CN117716135A - 离心式加速稳定器 - Google Patents

Abstract

动力式压缩机包括叶轮、护罩和扩散器，叶轮具有围绕轮毂设置的叶轮叶片，扩散器具有邻近护罩的护罩表面和邻近轮毂的轮毂表面，其中扩散器围绕叶轮周向设置。扩散器包括从轮毂表面延伸至护罩表面的多个扩散器叶片，每个扩散器叶片均具有叶片前缘和叶片后缘。扩散器包括形成在位于限定在叶轮后缘和叶片前缘之间的无叶片区域中的护罩表面中的离心式加速稳定器环。离心式加速稳定器环通过将离开叶轮的周向流动的高速流体流改变成进入扩散器之前的径向流动的高速流体流来稳定流体的流动，从而提高动力式压缩机的效率。

Description

离心式加速稳定器

背景技术

动力式压缩机被用来为各种应用提供加压流体流。诸如离心式压缩机之类的动力式压缩机通过叶轮的旋转向流体流添加能量来增加连续流体流的压力。

附图说明

参考附图描述具体实施方式。在说明书和附图中的不同情况下使用相同的附图标记可以指示类似或相同的项目。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器的离心式压缩机的护罩的等距视图。

图2是根据本发明的示例性实施例的沿图1中的线2-2截取的图1所示离心式压缩机的护罩的局部横截面侧视图。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器的离心式压缩机的局部横截面侧视图。

图4是示出根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器的离心式压缩机的等距横截面视图。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器的离心式压缩机的等距横截面视图。

图6是根据本发明的示例性实施例的沿着图4的圆圈6截取的图4所示的离心式压缩机的局部等距横截面侧视图，该图示出离心式加速稳定器环具有半圆形轮廓。

图7是根据本发明的示例性实施例的沿着图5的圆圈7截取的图5所示的离心式压缩机的局部等距横截面侧视图，该图示出离心式加速稳定器环具有半圆形轮廓。

图8是示出根据本发明的示例性实施例的具有弯曲轮廓和基本上平坦的顶表面的离心式加速稳定器环的局部等距横截面侧视图。

图9是根据本发明的示例性实施例的沿线9-9截取的图3所示的离心式压缩机的等距横截面仰视图，所示离心式压缩机具有定位在叶轮的后缘和多个扩散器叶片的前缘之间的离心式加速稳定器环。

图10是没有离心式加速稳定器环的扩散器内的速度的示意图。

图11是图10所示的扩散器内部的速度的局部示意图，该图示出了扩散器入口处的次级流动区域。

图12是根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器环的离心式压缩机(如图3所示的离心式压缩机)内部的速度的示意图。

图13是根据本发明的示例性实施例的具有离心式加速稳定器环的扩散器内部的速度的局部示意图。

图14是根据本发明的示例性实施例的图13所示的具有离心式加速稳定器环的扩散器内部的速度的示意图，该图示出扩散器的入口处的次级流动区域。

图15是根据本发明的示例性实施例的诸如图3中所示的离心式压缩机的离心式压缩机的示意图，其中计算流体动力学(CFD)模型的测试点用于评估离心式压缩机在测试点处的总效率。

图16是根据本发明的示例性实施例的示出在图15中选择的测试点处获取的图15所示的离心式压缩机的CFD模型的总效率的效率图。

图17是将不具有离心式加速稳定器的离心式压缩机和根据本发明的示例性实施例的具有离心式压缩机稳定器的压缩机的效率进行比较的归一化效率图。

具体实施方式

为了促进对主题原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言来描述相同的实施例。然而，应当理解，并不旨在限制主题的范围。所描述的实施例中的任何改变和进一步的修改，以及如本文所描述的主题的原理的任何进一步的应用都被预期为本主题相关领域的技术人员通常会想到的。

概述

动力流体机械或涡轮机械是从流体提取能量和/或增加流体动能的机械装置。涡轮机械包括涡轮机、泵和动力式压缩机，例如轴流式压缩机和离心式或径流式压缩机。动力式压缩机是使用快速旋转元件加速空气或气体的旋转连续流动机器。动力式压缩机使用动态位移压缩来压缩例如气体(例如空气)的流体。例如，动力式压缩机可被配置为离心式压缩机，其使用在围绕轮毂设置的叶轮叶片之间吸入气体以将气体加速至高速的叶轮。叶轮周围的护罩引导气体离开叶轮。然后气体经由形成在轮毂表面和护罩表面之间的扩散器通道通过扩散器排出。在扩散器中，流动的动能减少，气体的静压增加。

