CN114901953A

CN114901953A - 具有非恒定扩散器叶片节距的扩散器以及包括所述扩散器的离心式涡轮机

Info

Publication number: CN114901953A
Application number: CN202180007727.0A
Authority: CN
Inventors: L·托尼; V·米凯拉西
Original assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Current assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-08-12
Also published as: EP4093977A1; IT202000001216A1; JP2023509416A; CA3164549A1; KR20220116295A; WO2021148237A1; US20230042068A1; JP7483010B2; AU2021211077A1; AU2021211077B2

Abstract

一种用于离心式涡轮机(1)以减少失速或防止发生失速的新型扩散器(11)。扩散器包括围绕扩散器轴线(A‑A)布置的扩散器叶片(11.1)。每个扩散器叶片(11.1)包括：前缘(11.3)、后缘(11.5)、径向向内面向的吸力侧(11.7)以及径向向外面向的压力侧(11.9)。相应的流动通道限定在每对相邻布置的扩散器叶片中的第一扩散器叶片(11.1)的吸力侧(11.7)与第二扩散器叶片(11.1)的压力侧(11.9)之间。扩散器叶片(11.1)围绕扩散器轴线(A‑A)以非恒定节距布置。在它们之间限定相应的流动通道的每对相邻布置的第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)之间的节距(S1、S2)与所述第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)中的一者的弦相关。

Description

具有非恒定扩散器叶片节距的扩散器以及包括所述扩散器的离心式涡轮机

技术领域

本公开涉及径向涡轮机。更具体地，本公开的实施方案涉及离心式涡轮机，诸如包括一个或多个新型刀片式扩散器(即叶片式扩散器)的离心式泵和/或离心式压缩机。

背景技术

离心式压缩机用于多种应用中以增强气体压力。离心式压缩机包括壳体和一个或多个叶轮，该叶轮被布置成在壳体中旋转。传递到叶轮的机械能量通过旋转叶轮以动能的形式传递到气体。由叶轮加速的气体流动通过周向围绕叶轮的扩散器，该扩散器收集气体流并降低其速度，将动能转换为气体压力。

为了更好地引导气体流通过扩散器，已经开发出叶片式扩散器。扩散器叶片在更径向方向上重新引导气体流并且改善压缩机的空气动力学效率。然而，扩散器叶片生成压力脉冲，该压力脉冲激发叶轮刀片的振动。叶轮振动可能因高循环疲劳(HCF)而引起叶轮故障。

为了减低因扩散器叶片诱导的振动而引起的叶轮故障风险，已经开发出具有所谓的非周期性扩散器的离心式压缩机。非周期性扩散器是叶片式扩散器，其中扩散器叶片被布置成非对称且非周期性排布结构。例如，US 7,845,900和WO2011/096981中公开了用于离心式压缩机的非周期性扩散器。

用于离心式压缩机的非周期性扩散器的一些实施方案包括扩散器叶片，该扩散器叶片根据可变节距布置，即布置成使得在它们之间限定流动通道的两个相邻的扩散器叶片的角间距不同于在它们之间限定另一个流动通道的两个其它相邻扩散器叶片的角间距。人们已经发现，扩散器叶片的不规则(即非恒定)角间距降低了叶轮叶片振动的激发。

然而，扩散器叶片的不对称、非周期性设计对压缩机的操作范围产生不利影响。更具体地，增加相邻扩散器叶片之间的角间距(节距)会导致相关流动通道的密实度降低。密实度是叶片弦(即，叶片的后缘与前缘之间的距离)与两个连续叶片之间的节距之间的比率。降低密实度导致缩小质量流范围，在该范围内，压缩机可在不失速或性能没有显著降低的情况下操作。达到失速状况的最小质量流速因密实度降低而增加。因此，尽管在减少振动方面是有益的，但是在压缩机的可操作性被降低的情况下，可变叶片节距是有害的。

