CN112955661A - 包括抽吸式扩散器的离心式或混流式压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机，其包括外壳和布置在外壳内的叶轮。叶轮能够绕着轴线旋转。扩散器区段布置在外壳内。扩散器区段定位在叶轮的出口下游，并且包括绕着扩散器区段沿周向设置的第一组导叶和绕着扩散器区段沿周向设置的第二组导叶。第二组导叶中的至少一个导叶包括抽吸槽。

Description

包括抽吸式扩散器的离心式或混流式压缩机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年7月22日提交的美国临时申请No.62/876,913的优先权。
技术领域
本公开大体上涉及离心式或混流式压缩机，并且更具体而言，涉及用于离心式或混流式压缩机的扩散器构造。
背景技术
旋转机械(如压缩机)通常使用在制冷和涡轮应用中。在制冷系统中使用的旋转机械的一个实例包括离心式压缩机，该离心式压缩机具有固定于旋转轴的叶轮。叶轮的旋转增加横跨叶轮移动的流体或气体的压力和/或速度。
在使用低压制冷剂的应用中，叶轮可具有超音速出口流。减小叶轮出口处的马赫数的一种方式在于使用从固定的扩散器突出的串联导叶组。高马赫数流利用第一导叶组减速，而常规的亚音速扩散器流经由以第二导叶组转动来实现。在该构造中，可为困难的是减轻横跨导叶组的总压力损失，该导叶组用于将流调节为常规流，并且这继而可导致第二导叶组的导叶根部处的强转角分离。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种压缩机包括外壳、叶轮以及扩散器区段，该叶轮布置在外壳内，叶轮能够绕着轴线旋转，该扩散器区段布置在外壳内，扩散器区段定位在叶轮的出口下游，并且包括绕着扩散器区段沿周向设置的第一组导叶和绕着扩散器区段沿周向设置的第二组导叶，第二组导叶中的至少一个导叶包括抽吸槽。
在以上描述的压缩机的另一实例中，第二组导叶中的每个导叶包括抽吸槽。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，第二组导叶中的每个导叶为相同的。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，抽吸槽为到至少一个导叶的吸入侧中的径向对准的侵入部。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，径向对准的侵入部从至少一个导叶的吸入侧的根部延伸。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，径向对准的侵入部延伸至少一个导叶的部分径向翼展。
以上描述的压缩机中的任一个的另一实例还包括第二径向对准的侵入部，其中第二径向对准的侵入部定位在至少一个导叶上的、与第一径向对准的侵入部相同的轴向位置处。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，抽吸槽经由孔连接于出口，并且其中出口设置在至少一个导叶的末端和至少一个导叶的毂中的一个处。
以上描述的压缩机中的任一个的另一实例还包括设置在至少一个导叶上的多个抽吸槽，并且其中抽吸槽中的每个经由对应的孔连接于出口。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，在抽吸槽中的每个与对应的出口之间的流体连通经由可控阀控制。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，至少一个导叶包括多个抽吸槽，并且每个抽吸槽经由对应的孔连接于不同的出口，出口中的每个设置在至少一个导叶的末端和至少一个导叶的毂中的一个处。
在以上描述的压缩机中的任一个的另一实例中，压缩机为混流式压缩机和离心式压缩机中的一个。
一种用于减少压缩机中的边界层分离的示例性方法，方法包括通过抽吸槽将流从扩散器区段中的导叶的吸入侧抽吸至导叶的末端和导叶的径向向内毂中的一个，其中抽吸槽设置在初始流分离地点处。
在以上描述的、用于减少压缩机中的边界层分离的方法的另一实例中，抽吸流包括允许流体流动穿过抽吸槽至出口，该出口设置在导叶的末端和导叶的径向向内毂中的一个处。
在以上描述的、用于减少压缩机中的边界层分离的方法中的任一种的另一实例中，抽吸流包括通过设置在导叶的吸入侧上的多个抽吸槽来抽吸流。
在以上描述的、用于减少压缩机中的边界层分离的方法中的任一种的另一实例中，来自抽吸槽中的每个的流提供至共享的出口。