流体流动本质上是三维的，这意味着诸如速度和压力之类的流体流动参数是所有三个坐标方向的函数。在三维流场应用中，流场分为初级流或核心流和次级流。初级流平行于流体运动的主方向流动(例如，沿与流体运动的主方向相同的方向)，而次级流垂直于流体运动的主方向流动。在许多叶轮设计中(尤其是高流量系数叶轮)，在叶轮排放口处以及靠近扩散器入口的护罩侧处的扩散器通道内形成了次级流区域。由于初级流和次级流之间存在显著的动量差异，因此在轮毂表面(核心流占主导)和护罩表面(次级流占主导)之间的气流角度会发生巨大变化。该次级流区域的形状和大小根据叶轮的设计而变化，在扩散器通道容量的百分之十(10％)到百分之三十(30％)之间变化，并导致整体压缩机级性能效率的显著损失。

为了克服这种效率损失，某些离心式压缩机设计挤压从叶轮出来的扩散器通道。例如，在护罩表面和轮毂表面之间形成的扩散器通道的横截面积逐渐减小，直到达到最小喉部值。然而，通过减小扩散器通道的面积，会引起流体流动的加速。

本发明涉及一种具有离心式加速稳定器环的离心式压缩机，该离心式加速稳定器环减少再循环流的影响而不沿整个扩散器通道加速流体流动。离心式加速稳定器环位于叶轮的出口处，导致扩散器通道入口处的无叶片区域中的流体流动加速。离心式加速稳定器环使初级流场和次级流场对准，迫使次级流遵循流体运动的主方向(相对于离心式压缩机的旋转轴线径向)。

示例性实施例的具体实施方式

总体参考图1至图15，描述了根据本发明的示例性实施例的离心式压缩机100。在实施例中，动力式压缩机可被配置为提供加压流体流的离心式压缩机100，如图3至图6中所示的离心式压缩机。离心式压缩机100包括与叶轮104流体连通的入口101。入口101将流体流106供给至叶轮104，叶轮104被构造成接收流体流106、将流体流106加速至更高的速度，然后分配流体流106。

叶轮104包括围绕轮毂109设置的多个桨叶108和叶轮后缘113。多个桨叶108构造成绕轴线110旋转以接收与轴线110对准的流体流106。叶轮104可以由配置成提供旋转输出的驱动器(未示出)驱动，例如电动机、内燃机等。在本示例中，叶轮104将流体流106加速到更高的速度，然后沿至少大致垂直于轴线110的方向(例如，相对于轴线110径向地)以高速分配流体流106。在示例性实施例中，叶轮104可以是半开放式或半封闭式叶轮。半开放式叶轮一侧开放，一般为进口侧，并且一侧封闭，一般为轮毂侧。半开放式叶轮也可称为开式(open-face)叶轮。应当理解，全开放式叶轮或封闭式叶轮(带护罩的叶轮)可以用在离心式压缩机100的不同示例性实施例中。

根据示例性实施例，离心式压缩机100包括如图1和图2所示的护罩102，护罩102配置为围绕叶轮104并引导流体流106离开叶轮104。离心式压缩机100还包括与叶轮104流体连通的扩散器112。扩散器112围绕叶轮104周向地设置，与护罩102相对。

参照图3至图5，扩散器112包括扩散器通道111，扩散器通道111由邻近护罩102的护罩表面122和邻近轮毂109的轮毂表面124限定。扩散器112构造成从叶轮104接收高速的流体流106，并将高速流体流106转换成高压流体流106。以这种方式，离心式压缩机100产生高压流体输出。在实施例中，扩散器112可包括多个扩散器叶片(例如，叶片和/或小叶片)114。多个扩散器叶片114从轮毂表面124延伸至护罩表面122。在示例性实施例中，多个扩散器叶片可以从轮毂表面124部分地延伸至护罩表面122。如图9所示，多个扩散器叶片114中的每一者均包括叶片前缘115和叶片后缘117。图9示出了低稠度扩散器(LSD)，其中扩散器叶片114布置成单排。在其他示例性实施例(未示出)中，扩散器112可以具有多排扩散器叶片(例如，叶片和/或小叶片)114，可以是楔形通道扩散器、无叶片扩散器、或部分叶片扩散器，其中扩散器叶片(例如，叶片和/或小叶片)114在护罩表面122和轮毂表面124之间交错。

