CN113167287A - 具有叶片和压缩机壁的调整的子午线轮廓的涡轮压缩机 - Google Patents

具有叶片和压缩机壁的调整的子午线轮廓的涡轮压缩机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮压缩机(1)，所述涡轮压缩机包括压缩机壳体(2)和具有叶片(5)的压缩机轮(4)，其中所述压缩机轮(4)相对于所述压缩机壳体(2)可旋转地安装，并且通过顶部间隙(7)间隔开，所述顶部间隙位于叶片(5)的没有盖的叶片上边缘和面向所述叶片上边缘的压缩机壳体(2)的压缩机壁(3)之间，其中所述叶片(5)的叶片上边缘以及所述壳体壁(3)分别在其各自的子午线轮廓上具有局部相互配合的至少一个凹口(11、13)和至少一个凸起(10、14)，使得在沿子午面观察时所述顶部间隙(7)在所述凹口(11、13)和所述凸起(10、14)的区域中限定Z形路线。

Description

具有叶片和压缩机壁的调整的子午线轮廓的涡轮压缩机
技术领域
本发明涉及一种涡轮压缩机，所述涡轮压缩机具有压缩机壳体和压缩机轮，所述压缩机轮具有叶片，其中，所述压缩机轮相对于所述压缩机壳体可旋转地安装，并且通过顶部间隙间隔开，所述顶部间隙位于叶片的没有盖的叶片上边缘和面向所述叶片上边缘的压缩机壳体的压缩机壁之间。
背景技术
在根据现有技术的涡轮压缩机中，配备有叶片的压缩机轮相对于固定的压缩机壳体旋转，并产生轴向吸入和径向排放的主气流。在所述压缩机轮的叶片和壳体壁之间设置有顶部间隙，所述顶部间隙被保持得尽可能小并且能够使所述压缩机轮无接触地旋转。所述顶部间隙在所述压缩机轮的子午线面中沿着叶片上边缘和壳体壁延伸，其中所述壳体壁和所述叶片上边缘均具有从轴向吸入侧到径向排放侧的连续的路线。在涡轮压缩机中，从周向方向观察，贯穿旋转轴线延伸的任何面都称为子午线面。
问题在于，在小质量气流的情况下，由在升压-质量气流图表中的恒定转速特征曲线限定压缩机特征曲线，在空气动力学上受到气流的分离极限或收到喘振极限的限制。
发明内容
因此，本发明基于以下目的：在小质量气流下改变涡轮压缩机的压缩机特征曲线，使得气流的分离极限或喘振极限在较小质量气流的方向上改变，并且由此增大涡轮压缩机的工作范围。同时应改善效率和压力积聚。
所述目的通过根据权利要求1的特征组合来实现。
根据本发明提出一种涡轮压缩机，所述涡轮压缩机具有压缩机壳体和压缩机轮，所述压缩机轮具有叶片，其中，所述压缩机轮相对于所述压缩机壳体可旋转地安装，并且通过顶部间隙间隔开，所述顶部间隙位于叶片的没有盖的叶片上边缘和面向所述叶片上边缘的压缩机壳体的压缩机壁之间。所述叶片的叶片上边缘和所述壳体壁在其各自的子午线轮廓上均具有局部相互配合的至少一个凹口和至少一个凸起，使得在沿子午面观察时所述顶部间隙在所述凹口和所述凸起的区域中限定Z形路线。
通过彼此面对的叶片上边缘和壳体壁的特殊设计，在顶部间隙内产生与轴向吸入并径向排出的主气流相反的回流。所述叶片上边缘和壳体壁在连续子午线上观察具有不连续的轮廓，与连续子午线相比，所述不连续的轮廓通过所述叶片上边缘和壳体壁上相互配合的凹口和紧邻的凸起形成。所述顶部间隙的Z形路线由两个横向支腿和连接所述横向支腿的一个连接支腿限定。所述凹口用于构造两个横向支腿，所述凸起形成所述一个连接支腿。
优选地，所述叶片上边缘的凹口的形状与所述壳体壁的凸起互补，并且所述壳体壁上的凹口的形状与所述叶片上边缘的凸起互补，以构造所述顶部间隙的Z形路线。
通过顶部间隙的回流与压缩机轮产生的主气流相反地撞击叶片上边缘或壳体壁的凹口或凸起，由此受到阻挡并流回主气流。因此，获得了用于实现所述目的的有利的流动效果。
