CN1192172C - 离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明的离心压缩机安装有若干叶片组(A，B)，该叶片组包括若干在叶轮(12)圆周上放置以便与该叶轮的旋转轴(15)的中心共心的叶片(16A，16B)，属于最靠近叶轮的叶片组(A)的若干单个叶片(16A)能旋转。如果叶轮的进气体积变化扩压器效率会降低并且气流不能轻易从叶片(16A)继续流动到叶片(16B)，因此，叶片(16A)旋转而改变其前缘翼部中线方向的倾度，使其与叶轮所排出的气流方向相一致。结果，即使叶轮的进气体积改变，扩压器效率也能维持在高的水平。

Description

离心压缩机

发明领域

本发明涉及一种例如使用在小型燃气涡轮或涡轮冷冻机中的离心压缩机，尤其涉及装有传统叶轮式扩压器或所谓沟槽式扩压器的离心压缩机。

背景技术

离心压缩机设有一个扩压器，用作一个减小气体速度并将其动能转换为内能的装置。一种设有扩压器的离心压缩机如图9和10所示。如图所示的离心压缩机安装有一个外壳1、由外壳1轴向支承而旋转的叶轮2、与包围在叶轮2周围的外壳1结合成一个部件的涡室3以及设置在该叶轮2和涡室3之间并呈环状以便包围住叶轮2的扩压器4。

扩压器4包括若干沿圆周相互间隔放置的叶片5，并实现如下的功能，也就是将从叶轮2所排出气体的流动方向移动地更靠近径向外侧，同时减小其速度以便将气体的动能转换为静压力。

然而，在上述离心压缩机中，由于空气进入扩压器4的进气角度会在叶轮2的进气量变化时改变，因此即使例如在一定的进入流量体积下从叶轮2流出的气流方向与叶片5前缘上的翼部中线一致，但是如果进入流量的体积发生变化，那么两者将不再一致从而导致扩压器效率的降低。这导致操作范围从喘振到扼流变得更狭窄。

因此，尽管已经进行过尝试来减少弦长和叶片间间隔的比例(弦节比)以及防止在相邻叶片之间形成喉部以便扩大操作范围，但是这将使转换为静压力很难进行，并且导致不能获得足够扩压器效率的问题。在此，喉部是指从一个垂直地从一个叶片前缘垂直下降到叶翼中心线的特定线开始延伸到一个垂直地从另一个叶片后缘垂直下降到叶翼中心线的特定线的两个邻近叶片之间的空间。

发明概述

考虑如上情形，本发明的目的在于提供一种离心压缩机，该离心压缩机甚至在叶轮的进入流量体积改变时，都能通过阻止扩压器效率的降低而允许从喘振到扼流的更大操作范围。

为解决上述问题，所应用的一种离心压缩机具有如下所述的结构。也就是，根据本发明的第一方面，离心压缩机具有一个环绕一叶轮的扩压器，其中，该扩压器安装有若干叶片组，该叶片组包括若干沿叶轮圆周方向设置的叶片，以便使叶片围绕叶轮旋转轴的中心同心，位于外部的叶片组的叶片越多，则叶片相对叶轮径向的角度越小。

在该离心压缩机中，因为将叶轮所排出气体的动压力转换为静压力是与气体每次穿过每个设置在同心圆内的叶片组同时进行的，所以在气体穿过最外部设置的叶片组时能够获得高效率。

根据本发明的第二方面，上述第一方面的离心压缩机的特征在于，在除了位于最接近叶轮位置处的一个叶片组之外的任何一个叶片组中，叶片组的叶片数量是该叶片组内部的相邻叶片组中的叶片数量的整数倍。

从叶轮排出的气流在经过叶片组时是沿着最靠近叶轮的叶片组中的叶片而流动的，形成的气流在叶片后部(外部)的翼部中线的方向上呈弧形。如果该气流向外流动而不会在随后阶段的每个叶片组中衰减，那么从动压力转换为静压力就有着很高的效率。在该离心压缩机中，除了最接近叶轮位置处的叶片组对应若干单个叶片外，其它每个叶片组中通常设有若干持续向外排出气体的叶片。结果，从动压力转换为静压力有着很高的效率，由此获得高的扩压器效率。

根据本发明的第三方面，上述第一方面或第二方面的离心压缩机的特征在于，至少在最靠近叶轮的叶片组中的若干叶片能由平行于旋转轴的轴在轴向上支承而单独旋转。

如果叶轮的进气体积变化时，从叶轮排出的气流方向和最靠近叶轮的叶片组中的叶片前缘的翼部中线方向不再一致，由此使气流继续流动以及停止降低的扩压器效率变得困难。因此，叶片会旋转以便改变前缘翼部中线方向的倾度，并使其与叶轮排出的气流方向相一致。结果，如果叶轮的进气体积改变时扩压器效率也能维持在高的水平。

根据本发明的第四方面，上述第三方面的离心压缩机的特征在于，可旋转叶片设置在与形成一部分扩压器的壁相独立的凸缘上，并与该凸缘一起旋转，上述壁在旋转轴方向上与放置其间的若干叶片相分隔。