离心式压缩机100还包括与扩散器112流体连通的蜗壳116。蜗壳116从扩散器112接收高压流体流106并且从离心式压缩机100排出高压流体流106。蜗壳116包括排出高压流体流106的蜗壳排放口118，高压流体流106从此处被引导至其最终应用或至下一个压缩机级(未示出)。

在图4和图5所示的示例性实施例中，扩散器112是平行壁式扩散器，其中护罩表面122和轮毂表面124沿着扩散器112的整个径向长度彼此平行。在其他实施例(未示出)中，护罩表面122和轮毂表面124可以是渐缩的以保持恒定的面积，或者可以是渐缩的以限制与平行壁式扩散器相关的面积扩大。

扩散器通道包括限定在叶轮后缘113和叶片前缘115之间的无叶片区域。在离开叶轮104时，流体流106可被认为由两(2)个流动区域组成：初级等熵核心和次级流区域。次级流区域具有较低的径向动量，并且可以产生邻近护罩表面122的再循环区域，如图10和图11所示。为了使流体流106在叶轮后缘113出口处的再循环减少到最低限度，离心式加速稳定器环120设置在扩散器112的扩散器叶片114之前的无叶片区域处，如图3所示。离心式加速稳定器环120通过使流体流106进入扩散器112的通道变窄而在叶轮的出口导流器和扩散器的前缘之间产生短的加速区域。流体流106被激励并且被引导向等熵核心流，或初级流。在该加速区域之后，流体流106被引导至扩散器112的多个扩散器叶片114，从而带来更稳定(且有效)的扩散过程。离心式加速稳定器环120被配置成增加在扩散器112中流动的流场的较低动量区域的径向速度，从而在重新扩大该区域以促进扩散之前带来穿过扩散器通道111的更均匀的流场，然后进入具有多个扩散器叶片114的叶片区域。

离心式加速稳定器环120可显著降低与流体流106的再循环相关的总效率损失。由于离心式加速稳定器环120仅在流体流106被多个扩散器叶片114扩散之前挤压扩散器通道，并且护罩表面122和轮毂表面124的壁在扩散器通道的剩余径向长度上保持平行高度，因此扩散器112保持高扩散值。

在实施例中，离心式加速稳定器环120可直接加工到护罩表面122中。在其他示例性实施例中，离心式加速稳定器环120可在次级流区域形成的无叶片区域处永久地或可拆卸地附接到护罩表面122。在又一些示例性实施例中，离心式加速稳定器环120可以沿着护罩102铸造。

参照图6至图8，示出了离心式加速稳定器环120的横截面轮廓的不同示例性实施例。离心式加速稳定器环的横截面轮廓由突出部限定。在示例性实施例中，离心式加速环120由弯曲的半圆形突出部限定，如图6和图7所示。在另一示例性实施例中，离心式加速稳定器环120的横截面轮廓由具有基本上平坦的顶表面的拱形突出部限定，如图8所示。在又一些示例性实施例中，离心式加速稳定器环120的横截面轮廓可以由翼型、卵形或椭圆形突出部(未示出)限定。

在图9所示的示例性实施例中，离心式加速稳定器环120的横截面轮廓占据无叶片区域的整个径向长度。在不同的实施例(未示出)中，离心式加速稳定器环120可以仅覆盖无叶片区域的部分径向长度。离心式加速稳定器环120可以从叶片前缘115偏移，以防止离心式压缩机100的组件的干扰。在示例性实施例中，无叶片区域121的径向长度在叶轮104半径的百分之十(10％)和百分之二十五(25％)之间延伸。离心式加速稳定器环120的高度可以在扩散器通道高度的百分之五(5％)和百分之二十(20％)之间，或者在护罩表面122和轮毂表面124之间的距离的百分之五(5％)和百分之二十(20％)之间。应当理解，离心式加速稳定器环120的横截面轮廓的径向长度和高度都可以低于或高于所讨论的示例性实施例。