在以上描述的、用于减少压缩机中的边界层分离的方法中的任一种的另一实例中，来自抽吸槽中的每个的流提供至不同的出口。
在一个示例性实施例中，一种用于压缩机的导叶，其中导叶包括前缘和抽吸槽，该前缘经由压力侧表面和吸入侧表面连接于后缘，该抽吸槽设置在吸入侧表面中，其中抽吸槽为到吸入侧表面中的径向对准的侵入部。
在以上描述的、用于压缩机的导叶的另一实例中，抽吸槽经由孔连接于出口，并且其中出口设置在导叶的末端和导叶的径向向内毂中的一个处。
以上描述的、用于压缩机的导叶中的任一个的另一实例还至少包括设置在吸入侧表面上的第二抽吸槽。
本发明的这些及其它的特征可从以下说明书和附图最好地理解，以下为简要描述。
附图说明
图1示意性地示出示例性混流式压缩机的截面。
图2示意性地示出图1的混流式压缩机的扩散器区段的示例性等距视图。
图3示意性地示出图2的扩散器区段的第二组导叶中的单个导叶的等距视图。
图4示意性地示出用于图2的扩散器区段的第二组导叶中的另一示例单个导叶的等距视图。
图5示意性地示出用于图2的扩散器区段的第二组导叶中的另一示例单个导叶的等距视图。
图6示意性地示出用于图2的扩散器区段的第二组导叶中的另一示例单个导叶的等距视图。
图7示出图2的第二组导叶中的示例性导叶的截面视图。
图8示出图2的第二组导叶中的另一示例性导叶的截面视图。
具体实施方式
图1示意性地示出示例混流式压缩机40。压缩机40包括具有入口44的主外壳或壳体42，流体(如制冷剂)通过入口44沿轴向朝向旋转的叶轮46引导。叶轮46装固于驱动轴48，使得叶轮46与压缩机40的轴线X对准并且连同轴48一起旋转。
叶轮46包括具有前侧和后侧的毂或本体50。本体50的前侧的直径大体上朝向后侧增加，使得叶轮46在形状上为圆锥形。多个叶片或导叶56从本体50向外延伸。多个叶片56中的每个以关于轴48和叶轮46的旋转轴线X的角度布置。在一个实例中，叶片56中的每个在叶轮46的前侧和后侧之间延伸。每个叶片56包括第一端部和第二端部，该第一端部布置成大体上邻近毂50的第一端部，该第二端部定位成大体上邻近叶轮46的后侧。此外，叶片56的第二端部从叶片56的对应的第一端部沿周向偏移。
多个通路62限定在相邻的叶片56之间，以排放大体上平行于轴线X在叶轮46之上经过的流体。在叶轮46旋转时，流体沿大致轴向方向接近叶轮46的前侧，并且流动穿过限定在相邻的叶片56之间的通路62。因为通路62具有轴向分量和径向分量两者，所以提供至叶轮46的前表面的轴向流既平行于轴48的轴线又沿周向绕着轴48的轴线同时移动。组合地，壳体42的内表面和叶轮46的通路62协作，以从叶轮46排放压缩的制冷剂流体。压缩的流体以相对于轴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。
继续参照图1，图2示意性地示出示例性扩散器区段70的等距视图。扩散器区段70包括扩散器结构72，扩散器结构72相对于穿过压缩机40的流的方向在叶轮46下游的地点处大体上沿周向绕着轴48安装。当扩散器结构72安装在压缩机40内时，扩散器结构72的第一端部74可直接地邻接叶轮46的后侧。在备选的实例中，间隙可包括在叶轮46的后侧与扩散器70之间。此外，扩散器结构72可安装成使得其外表面76在与后表面的对接部处与叶轮46的前表面52大致齐平。
扩散器结构72包括前部部分71，前部部分71包括从前部部分71沿径向向外突出的第一组导叶82。前部部分71相对于轴48为静止的，即，前部部分71不连同轴48一起旋转。第二组导叶84在第一组导叶82下游从扩散器区段72沿径向向外突出。在一些实例中，扩散器区段仅包括前部部分71，并且两组导叶从前部区段71突出。在备选的实例(如示出的实例)中，扩散器区段71包括后部部分73，其中第二组导叶从后部部分73突出。取决于包括扩散器结构72的压缩机的操作参数，后部部分73可相对于前部部分71固定，或者被允许相对于前部部分71自由地旋转。
第一组周向间隔的导叶82绕着外表面76附连，并且在前部部分71中从外表面76沿径向向外延伸。在一个实例中，多个导叶82大致上彼此相同。作为备选，在另一实例中，导叶82在大小和/或形状上不同。多个导叶82以关于轴48的旋转轴线X的角度定向。
第二组导叶84也绕着外表面76沿周向间隔，并且从外表面沿径向向外延伸。为了减少穿过第二组导叶的流的转角分离，导叶84中的每个在流易于分离的导叶上的位置处包括导叶的吸入侧上的槽85。每个槽85连接于导叶84内的内部通路(在图3-9中示出)，该内部通路连接于冷却器内的低压区域。槽85和内部通路的组合提供通道，该通道在导叶85吸入侧上产生边界层的自然抽吸。这继而减少边界层分离并且改进性能。
