CN113107867B - 一种周向布置的离心压缩机喷水结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种周向布置的离心压缩机喷水结构，涉及压缩机技术领域。离心压缩机喷水结构包括压缩机机匣喷水孔、压缩机内部喷水通道、压缩机轮毂喷水孔。压缩机机匣喷水孔是顺气流方向的收缩型弯孔，可以有效抑制叶尖泄露流，提高压缩机稳定工作裕度。压缩机内部喷水通道是与旋转轴同轴的圆柱形通道。压缩机轮毂喷水孔是顺气流方向倾斜的直孔，在旋转轴的带动下向压缩机内部喷洒液滴。本申请克服了常规湿压缩的局限性，通过液滴蒸发吸收热量冷却主流气体，整个压缩过程接近等温压缩，压缩耗功降低，压缩效率提高，同时破坏叶尖泄露流，拓宽了压缩机稳定工作裕度。

Description

一种周向布置的离心压缩机喷水结构

技术领域

本申请涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种周向布置的离心压缩机喷水结构。

背景技术

离心压气机具有结构紧凑、流量大、抗腐蚀性强、单级压比高、稳定工作范围较广等优势，在能源、动力领域得到了广泛的应用。在离心压缩机的实际应用中，往往面临进口温度过高，耗功增加，整个系统的净输出功率和效率下降的问题。

为了提高离心压缩机的效率，常向压缩机进气或压缩过程中喷射水雾，利用液态水蒸发潜热来冷却工质降低压缩机耗功，提高整个系统的功率和效率，这一过程被称为湿压缩过程。早在上世纪40年代末，燃气轮机专家Klein Schmidt就提出了湿压缩的概念，认为湿压缩在定压比的情况下可以增加循环效率，他指出湿压缩过程中，喷入的液滴直接与压缩工质接触，连续进行传热和传质，高温气体的热量并没有流失，而是被回收再利用，气流的质量流量和密度增加，因此相比于中间冷却更为有效。

目前湿压缩大致可以分为三类：压缩机进口喷水、压缩机级间喷水、叶轮注水。值的注意的是，湿压缩过程中喷液位置的选择各有利弊。压缩机进口喷水简便易行，喷液量适中的条件下可以为液滴蒸发吸热提供足够的时间，但是低温情况下容易发生结冰现象；压缩机级间喷水时水蒸气蒸发迅速，减小了喷水引起的摩擦和可能的叶片造成的损失，这种方式往往不受环境温度的限制，但相比进口喷水操作更为复杂；叶轮注水类似叶片冷却，相比而言湿压缩更有效，但是对工艺和设计的要求很高，难度也大。因此，有必要探索一种新的湿压缩喷水结构，改善或突破常规喷水方式的局限性。

除此之外，湿压缩中液滴加入往往会带来一定程度的稳定性问题。一方面，离心压缩机对工质中液滴敏感，容易引发失速喘振；另一方面，水滴蒸发产生的水蒸气分子量低，绝热指数高，单位质量流量变化情况下的体积变化量大，这会进一步恶化离心压缩机的内部流场，加速失速喘振的发生。而已有大量研究表明，离心压缩机失速的产生离不开叶尖泄露流的作用，因此要解决湿压缩的稳定性问题，提高离心压缩机效率和稳定工作裕度，必然离不开对叶尖泄露流的抑制。

发明内容

本申请的目的在于克服或者至少部分地解决或缓减解决上述存在的常规湿压缩技术的局限性、液滴易恶化内部流场加快失速喘振的问题。

本申请提供了一种周向布置的离心压缩机喷水结构，离心压缩机包括压缩机机匣、旋转轴、压缩机轮毂、叶片及压缩机转子通道，所述离心压缩机喷水结构包括：

压缩机机匣喷水孔，其为顺气流方向的收缩型弯孔，布置在压缩机机匣的叶片的前缘叶尖一侧，并沿压缩机机匣的周向布置；

压缩机内部喷水通道，其是与旋转轴同轴的通道，用于为压缩机轮毂喷水孔提供液态水；和

压缩机轮毂喷水孔，其为顺气流方向倾斜的直孔，沿周向均匀地布置在压缩机轮毂处且靠近叶片前缘叶根附近，压缩机轮毂喷水孔的数量与压缩机转子通道数目相同。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔的数量为六个，且并沿所述压缩机机匣的周向均匀布置。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔具有进口及出口，所述压缩机机匣喷水孔的出口紧贴叶片前缘的叶尖，且与所述压缩机机匣的内壁相切。

可选地，所述压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角θ满足30°≤θ≤45°，圆弧半径r和所述压缩机机匣喷水孔的进口的直径d₁的计算公式为：

其中，θ为压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角，h为压缩机机匣的厚度。

可选地，所述压缩机内部喷水通道为圆柱形通道，通道末端周向开孔，开孔与所述压缩机轮毂喷水孔连通。

可选地，所述通道末端周向孔对应的旋转轴的外侧布置凹槽，用于保证液滴可以正常流出。

可选地，所述旋转轴中在凹槽两侧的位置处对应布置密封垫圈。

可选地，所述压缩机内部喷水通道的直径d的计算公式为：

其中，N为压缩机转速，D为压缩机内部喷水通道末端对应轴径，α为压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度，d₂是压缩机轮毂喷水孔的直径。