凹口或互补的凸起在叶片上边缘或壳体壁上的定位也有利地影响所述效果。压缩机轮从其吸入侧的轴向前边缘到其排放侧的径向后边缘的子午线长度L的值限定在0<L<1之间。优选且在流体技术方面有利的实施例是壳体壁和叶片上边缘的至少一个凹口以及至少一个凸起在0.3<L<0.7的范围内，更优选在0.4<L<0.5的范围内。
在子午面中观察的顶部间隙的Z形路线的形成中，有利的实施例是，其中，壳体壁和叶片分别具有相互面对的止动表面，以使气流穿过所述顶部间隙。因此，所述止动表面相对于顶部间隙的在子午线中观察的在前或在后的气流部分垂直或成角度地延伸，使得通过顶部间隙的回流与所述止动表面碰撞并返回至往相反方向运行的主气流。由于在叶片上边缘和壳体壁上均设有凹口和凸起，所以所述止动表面垂直于或基本垂直于所述回流延伸，但所述顶部间隙仍保留在压缩机轮和压缩机壳体之间的整个区域中，即在所述凹口和所述凸起的Z形部分的区域中。
在有利的实施例变体中，壳体壁和叶片上边缘上的止动表面相对于与压缩机轮的旋转轴线垂直的轴向平面以角度α平行地延伸，所述角度α在面向压缩机轮的吸入侧大于0°，优选地为15°-45°。由此，使得壳体壁上的止动表面定向为相对于主气流倾斜，并且所述顶部间隙中的回流已经通过所述止动表面偏转回主气流方向。
在涡轮压缩机的实施例中规定，顶部间隙具有恒定的顶部间隙宽度。所述“顶部间隙宽度”由叶片上边缘与壳体壁之间的距离限定。这通过所述叶片上边缘和所述壳体壁上的凸起和凹口的形状在子午线轮廓的整个路线上完全互补而实现。
涡轮压缩机的替代性实施例的独特之处在于，顶部间隙在与吸入侧叶片边缘相邻的部分中具有第一顶部间隙宽度a，在与排放侧叶片边缘相邻的部分中具有第二顶部间隙宽度b，在凹口和凸起区域的部分中具有在止动表面之间延伸的径向顶部间隙长度c，其中规定，所述顶部间隙宽度以及顶部间隙长度为a<c<b(第一变体)或a>c>b(第二变体)。在第一变体中，顶部间隙的气流横截面从轴向吸入侧到径向排放侧部分变小，而在第二变体中则增大。这通过在一侧上，即仅在叶片上边缘处或仅在壳体壁上设置增大的凹口或相应替代的增大的凸起来实现。
根据包括涡轮压缩机的另一实施例中，在涡轮压缩机中叶片上边缘和壳体壁在其各自的子午线轮廓上分别具有局部地相互配合的多个凹口和多个凸起，使得在沿子午面观察时所述顶部间隙在所述多个凹口和所述多个凸起的区域中限定重复的Z形路线。换句话说，可以在所述叶片的子午线长度上重复特定的不连续轮廓。
在另一改进方案中，涡轮压缩机的独特之处在于，压缩机轮具有多个叶片，所述多个叶片均具有不同的轴向延伸，所述叶片在周向方向上彼此交替布置并且在周向方向上弯曲。具有较短轴向延伸的叶片优选地作为中间叶片(也称为碎叶片)被布置在具有较大轴向延伸的叶片之间。
在一个特定的实施例中，具有较大轴向延伸的叶片在压缩机轮在进气侧的轴向俯视图或投影中覆盖中间叶片。这通过具有较大轴向延伸的叶片的弯曲形状实现，所述叶片在压缩机轮圆周的区域中连续延伸，而中间叶片并不在此区域中延伸。
涡轮压缩机的另一个实施例变体规定，至少或仅有在其各自子午线轮廓上有较大轴向延伸的叶片具有至少一个凹口以及至少一个凸起。这意味着还包括具有中间叶片的压缩机轮，所述中间叶片的子午线轮廓连续延伸，并且没有凹口和凸起。
附图说明
本发明的其他有利的改进方案的特征在从属权利要求中示出，或者参考附图在下文结合本发明的优选实施例的描述更详细地示出。在附图中：
图1显示根据第一实施例的涡轮压缩机的子午面截面图；
图2显示根据图1的涡轮压缩机；
图3显示根据图1和图2的涡轮压缩机的顶部间隙的详细视图；
图4显示图1和图2的涡轮压缩机的压缩机轮的透视图；
图5显示压缩机轮的替代实施例的透视图。
具体实施方式
在图1和图2中示意性地示出沿子午面切开的部分的涡轮压缩机1。仅示出了涡轮压缩机与本发明相关的区域；在此之外，本领域技术人员可以根据现有技术已知的结构重建。