本领域将会欢迎一种新型扩散器设计，该设计在减少叶轮振动方面提高了压缩机的性能，而对压缩机的操作范围产生较少的负面影响。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种用于离心式涡轮机的扩散器，诸如离心式压缩机(或离心式泵)。扩散器包括多个扩散器叶片，该多个扩散器叶片围绕扩散器轴线周向布置。每个扩散器叶片包括：与扩散器轴线相距第一距离的前缘、与扩散器轴线相距第二距离的后缘、径向向内面向并且从前缘延伸到后缘的吸力侧、径向向外面向并且从前缘延伸到后缘的压力侧，该第二距离大于该第一距离。扩散器叶片限定多个流动通道。更具体地，在每对相邻(即连续)叶片之间，在每对扩散器叶片中的第一扩散器叶片的吸力侧和第二扩散器叶片的压力侧之间限定流动通道。扩散器叶片围绕扩散器轴线以非恒定节距布置。为了改善压缩机的操作范围并且降低节距变化对压缩机可操作性产生的负面影响，在它们之间限定相应的流动通道的每对相邻布置的第一扩散器叶片和第二扩散器叶片之间的节距与所述第一扩散器叶片和第二扩散器叶片中的一者的弦(具体地，与弦的长度)相关。

更具体地，与节距相关的弦是扩散器叶片的弦，该扩散器叶片的吸力侧面向流动通道。

弦和节距之间的相关性使得扩散器叶片之间的节距增加可能引起的密实度降低至少部分地被弦长度的增加所被抵消。

本文还公开了一种用于包括围绕扩散器轴线周向布置的多个扩散器叶片的离心式涡轮机(尤其是离心式压缩机(或离心式泵))的叶片式扩散器。每个扩散器叶片包括：前缘、后缘、径向向内面向并且从前缘延伸到后缘的吸力侧、径向向外面向并且从前缘延伸到后缘的压力侧。相应的流动通道限定在每对彼此相邻布置的扩散器叶片中的第一扩散器叶片的吸力侧与第二扩散器叶片的压力侧之间。扩散器叶片围绕扩散器轴线以非恒定节距布置。此外，扩散器叶片具有非恒定弦，并且第一扩散器叶片的弦与每对扩散器叶片中的第一扩散器叶片和第二扩散器叶片之间的节距之间的比率基本上恒定。

扩散器叶片可被布置成使得所有扩散器叶片的前缘被布置在围绕扩散器轴线的相同圆周上。在此类情况下，相邻扩散器叶片(其间形成相应的流动通道)之间的节距是形成流动通道的所述两个扩散器叶片的两个前缘的沿着所述圆周的距离。

然而，如将在对实施方案的以下描述中更详细地描述，扩散器叶片可被布置成使得前缘不是全部沿着扩散器轴线周围的最小直径的相同圆周放置。相反，形成流动通道的至少一对扩散器叶片的两个扩散器叶片可被布置成使相应的前缘与扩散器轴线相距可变距离。

相邻(即连续)扩散器叶片之间的节距可被定义为两个相邻扩散器叶片的弧线之间的在与扩散器轴线相距最小距离处测量得出的距离，其中，所述两个扩散器叶片均存在。

本文公开了一种涡轮机，并且具体地是一种离心式压缩机或离心式泵，包括至少一个叶轮和如上文和下文所定义的至少一个叶片式扩散器。

新型扩散器以及包括扩散器的离心式涡轮机的附加特征和实施方案在下文进行概述并且在所附权利要求中列示，所附权利要求书形成说明书的整体部分。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：

图1示出根据包含压缩机的旋转轴线的平面的压缩机的示意性剖视图；

图2示出在一个实施方案中的根据图1的压缩机的扩散器的图1中的线II-II的剖视图；

图3示出图1的压缩机的扩散器的等轴视图；

图4示出图2的放大细节；

图5以质量流与压力比率图示意性地示出压缩机级的特性操作曲线；

图6示出图5的两个不同操作点中的流动方向；

图7、图8和图9示出根据三个实施方案中的本公开的扩散器中的节距、弦和密实度的变化；并且

图10示出在另一实施方案中的根据图1的压缩机的扩散器的图1中的线II-II的剖视图。

具体实施方式

人们已经发现，由于在限定扩散器的流动通道的相邻扩散器叶片之间的节距增加而对压缩机可操作性产生的负面影响可被扩散器叶片的弦长度的对应增加所抵消，扩散器叶片的吸力侧面向流动通道。这样，减少了由节距增加而引起的密实度降低，并且使其至少部分地被弦的对应变化所抵消。在一些实施方案中，节距和弦变化的组合可使得围绕扩散器周围(即在叶片式扩散器的相邻叶片对之间限定的各种流动通道中)的密实度保持基本上恒定。

