CN112449670A - 用于压缩机的无导叶超音速扩散器 - Google Patents

用于压缩机的无导叶超音速扩散器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混流压缩机，该混流压缩机包括叶轮，该叶轮附接到轴并且可绕轴的轴线旋转。无导叶扩散器位于叶轮的轴向下游，并且具有会聚部分和发散部分。导叶扩散器位于无导叶扩散器的轴向下游。

Description

用于压缩机的无导叶超音速扩散器
相关专利申请的交叉引用
本申请请求享有于2019年6月28日提交的美国临时申请号No.62 / 868,531的优先权，其通过引用合并于此。
技术领域
本公开在此大体上涉及一种示例混流压缩机，并且更特别地涉及一种用于使用在制冷系统的混流压缩机中的扩散器结构。
背景技术
现有的混流压缩机典型地包括动力驱动的叶轮，通过该叶轮引起制冷剂的流入，所述制冷剂被径向向外转向然后返回沿轴向流入到扩散器中。压缩机的扩散器通常包括由固定板的壁表面和导叶组限定的环形通道，该固定板的壁表面与护罩的成形的壁表面径向地间隔开。扩散器具有入口端和出口端，入口端接收叶轮的流出物，制冷剂从该出口端被提供给例如沿周向发散的压缩机蜗壳。动能通过压缩机的扩散器转换成扩散器内的静压上升。
发明内容
在一个示例性实施例中，混流压缩机包括叶轮，该叶轮附接到轴并且可绕轴的轴线旋转。无导叶扩散器位于叶轮的轴向下游，并且具有会聚部分和发散部分。导叶扩散器位于无导叶扩散器的轴向下游。
在以上的另一实施例中，会聚部分位于发散部分的轴向上游。
在以上任一项的另一实施例中，会聚部分以具有恒定横截面积的轴向延伸的中间部分连接到发散部分。
在以上任一项的另一实施例中，无导叶扩散器包括内壁和外壁，所述内壁和外壁限定在它们之间的流体流动路径。
在以上任一项的另一实施例中，内壁和外壁中的至少一个可相对于轴的轴线旋转。
在以上任一项的另一实施例中，内壁和外壁都可绕轴的轴线旋转。
在以上任一项的另一实施例中，内壁支撑在至少一个内壁轴承上，并且所述外壁支撑在至少一个外壁轴承上。
在以上任一项的另一实施例中，导叶扩散器包括多个导叶，所述多个导叶围绕所述轴的轴线沿周向彼此间隔开。
在以上任一项的另一实施例中，会聚部分延伸直至所述无导叶扩散器的轴向长度的75%。
在以上任一项的另一实施例中，会聚部分包括在到会聚部分的入口与会聚部分的出口之间的横截面积中多达50%的减小。
在以上任一项的另一实施例中，发散部分延伸直至无导叶扩散器的轴向长度的75%。
在以上任一项的另一实施例中，发散部分包括在到发散部分的入口和发散部分的出口之间的横截面积中多达50%的增加。
在另一示例性实施例中，操作混流压缩机的方法包括以下步骤：用由马达部分通过轴来驱动并且可绕轴的轴线旋转的叶轮来压缩流体。使流体在叶轮的出口处扩散到具有会聚部分和发散部分的无导叶扩散器中。使流体扩散到在无导叶扩散器的轴向下游的导叶扩散器中。
在以上任一项的另一实施例中，无导叶扩散器将进入无导叶扩散器的流体的马赫数从到无导叶扩散器入口处的大于一的值降低到无导叶扩散器的出口处的小于一的值。
在以上任一项的另一实施例中，无导叶扩散器包括内壁和外壁，所述内壁和外壁在它们之间限定了流体流动路径。内壁和外壁中的至少一个可绕轴的轴线旋转。
在以上任一项的另一实施例中，内壁和外壁中的至少一个通过流过内壁或外壁的流体的接合来驱动。
在以上任一项的另一实施例中，内壁和外壁均可绕轴的轴线旋转并且由流过内壁和外壁的流体驱动。
在以上任一项的另一实施例中，引导激波串(shock train)轴向下游通过无导叶扩散器并且远离叶轮。
在以上任一项的另一实施例中，会聚部分通过一系列倾斜的激波来减小流体的超音速。发散部分降低了流体的亚音速，并减小了发散部分的壁处的流动分离。