涡轮压缩机1包括压缩机壳体2和压缩机轮4，所述压缩机轮具有沿周向方向分散布置的叶片5。所述压缩机轮在图4中示出。所述压缩机轮4由电机(未示出)驱动，绕旋转轴线RA旋转。压缩机轮4轴向地吸入空气，然后径向地排出。相应的主气流HS在图2中示出。
在压缩机壳体2的固定的壳体壁3与叶片5的叶片上边缘之间设置有顶部间隙7，所述顶部间隙能够使压缩机轮4旋转。所述叶片上边缘没有盖，即未被盖盘覆盖。
叶片5的叶片上边缘和壳体壁3两者沿其各自的子午线轮廓调整，使得流过顶部间隙7的回流RS(见图2)沿相反的方向偏转并输送回主气流HS。为此，在从压缩机轮4的吸入侧前边缘12到其排放侧后边缘6的主气流HS的流动方向上，在与子午线路线相对的叶片5的叶片上边缘上设置有凹口11和凸起10。壳体壁3由与叶片5的凸起10相对的凹口13和与叶片5的凸起11相对的凹口14以互补的形式构成。不连续的子午线轮廓导致顶部间隙7在子午面中观察形成Z形路线，如在根据图1和图2的视图的镜像所示。
取决于从叶片5的哪一侧观察，Z形或镜像Z形的路线导致壳体壁3和叶片5分别具有两个相对于子午线画出的横向支腿8和相互对准的用于气流通过顶部间隙7的止动表面9、9’。在所示的实施例中，壳体壁3的止动表面9是回流RS的主要障碍，并将所述回流RS引回到主气流HS中。所述止动表面9、9’相对于垂直于壳体壁3子午线轮廓或压缩机轮4的叶片上边缘的切线T以角度α倾斜(见图3)。所述角度α优选地在±15°的范围内，在所示的实施例中为-10°。因此，所述Z形路线朝向所述止动表面9的具有清晰反转方向的雷电形路线返回到主气流HS中，并且因此改善了回流RS的返回。
壳体壁3和叶片5的叶片上边缘的相应设计在图3中更详细地示出。可以明显地看到，相对于子午线路线M’调整叶片上边缘的凹口11和凸起10的子午线轮廓，并且相对于子午线路线M调整具有壳体壁3的凹口14和凸起13的子午线轮廓。阴影线区域限定与连续子午线路线M、M’的偏差的相应的尺寸。另外，在图3中顶部间隙宽度a、b由叶片5的叶片上边缘与壳体壁3之间的距离限定，并且顶部间隙长度c在止动表面9、9’之间标出，在所示实施例中显示出a>c>b。壳体壁3的凸起14和叶片上边缘的凹口11以及叶片上边缘的凸起10和壳体壁3的凹口13均相同，使得顶部间隙宽度a和b保持恒定
图1还示出压缩机轮4从其吸入侧前边缘12到其排放侧后边缘6的子午线长度L，以确定Z形路线由凹口11、13和凸起10、14形成，所述子午线长度L的值限定为0<L<1，在所示实施例中为0.47。测量平均顶部间隙长度c。
图4和图5示出了压缩机轮4的不同的实施例，其中压缩机轮4分别具有叶片5，每个叶片具有不同的轴向延伸，所述叶片在周向方向上交替地布置并且在周向方向上弯曲。具有较短轴向延伸或子午线延伸的叶片作为中间叶片5'被布置在具有较大轴向延伸或子午线延伸的叶片5之间。较长的叶片5的弯曲路线导致中间叶片5'在轴向投影中被覆盖。在图4和图5所示的示例性实施例中，叶片5和中间叶片5'均形成有凸起10和凹口11，但是仅有叶片5可以相应地成形而中间叶片5'具有连续的子午线轮廓。根据图5的压缩机轮4的设计的不同之处在于，叶片上边缘的不连续的子午线轮廓在子午线路线上多次形成。然后，壳体壁3以相应互补的方式成形。
全部公开内容既适用于离心压缩机轮，也适用于对角压缩机轮。

Claims (11)

1.一种涡轮压缩机(1)，其具有压缩机壳体(2)和压缩机轮(4)，所述压缩机轮具有叶片(5)，其中所述压缩机轮(4)相对于所述压缩机壳体(2)能够旋转地安装，并通过顶部间隙(7)间隔开，所述顶部间隙(7)位于叶片(5)的没有盖的叶片上边缘和面向所述叶片上边缘的压缩机壳体(2)的压缩机壁(3)之间，其中所述叶片(5)的叶片上边缘以及所述壳体壁(3)分别在其各自的子午线轮廓上具有局部相互配合的至少一个凹口(11、13)和至少一个凸起(10、14)，使得在沿子午面观察时所述顶部间隙(7)在所述凹口(11、13)和所述凸起(10、14)的区域中限定Z形路线。