现在参考图1，在沿着含有压缩机的旋转轴线的平面的剖视图中示出离心式压缩机1的一部分。图1中所示的部分限于离心式压缩机的一级。根据压缩机设计和压缩机要求，不同压缩机的压缩机级的数量，以及因此叶轮的数量可不同。根据本公开的扩散器的新型特征可体现在给定压缩机的一个扩散器、一些扩散器或优选地所有的扩散器中。

压缩机包括壳体3，其中，布置了分离连续压缩机级的隔膜5。每个压缩机级包括叶轮7，该叶轮得到支撑以在壳体3中旋转。叶轮7可收缩配合在旋转轴9上。在未示出的其它实施方案中，根据离心式压缩机领域的技术人员已知的设计，叶轮7可以是堆叠式叶轮，并且本文未对其进行公开。叶轮7具有叶轮轮毂7.1，多个叶轮刀片7.3从该叶轮轮毂突出。每个叶轮刀片7.3具有前缘7.5和后缘7.7。前缘7.5沿着叶轮入口布置，并且后缘7.7沿着叶轮出口布置。后缘7.7被布置成与旋转轴线A-A相距的距离大于前缘7.5的距离。

在图1中所示的实施方案中，叶轮7进一步包括护罩7.9。在未示出的其它实施方案中，叶轮7可以是不具有护罩的叶轮，在这种情况下，省略护罩7.9。

围绕叶轮出口布置扩散器11。扩散器11围绕叶轮7并且与其同轴。在沿着图1的线II-II截取的图2的剖视图中和图3的等轴视图中单独示出扩散器11。在图4中示出图2的细节的放大视图。扩散器11围绕叶轮7周向延伸并且具有与轴9的旋转轴线A-A重合的轴线。

扩散器11是所谓的设置有围绕扩散器轴线A-A布置的多个扩散器叶片11.1的叶片式扩散器。扩散器叶片11.1的目的是在更径向方向上重新引导进入的气体流，即减少排出扩散器11的气体流的切向速度分量并且提高压力恢复和总级效率。

每个扩散器叶片11.1包括前缘11.3和后缘11.5。前缘11.3与后缘11.5之间的距离被称为扩散器叶片11.1的弦B。前缘11.3与轴线A-A相距的距离小于后缘11.5的距离。

每个扩散器叶片11.1进一步包括吸力侧11.7和压力侧11.9。每个扩散器叶片11.1上的空气动力学负载使得吸力侧是朝向扩散器11的入口的叶片侧，即扩散器叶片11.1的径向向内面向的一侧。相反，压力侧是扩散器叶片11.1的面向扩散器11的出口即径向向外面向的一侧。

在扩散器11的入口处的气体流动方向取决于通过压缩机的质量流速。更径向的流动方向(更低的切向速度分量)发生在更高的质量流速下，并且更切向的流动方向(更高的切向速度分量)发生在更低的质量流速下。整个压缩机级的压力比率随着质量流速降低而增高。

图5以质量流速与压力比率图示意性地示出离心式压缩机级的特性曲线。质量流速绘制在水平轴线上，并且压力比率绘制在垂直轴线上。特性曲线标记为CC。在扩散器入口处的流动角度(即在扩散器11的入口处的气体速度的方向)随着质量流速下降而变得更加切向。图6示意性地示出了特性曲线的两个相反操作点PA和PB中的流动角度。VA和VB是分别对应于操作点PA和PB的在扩散器叶片11.1的前缘处的的速度矢量。