在制冷剂穿过限定在扩散器结构72的相邻的导叶82之间的通道88时，制冷剂的动能转换成势能或静压，这将流体的速度减小至亚音速状态。在一个实施例中，导叶82的构造选择成减小流体流的马赫数，如减小高达50％或更多。在另一实施例中，包括导叶82将流的马赫数从大于1减小到在大约0.2至0.8之间。此外，应当理解的是，本文中示出和描述的扩散器结构72仅旨在作为实例，并且还在本文中设想具有轴向流构造并布置成与叶轮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，并且将流进一步调节为常规流。
在该构造中，穿过压缩机40的流体流从叶轮46平滑地过渡至扩散器区段70。虽然本文中示出和描述的混流式叶轮为不带护罩的，但是包括绕着叶轮46沿周向设置的护罩的实施例也在本公开的范围内。
继续参照图1和图2，图3示意性地示出图2的第二组导叶84的单个示例性导叶200。导叶限定翼型轮廓，并且具有吸入侧210和压力侧220。抽吸槽230限定在吸入侧210上。抽吸槽为到导叶200中的侵入部，其中侵入部相对于包括导叶200的扩散器区段72的半径沿径向延伸。抽吸槽230包括在最易受边界层分离的导叶200上的地点处。示出的示例性抽吸槽230从导叶200的根部沿着吸入侧表面210部分地沿径向向外延伸。在一个特定的实例中，抽吸槽230定位在导叶200的前缘212和后缘214之间的中间位置，并且从导叶200的0％翼展(根部232)延伸至近似50％翼展。
在示出的实例中，抽吸槽230经由圆柱形孔240连接于导叶200的末端202。在备选的实例中，抽吸槽230可通过导叶200的根部部分连接于导叶200的径向内侧的毂部分。
在压缩机的操作期间，抽吸槽230处的较高压力使边界层抽吸在吸入侧210上，并且减轻或消除抽吸槽230的地点处的边界层分离。
继续参照图3，图4示意性地示出包括多个抽吸槽330的示例性导叶300，多个抽吸槽330中的每个经由对应的圆柱形孔340连接于末端302。每个抽吸槽330的特定地点和数量确定成对应于易受边界层分离的导叶300的地点。
继续参照图1-4，图5示意性地示出包括多个抽吸槽430的另一示例导叶400，多个抽吸槽430均定位在易受边界层分离的吸入侧地点处。与图4的导叶300不同，图5的导叶400包括多个圆柱形孔440,442，多个圆柱形孔440,442中的每个经由可控阀446连接于出口444。可控阀446可开启和/或闭合抽吸槽430与出口444之间的连接，使得任何给定的抽吸槽仅在压缩机操作状态期间被连接，在该压缩机操作状态下，抽吸槽430的地点易受边界层分离。
继续参照先前实例中的每个，图6还示出包括抽吸槽530的又一示例导叶500，抽吸槽530包括径向向内部分530A和径向向外部分530B。部分中的每个经由单个圆柱形孔连接于出口644。在图6的实例中，每个槽530在沿着压力表面520的任何给定地点处包括多个节段530A,530B。在备选的实例中，取决于压缩机系统的特定需要，抽吸槽530可延伸导叶500的整个高度，而不会在中间翼展处断裂。
继续参照图1-6，图7和图8均示出示例性导片600,700的侧视图。每个图示出针对对应的圆柱形孔620,720的备选出口610,710地点，其中图7中的出口610定位在末端处，而图8的出口710定位在毂730处。
现在参照图3-8的导叶200-700，认识到的是，变化的抽吸槽构造中的每个可单独地利用，或者以与任何给定的导叶200-700上的任何数量的其它抽吸槽构造的任意组合利用。在一些示例系统(如图2的系统)中，扩散器结构72的第二部分73中的每个导叶84与导叶84彼此相同。在备选的实例中，每个导叶84可具有对应于特定导叶84的独特抽吸槽构造，并且独特抽吸槽构造可针对给定的压缩机凭经验确定，或者基于模型压缩机的理论建模确定。
虽然在本文中在混流式压缩机系统的内容内被描述和示出，但是本领域技术人员将认识到，径向流压缩机系统可并入本文中描述的特征，并且构思在范围上不限于混流式压缩机。此外，虽然图1-9的构造被独立地示出，但是认识到的是，任何给定的压缩机系统可并入组合的多个示出的构造，并且实例在单个压缩机内不相互排斥。
进一步理解的是，以上描述的构思中的任一个可单独使用，或者与以上描述的其它构思中的任一个或所有组合使用。尽管公开本发明的实施例，但是本领域技术人员将认识，某些改型将落入本发明的范围内。出于该原因，应当学习以下权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种压缩机，其包括：
