叶82的构造被选择成减小流体流的马赫数，如减少多达50％或更多。在另一个实施例中，包括导叶82将流的马赫数从1以上降低到大约0.2至0.8之间。此外，应当理解，本文中图示和描述的扩散器结构72仅旨在作为实例，并且在本文中还设想了具有轴向流动构造并且布置成与叶轮46的通路62流体连通的其它扩散器结构。扩散器区段70的自由旋转部分73接收现在的亚音速流，并且进一步将该流调节为常规流。
在该构造中，流过压缩机40的流体从叶轮46平稳地过渡到扩散器区段70。尽管本文中图示和描述的混流式叶轮是无罩的，但是包括围绕叶轮46沿周向设置的罩的实施例也在本公开的范围内。
在图1的实例中，扩散器结构72的外表面76随着流向下游传播而朝向轴48的旋转轴线X径向向内会聚。在另一种构造中，外表面76可平行延伸，而扩散器70中的分叉是经由壳42的内表面78径向向外分叉而实现的。在这样的实施例中，在外表面76和壳42之间限定了轴向流动通路80，该轴向流动通路构造成接收从叶轮46排出的流体。会聚和/或分叉在图3A、3B和3C中示出，并且在下面更详细地描述。分叉和/或会聚发生在扩散器结构72的自由旋转的第二部分73中。由于分叉和/或会聚而导致的径向高度增加的扩散器结构与第二部分73的自由旋转的组合操作成将流调节为常规的亚音速流。
继续参看图1和图2，图3A-3C示意性地示出了示例性扩散器区段200，如可在图1和图2的实施例中使用的扩散器区段。扩散器区段200中的每个由固定部分210和自由旋转部分220限定。固定部分的径向高度212沿轴线A保持恒定，并且导叶214从扩散器结构72的外表面276(在图1和图2中示出)径向向外延伸。随着流体向下游传播，自由旋转部分220的径向高度222增加。在图3A、3B和3C的所示实例中，由于自由旋转部分220中的会聚或分叉是线性的，所以径向高度222以恒定的速率增加。在备选实例中，由于在自由旋转部分220处的弯曲表面，径向高度222的变化速率可为非恒定的。
参看图3A，扩散器结构72的外表面276跨自由旋转部分220朝轴线A径向向内会聚，而壳结构224相对于轴线A保持在恒定的径向位置处。参看图3B，壳结构224跨自由旋转部分220远离轴线A分叉，而扩散器结构72的外表面276相对于轴线A保持在恒定的径向位置处。图3A和图3B的实例中的每个提供了跨自由旋转部分220的大致相同的扩散。在期望或需要附加扩散的实例中，扩散器结构72的外表面276的会聚和壳结构224的分叉都可包括在内。这样的结构在图3C处示出。
尽管在图3A-3C的示例性实施例中示出为跨自由旋转部分220的整体增加，但是应当认识到，在一些实例中，直到流体已经部分地传播通过自由旋转部分，径向高度212才开始增加。还应当认识到，可构想备选实例，其中自由旋转部分220的最下游部分呈现恒定的径向高度，并且径向高度增加发生在上游部分。
图4示出了又一个实例，其包括自由旋转部分320，其中最上游端321包括恒定的径向高度324，并且下游端323包括恒定的径向高度324。在图4的实例中，中间部分325沿曲率会聚和分叉，导致径向高度324随着流向下游传播而增加。将认识到，利用壳结构324或扩散器结构374的外表面376的恒定的径向位置可提供类似的实施例。
包含上述自由旋转的扩散器区段可通过减小旋转壁上的剪切应力和相关损失来提高混流式压缩机的级效率。自由旋转的扩散器结构的特定实施例或变型可根据给定的混流式压缩机和混流式压缩机应用的包装和扩散需求来选择。
还应理解，上述概念中的任何概念可单独使用，或与其它上述概念中的任何或所有概念组合使用。尽管已经公开了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将落入本发明的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种离心压缩机，包括：
壳；
布置在所述壳内的叶轮，所述叶轮能够绕轴线旋转；以及
布置在所述壳内的扩散器区段，所述扩散器区段轴向上定位于所述叶轮的出口的下游，并包括相对于所述叶轮固定的前部和与所述前部不同的后部。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的前部的径向向内边界包括径向向外突出的导叶组，并且所述导叶组构造成将流从超音速减小到亚音速。
3.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，所述导叶组构造成将所述流的马赫数减少至少50％。
4.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，所述导叶组构造成将马赫数减小到0.4到0.8马赫范围内的数。
5.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述后部通过导叶的缺少限定。
6.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的径向高度沿所述扩散器区段的前部恒定。
7.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的径向高度沿所述后部的至少一部分增大。
8.根据权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的径向内壁沿所述后部的至少一部分朝向由所述扩散器区段限定的轴线会聚。
9.根据权利要求8所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的径向外壁沿所述后部的所述一部分远离由所述扩散器区段限定的所述轴线分叉。
10.根据权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，所述扩散器区段的径向外壁沿所述后部的所述一部分远离由所述扩散器区段限定的所述轴线分叉。
11.根据权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，所述径向高度沿所述后部的至少所述一部分以恒定速率增加。
12.根据权利要求7所述的离心压缩机，其特征在于，所述径向高度沿所述后部的至少所述一部分以变化的速率增加。
13.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述离心压缩机是混流式压缩机。
14.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述后部是相对于所述前部的自由旋转构件。
15.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，所述后部是相对于所述前部的固定构件。
16.一种离心压缩机，包括：
壳；
布置在所述壳内的叶轮，所述叶轮能够绕轴线旋转；以及
布置在所述壳内的扩散器区段，所述扩散器区段轴向上定位于所述叶轮的出口的下游，并且包括相对于所述叶轮固定并且具有恒定径向高度的前部和具有沿流动方向增加的径向高度的后部。
17.根据权利要求16所述的离心压缩机，其特征在于，所述后部包括沿所述径向高度增加的径向会聚的内壁和径向分叉的外壁中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的离心压缩机，其特征在于，所述径向会聚的内壁和所述径向分叉的外壁中的至少一个是线性的。
19.根据权利要求17所述的离心压缩机，其特征在于，所述径向会聚的内壁和所述径向分叉的外壁中的至少一个是弯曲的。
20.一种用于调节混流式离心压缩机中的流的方法，包括：
使用第一扩散器区段中的多个导叶将来自叶轮区段的流体流的速度降低到亚音速以下，所述第一扩散器区段相对于叶轮固定；并且
进一步降低越过第二扩散器部分的流体流的速度，所述第二扩散器部分相对于所述叶轮自由地旋转。
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