压缩机的质量流速具有引起失速状况的下限。这种极限在图5的图表中表示为失速极限SL。扩散器叶片11.1主要在吸力侧11.7上失速。当速度矢量达到矢量VB的倾斜度时，流从扩散器叶片11.1的吸力侧11.7脱离。为了防止压缩机发生损坏，压缩机的操作点应保持在与失速极限SL相距安全距离处。

如果扩散器的密实度降低，则失速极限SL可偏移到图5的图表的右侧，从而减小压缩机在质量流速方面的操作范围。密实度被定义为扩散器叶片11.1的弦与两个连续(即相邻布置的)扩散器叶片11.1的间距之间的比率。在扩散器叶片之间的节距恒定的叶片式扩散器中，密实度被定义为

并且对于每个流动通道，密实度是相同的。B是扩散器叶片的弦，并且S是节距，即相邻扩散器叶片11.1之间的间距，即两个连续布置的扩散器叶片11.1的距离。

密实度影响失速极限，因为更低的密实度可能暗示更早的失速，即，图5的图表中的失速极限朝向右侧偏移。

在当前技术的在周向布置的扩散器叶片11.1之间的节距是非恒定的叶片式扩散器中，密实度再次被定义为

对于每个第i个流动通道，其中，Si是间距，即限定第i个流动通道的两个连续扩散器叶片11.1之间的节距。由于围绕扩散器的密实度是非恒定的，因此，可能在密实度最小的流动通道(即最大节距Si)处产生失速状况。对于在安全状况下操作的压缩机，操作点应处于与最关键流动通道(即具有最大节距的流动通道)的失速极限相距安全距离处。这基本上缩小了压缩机的可操作性范围。因此，根据现有技术的压缩机设计，意在降低叶轮的高循环疲劳故障的风险的振动减少降低了压缩机的可操作性。

为了减轻上述缺点，本公开的实施方案提供了一种扩散器设计中的新型方法。由相邻扩散器叶片11.1之间增加的节距确定的密实度降低通过增加相关扩散器叶片的弦(更具体地，其吸力侧可能发生失速的扩散器叶片11.1的弦)而得到平衡。这种扩散器叶片是其吸力侧面向相关流动通道的扩散器叶片。

参考图4，继续参考图1、图2和图3，在没有任何一般性损失的情况下，示出了扩散器11的一部分的放大图。在本实施方案中，根据两个不同的节距或间距S1和S2布置扩散器叶片11.1。更具体地，间距S2大于S1。

更具体地，在本实施方案中，以间距S1和S2交替地布置连续的扩散器叶片11.1对。换言之，围绕扩散器轴线沿顺时针方向移动，在限定它的扩散器叶片11.1之间具有间距S1的第一通道P1之后的是在限定第二通道P2的相应扩散器叶片11.1之间具有间距S2(S2＞S1)的第二通道P2。下一个通道再次具有间距S1，等等。在本实施方案中，通道P1、P2具有非恒定节距。

如果形成通道P1和P2的三个随后布置的叶片的弦B相等，则第一通道P1的密实度将会高于第二通道P2的密实度，如下：

其中，

Si是第i个流动通道的节距或间距

σ_Pi是第i个流动通道Pi的密实度。

具有更低密实度的通道P2可能导致较早发生失速。然后，P2将会是压缩机可操作性的极限通道。为了避免这种情况，本文公开的实施方案提供具有可变(即非恒定)弦B的扩散器叶片11.1。更具体地，扩散器叶片11.1的弦B与节距(即连续或相邻扩散器叶片11.1之间的间距S)相关，增加形成通道P的其中一个扩散器叶片的弦B会重新平衡通道的密实度，如下所示：

其中，Bi是限定第i个通道Pi的两个扩散器叶片11.1中的一者的弦。更具体地，Bi是其吸力侧11.7面向第i个通道Pi的扩散器叶片的弦，如图4所示。在这种情况下，限定扩散器流动通道的密实度，作为其吸力侧面向流动通道的扩散器叶片11.1的弦与两个扩散器叶片11.1之间的节距之间的比率，该两个扩散器叶片之间限定了流动通道。