外壳；
叶轮，其布置在所述外壳内，所述叶轮能够绕着轴线旋转；以及
扩散器区段，其布置在所述外壳内，所述扩散器区段定位在所述叶轮的出口下游，并且包括绕着所述扩散器区段沿周向设置的第一组导叶和绕着所述扩散器区段沿周向设置的第二组导叶，所述第二组导叶中的至少一个导叶包括抽吸槽。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述第二组导叶中的每个导叶包括所述抽吸槽。
3.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述第二组导叶中的每个导叶为相同的。
4.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述抽吸槽为到所述至少一个导叶的吸入侧中的径向对准的侵入部。
5.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述径向对准的侵入部从所述至少一个导叶的所述吸入侧的根部延伸。
6.根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，所述径向对准的侵入部延伸所述至少一个导叶的部分径向翼展。
7.根据权利要求6所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括第二径向对准的侵入部，其中所述第二径向对准的侵入部定位在所述至少一个导叶上的、与所述第一径向对准的侵入部相同的轴向位置处。
8.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述抽吸槽经由孔连接于出口，并且其中所述出口设置在所述至少一个导叶的末端和所述至少一个导叶的毂中的一个处。
9.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括设置在所述至少一个导叶上的多个抽吸槽，并且其中所述抽吸槽中的每个经由对应的孔连接于所述出口。
10.根据权利要求9所述的压缩机，其特征在于，在所述抽吸槽中的每个与对应的出口之间的流体连通经由可控阀控制。
11.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述至少一个导叶包括多个抽吸槽，并且每个抽吸槽经由对应的孔连接于不同的出口，所述出口中的每个设置在所述至少一个导叶的末端和所述至少一个导叶的毂中的一个处。
12.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机为混流式压缩机和离心式压缩机中的一个。
13.一种用于减少压缩机中的边界层分离的方法，所述方法包括：
通过抽吸槽将流从扩散器区段中的导叶的吸入侧抽吸至所述导叶的末端和所述导叶的径向向内毂中的一个，其中所述抽吸槽设置在初始流分离地点处。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，抽吸所述流包括允许流体流动穿过所述抽吸槽至出口，所述出口设置在所述导叶的所述末端和所述导叶的所述径向向内毂中的一个处。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，抽吸所述流包括通过设置在所述导叶的所述吸入侧上的多个抽吸槽来抽吸所述流。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，来自所述抽吸槽中的每个的所述流提供至共享的出口。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，来自所述抽吸槽中的每个的所述流提供至不同的出口。
18. 一种用于压缩机的导叶，其中所述导叶包括：
前缘，其经由压力侧表面和吸入侧表面连接于后缘；以及
抽吸槽，其设置在所述吸入侧表面中，其中所述抽吸槽为到所述吸入侧表面中的径向对准的侵入部。
19.根据权利要求18所述的导叶，其特征在于，所述抽吸槽经由孔连接于出口，并且其中所述出口设置在所述导叶的末端和所述导叶的径向向内毂中的一个处。
20.根据权利要求18所述的导叶，其特征在于，所述导叶还至少包括设置在所述吸入侧表面上的第二抽吸槽。
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