在以上任一项的另一实施例中，发散部分延伸直至无导叶扩散器的轴向长度的50%，以防止跨音速或超音速流越过导叶扩散器。
附图说明
图1是根据非限制性示例的混流压缩机的透视剖视图。
图2A是图1的混流压缩机的叶轮的前透视图。
图2B是图2A的叶轮的剖视图。
图3示意性地示出了位于叶轮轴向下游的示例扩散器。
图4示意性地示出了扩散器的示例无导叶部分。
具体实施方式
混流压缩机被使用在许多应用中，如在制冷系统中，以使制冷剂移动通过制冷回路。图1示出了示例“混流”压缩机20，其被用于在制冷系统中压缩和转移制冷剂蒸汽。为了转移和压缩制冷剂，压缩机20能够在制冷剂处于低压或中压的情况下操作。
在图1中所示的示例中，压缩机20包括主壳或壳体22，其至少部分限定了用于接收制冷剂的到压缩机20中的入口24和用于从压缩机20排出制冷剂的出口28。压缩机20通过旋转紧接着入口24下游的混流叶轮26来将制冷剂朝入口24抽吸。叶轮26然后将制冷剂引导到位于叶轮26的沿轴向下游的扩散器区段30。扩散器区段30包括无导叶部分36和位于无导叶部分36轴向下游的导叶部分38。在从轴向向外朝向压缩机20的出口28被重新引导到轴向上之前，制冷剂从扩散器区段30沿轴向下游行进并进入蜗壳34。
压缩机20还包括用于驱动叶轮26的马达区段40。在所示的示例中，马达区段40包括附接到壳体22的一部分的定子42，该定子围绕附接至叶轮驱动轴46的转子44。叶轮驱动轴46构造成绕轴线X旋转。旋转轴线X在叶轮26、扩散器区段30、转子44和叶轮驱动轴46的情况下是共同的，并且和延伸通过壳体22的中央纵向轴线是共同的。在本公开中，除非另有说明，否则轴向或轴向地以及径向或径向地是相对于轴线X。
如图2A和2B所示，叶轮26包括具有前侧56和后侧58的毂或主体54。如图所示，主体54的前侧56的直径通常朝后侧58增大，使得叶轮26在形状上通常是锥形的。多个叶片60相对于轴线X从主体54径向向外延伸。多个叶片60中的每个均与驱动轴46的旋转轴线X成角度地布置。在一个示例中，叶片60中的每个在叶轮26的前侧56和后侧58之间延伸。如图所示，叶片60中的每个包括与前侧56相邻的上游端62和与后侧58相邻的下游端64。此外，叶片60的下游端64从叶片60的对应上游端62沿周向偏移。
在相邻叶片60之间限定了多个通道66，以排出越过叶轮26的、大体上平行于轴线X的流体。当叶轮26旋转时，流体沿基本上轴向方向接近叶轮26的前侧56，并流过在相邻叶片60之间限定的通道66。由于通道66同时具有轴向和径向分量，因此提供给叶轮26的前侧56的轴向流体同时平行于驱动轴46的轴线X并沿周向绕驱动轴46的轴线X移动。组合式地，壳体22的内表面68(图1中示出)和叶轮26的通道66合作将经压缩的制冷剂流体从叶轮26排出。在一个示例中，经压缩的流体从叶轮26相对于驱动轴46的轴线X成角度地排出到相邻的扩散器区段30中。
图3A示意性地示出了相对于扩散器区段30定位的叶轮26。在所示的示例中，无导叶部分36包括径向内壁70和径向外壁72，它们各自形成围绕轴线X的连续的环。径向内壁和外壁70、72限定了邻近叶轮26的出口76的入口74和邻近导叶部分38的入口80的出口78。在所示的示例中，内壁70和外壁72之间在入口74处的径向尺寸大约等于壳体22上的内表面68和叶轮26的主体前侧56之间在出口76处的径向尺寸。
径向内壁70和径向外壁72分别支撑在轴承组件82和84上。尽管仅示意性地示出了单个轴承组件82、84，但是可以沿着内壁70和外壁72中的每个定位超过一个的轴承组件。在所示的示例中，轴承组件82包括通过静态结构(例如壳体22的一部分)支撑在径向内侧上的内座圈以及在与内壁70接合的在径向外侧上的外座圈。备选地，轴承组件82上的内座圈可以与旋转结构接合，该旋转结构如与驱动轴46一起旋转的结构。轴承组件84包括在轴承组件84的径向内侧上的、与外壁72接合的内座圈和在轴承组件84的径向外侧上的、与壳体22的一部分或相对于壳体22固定的静态结构相接合的外座圈。