可选地，所述压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度α满足45°≤α≤90°。

可选地，压缩机机匣喷水孔流量

满足

压缩机机匣喷水孔流量

与压缩机轮毂喷水孔流量

之和与主流量

之间满足

本申请的周向布置的离心压缩机喷水结构，包括压缩机机匣喷水孔、压缩机内部喷水通道和压缩机轮毂喷水孔，其中，压缩机机匣喷水孔通过向叶片前缘叶尖喷射高速液滴，破坏叶尖泄露流，有效抑制了压缩机失速喘振的发生；通过压缩机轮毂喷水孔喷水，一方面克服了压缩机级间喷水和叶轮注水的操作和加工难题，以及进口注水在低温环境时的局限性，另一方面液滴蒸发吸热对主流气体进行降温，压缩耗功减少，压缩效率提高。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的周向布置的离心压缩机的喷水结构的示意性主剖视图；

图2是图1中Ⅰ部分的示意性结构放大图；

图3是图1中Ⅱ部分的示意性结构放大图。

图中各符号表示含义如下：

1压缩机机匣，2压缩机进口，3导流锥，4压缩机机匣喷水孔，5压缩机轮毂喷水孔，6旋转轴，7压缩机轮毂，8叶片，9叶尖间隙，10压缩机蜗壳，11迷宫密封，12密封垫片，13端盖。

具体实施方式

图1是根据本申请一个实施例的周向布置的离心压缩机的喷水结构的示意性主剖视图。图2是图1中Ⅰ部分的示意性结构放大图。图3是图1中Ⅱ部分的示意性结构放大图。

参见图1，离心压缩机包括压缩机机匣1，安装在压缩机机匣1中的旋转轴6、压缩机轮毂7、叶片8及压缩机转子通道，以及导流锥3、迷宫密封11、密封垫片12和端盖13，流体经过压缩机进口2进入压缩机内部。压缩机机匣1包括压缩机蜗壳10。如图1所示，本实施例提供了一种周向布置的离心压缩机喷水结构，包括：压缩机机匣喷水孔4、压缩机内部喷水通道14和压缩机轮毂喷水孔5。如图2所示，所述压缩机机匣喷水孔4为收缩型弯孔，如图1所示，压缩机机匣喷水孔4布置在压缩机机匣1叶片的前缘叶尖一侧，沿压缩机机匣1的周向均匀布置六孔。所述压缩机内部喷水通道14是与旋转轴6同轴的通道，为压缩机轮毂喷水孔5提供液态水。所述压缩机轮毂喷水孔5为顺气流方向倾斜的直孔，沿周向均匀地布置在压缩机轮毂7处且靠近叶片前缘叶根附近，压缩机轮毂喷水孔5的孔数与压缩机转子通道数相同。

更具体地，如图1所示，所述压缩机机匣喷水孔4位于压缩机机匣1上，为收缩型弯孔，沿周向均匀布置六孔。如图2所示，压缩机机匣喷水孔4具有进口和出口。压缩机机匣喷水孔的进口与雾化喷射器相连，压缩机机匣喷水孔的出口位于压缩机叶片前缘叶尖位置，并与压缩机机匣内壁相切。进一步地，所述压缩机机匣喷水孔的弧度角θ满足30°≤θ≤45°，保证压缩机机匣喷水孔4的进口与出口轴向距离适中，从而减少液滴在压缩机机匣喷水孔4中的流动损失。压缩机机匣喷水孔4的圆弧半径r和所述压缩机机匣喷水孔的进口的直径d₁的计算公式为：

其中，θ为压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角，h为压缩机机匣的厚度。

如图1所示，喷射器喷射的液滴流经压缩机机匣喷水孔4后，沿轴向方向从压缩机叶片前缘叶尖位置流入压缩机的叶尖间隙9，对叶尖间隙9的流场起到一定冲击作用。当压缩机叶尖位置出现较大流动涡甚至发生失速时，压缩机机匣喷水孔4的雾化液滴会破坏叶尖间隙9中的流动涡，从而改善叶尖流场，抑制压缩机失速喘振的发生。压缩机机匣喷水口4的液滴进入压缩机后，与叶尖间隙9的主流气体掺混，发生剧烈的热量和质量交换，主流流体被冷却，对压缩机耗功降低产生积极作用。特别地，由于液滴在入口均匀水平喷射时，高直径位置的液滴在压缩机中的停留时间非常短，因此，压缩机机匣喷水孔流量