通过使每个第i个流动通道Pi的第一扩散器叶片11.1的弦B取决于形成流道的两个扩散器叶片之间的节距或间距Si，由节距变化引发的密实度变化的影响被弦变化所平衡。

因此，通过平衡因节距增大(其中，相关扩散器叶片11.1的弦增加)而导致的密实度降低，实现了节距变化在减少叶轮振动方面的有益效果，而不会对压缩机可操作性产生负面影响。

在优选实施方案中，每个扩散器叶片弦Bi和每个第i个流动通道Pi的叶片节距或间距Si之间的关系使得流动通道的密实度σ_Pi保持恒定。

然而，严格恒定的密实度值并非强制性的。在增强的压缩机可操作性方面，也可以实现有益效果，如果密实度在预设值附近保持基本上恒定，则也可以实现增强压缩机可操作性方面的有益效果。如本文所用，“基本上恒定”可理解为在预设恒定密实度值附近+/-20％的范围内的密实度。根据本文公开的实施方案，“基本上恒定”可理解为保持在预设恒定密实度值附近+/-10％的范围(并且优选地在+/-5％的范围，并且优选地在+/-2％的范围)内的密实度。

图7图示示出绘制在横坐标上的针对流动通道的角位置的节距(间距)S和弦B的图表。依次布置的扩散器叶片对的节距标记为S1、S2、...Si、...Sn。每个流动通道P1、P2、...Pi、...Pn的第一扩散器叶片11.1的对应弦标记为B1、B2、...Bi、...Bn。水平直线σconst表示恒定密实度值，而σmin和σmax表示在预设恒定密实度值σconst附近的密实度值的允许范围的最小值和最大值。如上所述，σmin可比σconst低20％，或优选地低10％，或更优选地低5％，或甚至更优选地比σconst低2％。类似地，σmax可比σconst高20％，优选地高10％，或更优选地高5％，或甚至更优选地比σconst高2％。

在图2、图4中，示出了根据两个不同节距S1和S2的相邻扩散器叶片11.1之间的节距S的循环变化与叶片弦B的对应循环变化。在其它实施方案中，可根据两个以上的不同节距或间距S1、S2(图7)布置叶片。

在其它实施方案中，间距和弦两者的变化可以是随机的(如图8中所示)而不是循环的。图10示出具有随机布置的扩散器叶片11.1的扩散器11的剖视图。

在又另外的实施方案中，变化可以是单调的，即，间距和弦可围绕扩散器轴线A-A从第一流动通道开始到最后一个扩散器通道逐渐减小，如图9所示。

为了进一步减少叶轮刀片的振动，可使扩散器叶片的附加特征围绕扩散器轴线可变化。根据一些实施方案，例如，扩散器叶片11.1可具有可变轮廓。在一些实施方案中，扩散器叶片可具有径向位置可变的前缘和/或后缘。附加地或另选地，扩散器叶片可具有可变倾斜度。

此外，虽然在图1中，扩散器具有恒定高度，但是在一些实施方案中，扩散器可在切向方向上和/或流动方向上具有可变高度。

上述实施方案具体地是指离心式压缩机。然而，根据本公开的新型扩散器也可有利地用于离心式泵中，其结构类似于图1中所示的结构。

上文已经公开并且在附图中图示了示例性实施方案。本领域的技术人员将理解，在不脱离如以下权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可对本文具体公开的内容进行各种变化、省略和增添。