轴承组件82、84允许内壁70和外壁72彼此独立地旋转，并且能够独立于叶轮26和驱动轴46旋转。在压缩机20的操作期间，内壁70和外壁72通过在内壁70和外壁72上行进的制冷剂的摩擦力驱动。允许内壁70和外壁72自由旋转并通过制冷剂的摩擦力驱动的一个特征是减少的端壁损失。端壁损失是由制冷剂在表面上以制冷剂与表面之间的相对速度方面的较大变化行进造成的。
尽管示出的示例将内壁70和外壁72都阐释为能够分别在轴承组件82、84上自由旋转，但是内壁70或外壁72之一可以被固定以防相对于壳体22旋转。备选地，轴承组件82、84可根据压缩机20的操作状况可选择性地锁定。
内壁和外壁70、72还包括变化的径向尺寸，以在扩散器区段30的无导叶部分36中形成会聚部分86，中间部分88和发散部分90。在会聚部分86中，内壁70和外壁72二者均朝向彼此会聚，使得会聚部分86的横截面积在轴向下游方向上减小。在中间部分88中，内壁70和外壁72二者均包括恒定的径向尺寸，使得中间部分88的横截面积在会聚部分86和发散部分90之间是恒定的。如发散部分90中，内壁70和外壁72二者均彼此移动远离，使得发散部分90的横截面积在轴向下游方向上增大。发散部分90降低了流体的亚音速，并减小了内壁和外壁70、72处的流动分离。
备选地，位于紧接着会聚部分86的下游的中间部分88可以以比会聚部分86更小的速率会聚，以提供从会聚部分86到中间部分88的过渡。另外，位于发散部分90的紧接着的上游的中间部分88可以以比发散部分90更小的速率发散，以提供在中间部分88和发散部分90之间的过渡。
无导叶部分36的一个特征是减少离开叶轮26并进入扩散器部分30的无导叶部分36的制冷剂的马赫数。尤其地，无导叶部分36将进入会聚部分86的大于一的马赫数降低到在中间部分88中的大约为一的马赫数，再降低到会聚部分90中的小于一的马赫数。减小马赫数增加了制冷剂的压力并降低制冷剂的速度，以在制冷剂被导叶部分38转向时减少损失。
无导叶部分36的另一个特征是将倾斜的激波串92容纳在无导叶部分36中。将倾斜的激波串92容纳在无导叶部分36中减少或消除了倾斜的激波与叶轮26的相互作用，以增加叶轮26的性能以及压缩机20的整体性能。另外，一系列倾斜的激波还降低了会聚部分86中的流体的超音速。
如上所述，位于无导叶部分36的轴向下游的导叶部分38的一个特征是使制冷剂流转向，尤其使制冷剂流转向更靠近轴向方向。导叶部分38可以使随多个周向隔开的导叶94(图3)进入的制冷剂的方向转向，而不会由于制冷剂离开无导叶部分36之后速度的降低而导致能量的显著损失。在所示的示例中，导叶94相对于壳体22固定并且从内环96径向向外延伸，使得在内环96、导叶94与壳体22的内表面100之间形成流体通道98。
尽管将不同的非限制性示例示出为具有具体组件，但是本公开的示例不限于那些特定组合。可将来自非限制性示例中的任何示例的一些部件或特征与来自其他非限制性示例中的任何示例的特征或部件结合使用。
应理解的是，在所有这几张附图上，相同的附图标记表示对应或相似的元件。还应该理解，尽管在这些示例性示例中公开并示出了特定的部件布置，但是其他布置也可以受益于本公开的教导。
前述描述应被解释为说明性的，而不是任何限制的意思。本领域普通技术人员将理解，某些修改可以落入本公开的范围内。出于这些原因，应研究以下权利要求以确定本公开的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种混流压缩机，包括：
叶轮，所述叶轮附接到轴并且可绕轴的轴线旋转；