参照图10和图11，示出了不具有离心式加速稳定器环的离心式压缩机的计算流体动力学(CFD)图。正如所观察到的，叶轮出口处的流体流中存在一个低径向动量区域，形成导致扩散器效率损失的再循环或次级流区域。图12至图15示出了具有离心式加速稳定器环120的离心式压缩机100的CFD图。利用离心式加速稳定器环120，次级流区域被减小，并且流体流在进入扩散器112的多个扩散器叶片114之前更快地稳定。

参照图15，示出了模拟具有离心式加速稳定器120的离心式压缩机100的总效率的CFD模型。图15包括位于扩散器112的不同径向长度处的测试点P1、P2、P3、P4和P5。P1位于距叶轮后缘或者叶轮半径的扩散器径向长度的百分之一(1％)处。P2位于距叶轮后缘的扩散器径向长度的百分之四(4％)处。P3位于距叶轮后缘的扩散器径向长度的百分之十(10％)处。P4位于距叶轮后缘的扩散器径向长度的百分之二十(20％)处。P5位于扩散器112的出口处，并且在收集器(未示出)的入口之前。

图16是绘制在点P1、P2、P3、P4和P5处取得的总效率的效率图。x轴表示相对于扩散器通道111的轮毂表面124测量的轴向距离Z，其中轮毂表面124(扩散器的底板)处于Z＝0处。这些曲线展示了当从轮毂表面124(扩散器的底板)到护罩表面122(扩散器顶部)测量时，在由点P1、P2、P3、P4和P5表示的不同径向位置处，效率如何沿着轴向距离Z变化。

参考图17，示出将不具有离心式加速稳定器(CAS)环的离心式压缩机和具有离心式压缩机稳定器环的压缩机的效率进行比较的归一化效率图。y轴上的效率值归一化为不带离心式加速稳定器的离心式压缩机的峰值效率值。x轴表示归一化为每台离心式压缩机的叶轮的设计质量流量的质量流量。

尽管已经以特定于结构特征和/或过程操作的语言描述了本主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，上述具体特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。

Claims (20)

1.一种离心式压缩机，包括：

叶轮，所述叶轮具有围绕轮毂设置的多个叶轮叶片，所述叶轮被配置为能够绕旋转轴线旋转以接收至少基本上与所述旋转轴线对准的流体流，将所述流体流加速至高速流体流，以及沿至少大致垂直于所述旋转轴线的方向分配所述高速流体流；

护罩，所述护罩配置为围绕所述叶轮并引导由所述叶轮分配的所述高速流体流；和

扩散器，所述扩散器具有邻近所述护罩的护罩表面和邻近所述轮毂的轮毂表面，所述扩散器围绕所述叶轮周向地设置并且构造成能够接收来自所述叶轮的高速流体流并将所述高速流体流转换成高压流体流，所述扩散器限定扩散器通道并且包括从所述轮毂表面延伸至所述护罩表面的多个扩散器叶片，所述多个扩散器叶片中的相应扩散器叶片具有叶片前缘和叶片后缘；

其中，所述扩散器包括设置在所述护罩表面中并且位于叶轮后缘和所述叶片前缘之间的无叶片区域中的离心式加速稳定器环，所述离心式加速稳定器环构造成能够增加在所述扩散器中流动的流场的较低动量区域的径向速度，使得穿过所述扩散器通道的流场更均匀，然后重新扩大所述扩散器通道的面积以在所述叶片前缘之前促进扩散。

2.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述无叶片区域的径向长度在叶轮半径的百分之十(10％)和百分之二十五(25％)之间的范围内。

3.根据权利要求2所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环沿着整个所述无叶片区域或部分地沿着整个所述无叶片区域延伸。

4.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的高度在所述护罩表面与所述轮毂表面之间的距离的百分之三(3％)和百分之二十(20％)之间的范围内。

5.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的横截面轮廓由弯曲突出部限定。

6.根据权利要求5所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的横截面轮廓由半圆形突出部限定。

7.根据权利要求5所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的横截面轮廓由具有基本平坦的顶表面的弯曲突出部限定。