Claims

1.一种用于离心式涡轮机(1)的扩散器(11)，所述扩散器包括：多个扩散器叶片(11.1)，所述多个扩散器叶片围绕扩散器轴线(A-A)周向布置；其中，每个扩散器叶片(11.1)包括：与所述扩散器轴线(A-A)相距第一距离的前缘(11.3)、与所述扩散器轴线(A-A)相距第二距离的后缘(11.5)、径向向内面向并且从所述前缘(11.3)延伸到所述后缘(11.5)的吸力侧(11.7)、径向向外面向并且从所述前缘(11.3)延伸到所述后缘(11.5)的压力侧(11.9)，所述第二距离大于所述第一距离；其中，相应的流动通道限定在每对相邻布置的扩散器叶片中的第一扩散器叶片(11.1)的所述吸力侧(11.7)与第二扩散器叶片(11.1)的所述压力侧(11.9)之间；并且其中，所述扩散器叶片(11.1)围绕所述扩散器轴线(A-A)以非恒定节距布置；其中，在它们之间限定相应的流动通道的每对相邻布置的第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)之间的节距(S1、S2)与所述第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)中的一者的弦(B)相关；其中，所述扩散器叶片(11.1)具有长度可变的弦；其中，选择每对相邻布置的扩散器叶片(11.1)之间的所述节距(S1、S2)和所述第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)中的所述一者的弦，使得每个流动通道(Pi)的密实度保持在大约恒定密实度值的范围内；并且其中，所述扩散器叶片(11.1)具有径向位置可变的所述前缘(11.3)。

2.根据权利要求1所述的扩散器(11)，其中，在它们之间限定相应的流动通道的每对相邻布置的第一扩散器叶片(11.1)和第二扩散器叶片(11.1)之间的所述节距与所述第一扩散器叶片(11.1)的所述弦相关，所述第一扩散器叶片的所述吸力侧(11.7)面向所述相应的流动通道。

3.根据权利要求1或2所述的扩散器(11)，其中，所述范围等于所述恒定密实度值的+/-20％，优选地等于所述恒定密实度值的+/-10％；更优选地+/-5％，并且甚至更优选地所述恒定密实度值的+/-2％。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，所述扩散器叶片(11.1)具有可变轮廓。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，所述节距和所述弦两者的变化是随机的。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，所述节距和所述弦的变化是单调的，所述节距和所述弦围绕所述扩散器轴线A-A从第一流动通道开始到最后一个流动通道逐渐减小。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，所述扩散器叶片(11.1)具有径向位置可变的所述后缘(11.5)。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，所述扩散器叶片(11.1)具有可变倾斜度。

9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)，其中，扩散器高度在切向方向和流动方向中的至少一者上是可变的。

10.一种用于离心式涡轮机(1)的扩散器(11)，所述扩散器包括：多个扩散器叶片(11.1)，所述多个扩散器叶片围绕扩散器轴线(A-A)周向布置；其中，每个扩散器叶片(11.1)包括：前缘(11.3)、后缘(11.5)、径向向内面向并且从所述前缘延伸到所述后缘的吸力侧(11.7)、径向向外面向并且从所述前缘(11.3)延伸到所述后缘(11.5)的压力侧(11.9)；其中，相应的流动通道(P)限定在每对相邻布置的扩散器叶片(11.1)中的第一扩散器叶片(11.1)的所述吸力侧(11.7)与第二扩散器叶片(11.1)的所述压力侧(11.9)之间；并且其中，所述扩散器叶片(11.1)围绕所述扩散器轴线(A-A)以非恒定节距(S1、S2)布置；其中：所述扩散器叶片(11.1)具有非恒定弦(B)；其中，所述第一扩散器叶片(11.1)的所述弦与每对扩散器叶片(11.1)中的所述第一扩散器叶片和所述第二扩散器叶片之间的所述节距(S1、S2)之间的比率基本上恒定；并且其中，所述扩散器叶片(11.1)的所述前缘与所述扩散器轴线相距可变径向距离。

11.根据权利要求10所述的扩散器(11)，其中，所述比率维持在大约恒定密实度值的范围内。

12.根据权利要求11所述的扩散器(11)，其中，所述范围等于或低于所述恒定密实度值的+/-20％，优选地等于或低于所述恒定密实度值的+/-10％；更优选地等于或低于+/-5％，并且甚至更优选地等于或低于所述恒定密实度值的+/-2％。

13.一种离心式涡轮机(1)，包括：至少一个叶轮(7)，所述至少一个叶轮被布置成围绕旋转轴线(A-A)旋转；以及根据前述权利要求中的一项或多项所述的扩散器(11)。

14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述涡轮机是离心式压缩机。