位于所述叶轮的轴向下游的无导叶扩散器，所述无导叶扩散器具有会聚部分和发散部分，和
位于所述无导叶扩散器的轴向下游的导叶扩散器。
2.根据权利要求1所述的混流压缩机，其特征在于，所述会聚部分位于所述发散部分的轴向上游。
3.根据权利要求2所述的混流压缩机，其特征在于，所述会聚部分以具有恒定横截面积的轴向延伸的中间部分连接至所述发散部分。
4.根据权利要求1所述的混流压缩机，其特征在于，所述无导叶扩散器包括内壁和外壁，所述内壁和外壁在它们之间限定了流体流动路径。
5.根据权利要求4所述的混流压缩机，其特征在于，所述内壁和外壁中的至少一个能够相对于所述轴的轴线旋转。
6.根据权利要求4所述的混流压缩机，其特征在于，所述内壁和外壁都能够绕所述轴的轴线旋转。
7.根据权利要求6所述的混流压缩机，其特征在于，所述内壁支撑在至少一个内壁轴承上，并且所述外壁支撑在至少一个外壁轴承上。
8.根据权利要求1所述的混流压缩机，其特征在于，所述导叶扩散器包括多个导叶，所述多个导叶围绕所述轴的轴线沿周向彼此间隔开。
9.根据权利要求1所述的混流压缩机，其特征在于，所述会聚部分延伸直至所述无导叶扩散器的轴向长度的75%。
10.根据权利要求9所述的混流压缩机，其特征在于，所述会聚部分包括在到所述会聚部分的入口与所述会聚部分的出口之间的横截面积中多达50%的减小。
11.根据权利要求1所述的混流压缩机，其特征在于，所述发散部分延伸直至所述无导叶扩散器的轴向长度的75%。
12.根据权利要求11所述的混流压缩机，其特征在于，所述发散部分包括在到所述发散部分的入口与所述发散部分的出口之间的横截面积中多达50%的增加。
13.一种操作混流压缩机的方法，包括以下步骤：
用由马达部分通过轴来驱动并且能够绕轴的轴线旋转的叶轮来压缩流体；
使所述流体在所述叶轮的出口处扩散到无导叶扩散器中，所述无导叶扩散器具有会聚部分和发散部分；并且
使所述流体扩散到在所述无导叶扩散器的轴向下游的导叶扩散器中。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述无导叶扩散器将进入所述无导叶扩散器的流体的马赫数从到所述无导叶扩散器的入口处的大于一的值降低到所述无导叶扩散器的出口处的小于一的值。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述无导叶扩散器包括内壁和外壁，所述内壁和外壁在它们之间限定了流体流动路径，并且所述内壁和所述外壁中的至少一个能够绕所述轴的轴线旋转。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，内壁和外壁中的至少一个通过流过所述内壁或所述外壁的流体的接合来驱动。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述内壁和外壁均能够绕所述轴的轴线旋转并且通过流过所述内壁和所述外壁的流体来驱动。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法包括，引导激波串轴向下游地通过所述无导叶扩散器并且远离所述叶轮。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述会聚部分通过一系列倾斜的激波来减小所述流体的超音速，且所述发散部分降低了所述流体的亚音速，并减小了在所述发散部分的壁处的流动分离。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述发散部分延伸直至所述无导叶扩散器的轴向长度的50%，以防止跨音速或超音速流越过所述导叶扩散器。
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