需要满足

避免流量过大导致液滴不能及时蒸发，从而恶化流场，降低冷却效果。

更具体地，如图3所示，所述压缩机轮毂喷水孔5为顺气流方向倾斜的直孔，沿周向均匀地布置在压缩机轮毂7上，压缩机轮毂喷水孔5的出口靠近叶片前缘叶根位置，压缩机轮毂喷水孔5周向布置的孔数与压缩机转子通道数相同。所述压缩机轮毂喷水孔5由压缩机内部喷水通道14提供湿压缩所需的液态水。所述压缩机内部喷水通道14是与压缩机转轴6同轴的圆柱形通道，通道末端周向开孔，开孔与所述压缩机轮毂喷水孔5连通。为保证压缩机轮毂喷水孔5可以正常地向压缩机内部喷射液滴，所述旋转轴6在对应压缩机轮毂喷水孔5位置上开凹槽，同时在凹槽两侧对应布置密封垫圈15，防止泄露。

进一步地，所述压缩机内部喷水通道的直径d的计算公式为：

其中，N为压缩机转速，D为压缩机内部喷水通道末端对应轴径，α为压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度，d₂是压缩机轮毂喷水孔的直径。

更进一步地，所述压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度α满足45°≤α≤90°。

如图1所示，液态水经压缩机内部喷水通道14到达压缩机轮毂喷水孔5，在旋转轴6的带动下喷向压缩机内部，随转速增加，压缩机轮毂喷水孔5，孔的雾化效果不断提高。雾化液滴在主流气体裹挟下继续向下游流动，并与主流气体充分掺混换热，冷却主流气体。蒸发吸热变为水蒸气后与主流气体掺混，压缩机流量增加，可以在一定程度上抑制分离流的形成，延缓失速发生。此外，压缩机轮毂喷水孔5喷出的液滴与主流流体具有相同的周向分速度，液滴对叶片的冲击水蚀大幅度减少，液滴得以更加充分地与主流进行换热，压缩机的耗功减少，压缩效率提高。

需要注意的是压缩机机匣喷水孔流量

和压缩机轮毂喷水孔流量

之和与主流量

之需要满足

避免喷水过多导致未完全蒸发的液滴对压缩机叶片的冲蚀，进而引发压缩机的不稳定运行。

综上所述，本申请提出一种周向布置的离心压缩机喷水结构，其中压缩机机匣喷水孔将雾化喷射器的液滴喷入压缩机叶尖间隙，破坏叶尖泄露流，从而抑制失速喘振的产生，进而提高压缩机的稳定性；压缩机轮毂喷水孔克服常规喷水方式的局限性，在旋转轴的作用下获得雾化水滴进入压缩机内，与主流流体掺混换热，实现对主流流体的降温，从而降低压缩功，提高压缩效率。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种周向布置的离心压缩机喷水结构，离心压缩机包括压缩机机匣(1)、旋转轴(6)、压缩机轮毂(7)、叶片及压缩机转子通道，其特征在于，所述离心压缩机喷水结构包括：

压缩机机匣喷水孔(4)，其为顺气流方向的收缩型弯孔，布置在压缩机机匣(1)的叶片的前缘叶尖一侧，并沿压缩机机匣的周向布置，所述压缩机机匣喷水孔(4)具有进口及出口，所述压缩机机匣喷水孔的进口与雾化喷射器相连，所述压缩机机匣喷水孔的出口紧贴叶片前缘的叶尖，且与所述压缩机机匣的内壁相切；

压缩机内部喷水通道(14)，其是与旋转轴(6)同轴的通道，用于为压缩机轮毂喷水孔(5)提供液态水；和

压缩机轮毂喷水孔(5)，其为顺气流方向倾斜的直孔，沿周向均匀地布置在压缩机轮毂(7)处且靠近叶片前缘叶根附近，压缩机轮毂喷水孔的数量与压缩机转子通道数目相同；

其中，压缩机机匣喷水孔流量

满足

压缩机机匣喷水孔流量

与压缩机轮毂喷水孔流量

之和与主流量

之间满足

所述压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角θ满足30°≤θ≤45°，圆弧半径r和所述压缩机机匣喷水孔的进口的直径d₁的计算公式为：

其中，θ为压缩机机匣喷水孔内壁圆弧弧度角，h为压缩机机匣的厚度。

2.根据权利要求1所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述压缩机机匣喷水孔(4)的数量为六个，且沿所述压缩机机匣的周向均匀布置。

3.根据权利要求1或2所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述压缩机内部喷水通道(14)为圆柱形通道，通道末端周向开孔，开孔与所述压缩机轮毂喷水孔连通。

4.根据权利要求3所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述通道末端周向孔对应的旋转轴的外侧布置凹槽，用于保证液滴可以正常流出。

5.根据权利要求4所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述旋转轴(6)中在凹槽两侧的位置处对应布置密封垫圈。

6.根据权利要求3所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述压缩机内部喷水通道的直径d的计算公式为：

其中，N为压缩机转速，D为压缩机内部喷水通道末端对应轴径，α为压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度，d₂是压缩机轮毂喷水孔的直径。

7.根据权利要求6所述的离心压缩机喷水结构，其特征在于，所述压缩机轮毂喷水孔的倾斜角度α满足45°≤α≤90°。

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