2.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述压缩机轮从其吸入侧前边缘(12)到其排放侧后边缘(6)的子午线长度(L)的值限定在0<L<1之间，并且所述至少一个凹口和所述至少一个凸起设计成在0.3<L<0.7的范围内，特别是在0.4<L<0.5的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述壳体壁(3)和所述叶片(5)分别具有彼此面对的止动表面(9、9’)，以使气流动通过所述顶部间隙(7)。
4.根据权利要求3所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述止动表面(9、9’)垂直于所述壳体壁(3)的子午线路线和/或所述压缩机轮(4)的叶片上边缘的切线(T)以α＝±15°的角度平行地延伸。
5.根据前述权利要求中一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述顶部间隙(7)具有恒定的顶部间隙宽度，所述顶部间隙宽度由所述叶片上边缘与所述壳体壁之间的距离限定。
6.根据权利要求3至4中任一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述顶部间隙(7)在与吸入侧叶片边缘(12)相邻的部分中具有第一顶部间隙宽度(a)，在与排放侧叶片边缘(6)相邻的部分中具有第二顶部间隙宽度(b)，在凹口和凸起区域的部分中具有在止动表面之间延伸的径向顶部间隙长度(c)，使得：a<c<b。
7.根据权利要求3至4中任一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述顶部间隙(7)在与吸入侧叶片边缘(12)相邻的部分中具有第一顶部间隙宽度(a)，在与排放侧叶片边缘(6)相邻的部分中具有第二顶部间隙宽度(b)，在凹口和凸起区域的部分中具有在止动表面之间延伸的径向顶部间隙长度(c)，使得：a>c>b。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述叶片(5)的叶片上边缘和所述壳体壁(3)分别在其各自的子午线轮廓上方具有局部相互配合的多个凹口(11、13)和多个凸起(10、14)，使得在沿子午面观察时所述顶部间隙(7)在所述多个凹口和所述多个凸起的区域中限定重复的Z形路线。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，所述压缩机轮(4)具有多个叶片(5)，所述多个叶片分别具有不同的轴向延伸，所述叶片在周向方向上彼此交替地布置并且在周向方向上弯曲。
10.根据前述权利要求所述的涡轮压缩机，其特征在于，具有较短轴向延伸的叶片作为中间叶片(5’)布置在具有较大轴向延伸的叶片(5)之间，并且所述具有较大轴向延伸的叶片(5)在所述压缩机轮(4)的吸入侧轴向平面图中覆盖所述中间叶片(5’)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮压缩机，其特征在于，至少或仅有在其各自的子午线轮廓上具有较大轴向延伸的叶片(5)具有所述至少一个凹口(11)和所述至少一个凸起(10)。
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