8.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述叶轮是半开放式叶轮或封闭式叶轮中的一种。

9.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述扩散器是平行壁式扩散器。

10.一种离心式压缩机，包括：

叶轮，所述叶轮具有叶轮后缘和围绕轮毂布置的多个叶轮叶片，所述叶轮被构造成能够绕旋转轴线旋转以接收至少基本上与所述旋转轴线对准的流体流，将所述流体流加速到高速流体流，并且沿至少大体上垂直于所述旋转轴线的方向分配所述高速流体流；

护罩，所述护罩配置为围绕所述叶轮并引导由所述叶轮分配的高速流体流；和

扩散器，所述扩散器具有扩散器前缘、邻近所述护罩的护罩表面以及邻近所述轮毂的轮毂表面，所述扩散器围绕所述叶轮周向地设置并且构造成能够接收来自所述叶轮的高速流体流并将所述高速流体流转换成高压流体流；

其中，所述扩散器包括设置在所述叶轮后缘和所述扩散器前缘之间的所述护罩表面中的离心式加速稳定器环，所述离心式加速稳定器环被配置成能够增加在所述扩散器中流动的流场的较低动量区域的径向速度，使得穿过所述扩散器通道的流场更加均匀，然后重新扩大所述扩散器通道的面积以促进扩散。

11.根据权利要求10所述的离心式压缩机，其中，所述扩散器包括从所述轮毂表面延伸至所述护罩表面的多个扩散器叶片，所述多个扩散器叶片各自具有叶片前缘和叶片后缘，其中所述离心式加速稳定器环位于在所述叶轮后缘和所述叶片前缘之间限定的无叶片区域之间。

12.根据权利要求11所述的离心式压缩机，其中，所述无叶片区域的径向长度在叶轮半径的百分之十(10％)和百分之二十五(25％)之间的范围内。

13.根据权利要求12所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环沿着整个所述无叶片区域或部分地沿着整个所述无叶片区域延伸。

14.根据权利要求10所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的高度在所述护罩表面和所述轮毂表面之间的距离的百分之三(3％)和百分之二十(20％)之间的范围内。

15.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的横截面轮廓由弯曲突出部限定。

16.根据权利要求10所述的离心式压缩机，其中，所述叶轮是半开放式叶轮或封闭式叶轮中的一种。

17.根据权利要求10所述的离心式压缩机，其中，所述扩散器是平行壁式扩散器。

18.一种离心式压缩机，包括：

叶轮，所述叶轮具有叶轮后缘和围绕轮毂布置的多个叶轮叶片，所述叶轮被构造成能够绕旋转轴线旋转以接收至少基本上与所述旋转轴线对准的流体流，将所述流体流加速到高速流体流，并且沿至少大致垂直于所述旋转轴线的方向分配所述高速流体流；

护罩，所述护罩配置为围绕所述叶轮并引导由所述叶轮分配的所述高速流体流；和

平行壁式扩散器，所述平行壁式扩散器具有邻近所述护罩的护罩表面和邻近所述轮毂的轮毂表面，所述平行壁式扩散器围绕所述叶轮周向地设置并且构造成能够接收来自所述叶轮的高速流体流并将所述高速流体流转换成高压流体流，所述平行壁式扩散器限定扩散器通道并包括多个扩散器叶片，所述多个扩散器叶片基本上从所述轮毂表面延伸至所述护罩表面，所述多个扩散器中的相应扩散器各自具有叶片前缘和叶片后缘；

其中，所述平行壁式扩散器包括形成在所述叶轮后缘和所述叶片前缘之间的无叶片区域中的护罩表面中的离心式加速稳定器环，所述离心式加速稳定器环被构造成能够增加在所述扩散器内流动的流场的较低动量区域的径向速度，使得穿过所述扩散器通道的流场更均匀，然后重新扩大所述扩散器通道的面积以在所述叶片前缘之前促进扩散。

19.根据权利要求18所述的离心式压缩机，其中，所述无叶片区域的径向长度在叶轮半径的百分之十(10％)和百分之二十五(25％)之间的范围内。

20.根据权利要求18所述的离心式压缩机，其中，所述离心式加速稳定器环的高度在所述护罩表面与所述轮毂表面之间的距离的百分之三(3％)和百分之二十(20％)之间的范围内。