如果其构成使得仅有上述叶片能旋转，那么在上述形成一部分扩压器的壁和上述叶片之间形成一个竖立的间隙，这就会导致气流扰动以及降低扩压器效率。因此，如果叶片设置在上述凸缘上并与该凸缘一起旋转，那么在上述壁和叶片之间不再有任何间隙，由此使得扩压器效率维持在高的水平而不会降低。

根据本发明的第五方面，上述第三方面或第四方面的离心压缩机的特征在于，邻接可旋转叶片外部的叶片组能在圆周方向上转动，同时维持住若干单个叶片的设置。

因为转动叶片会导致前缘和后缘位置的变化，与其外部邻接的叶片组中的叶片前缘的关联性使得气流持续流动到外部变得困难，由此导致扩压器效率的降低。因此，如果邻接可旋转叶片的外部叶片组能在圆周方向上转动，同时维持住若干单个叶片的设置，就可能在任何情况下使可旋转叶片后缘和其外部邻接的叶片组中的叶片前缘相互关联，由此使得扩压器效率维持在高的水平而不会降低。

根据本发明的第六方面，上述第三、第四或第五方面的离心压缩机的特征在于，弦长和相邻叶片在可旋转叶片圆周方向上的间距的比例小于1.0。

尽管叶轮的进气体积越小，则可旋转叶片相对叶轮径向的角度变得越大，而叶轮的进气体积越大，则该角度越小，但是如果通过减小叶轮的进气体积使叶片角度接近90度(尽管认为实际上压缩机是由于喘振的出现而不能工作的)，在叶片之间能发生干扰。因此，如果弦长和相邻叶片在可旋转叶片圆周方向上的间距的比例设置得小于1.0，即使叶片角度成为90度，在叶片之间也不会发生干扰，可操纵性得以提高。

根据本发明的第七方面，上述第三、第四、第五或第六方面的离心压缩机的特征在于，在邻接可旋转叶片的外部叶片组内的叶片弦长和相邻叶片之间的间距的比例从0.5到2.0。

如果上述相邻叶片在圆周方向上的间距太大，会导致气流扰动，所以并不合适。因此如果在邻接可旋转叶片的外部叶片组内的叶片弦长和相邻叶片之间的间距的比例设置在从0.5到2.0，就能调整气流，防止扩压器效率降低。

根据本发明的第八方面，上述第一到第七方面中其中一个的离心压缩机的特征在于，叶轮中心到最靠近叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与叶轮外半径的比例从1.05到1.30。

因为气体在被叶轮排出后会立即从叶轮获得一个不均匀的速度直至其进入扩压器，所以叶片的效果是最小的，同时没有叶片的自由涡流间隙会对扩压器效率的提高有多个影响。因此，如果叶轮中心到最靠近叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与叶轮外半径的比例从1.05到1.30，因为上述没有叶片的自由涡流间隙会出现在扩压器的内部，由此提高了扩压器的效率。

附图的简要说明

图1是从离心压缩机一侧观察到的横截面图，其中示出本发明离心压缩机的第一实施例；

图2是从离心压缩机轴向观察到的横截面图；

图3是示出一个旋转机构结构的主要部分的横截面图；

图4是从离心压缩机一侧观察到的横截面图，其中示出本发明离心压缩机的第二实施例；

图5是示出一个旋转机构结构的主要部分的横截面图；

图6是用于解释每个叶片组中叶片的设置以及气体流动的横截面图；

图7是用于解释每个叶片组中叶片的设置以及气体流动的相似横截面图；

图8是从离心压缩机一侧观察到的横截面图，其中示出本发明离心压缩机的第三实施例；

图9是从离心压缩机一侧观察到的横截面图，其中示出已有技术的离心压缩机的结构；

图10是从已有技术中离心压缩机轴向所观察到的横截面图。

最佳实施例的详细说明

如下将参考图1-3详细描述本发明离心压缩机的第一实施例。

图1所示的离心压缩机安装有一个外壳11、由该外壳11轴向支承而旋转的叶轮12、与包围在该叶轮12周围的外壳11结合成一个部件的涡室13、以及呈环状以便在该叶轮12和涡室13之间包围住叶轮12的扩压器14。

如图2所示，扩压器14安装有两个包括若干沿叶轮12的圆周等间距放置的叶片的叶片组A和B，这样叶片组A放置在内部，而叶片组B放置在外部，以便形成中心为叶轮12旋转轴的同心圆。

属于叶片组A的叶片16A和属于叶片组B的叶片16B具有翼状横截面，属于叶片组B的叶片16B的数量是叶片组A中叶片16A的数量的两倍。

尽管叶片16A和16B都相对叶轮12的径向以一指定的角度放置，但是外部叶片16B相对叶轮12径向的角度要小于在内部的叶片16A相对叶轮径向的角度。

此外，每个属于叶片组16的叶片16A放置在外壳11的壁18之间，这些壁形成一部分扩压器14并在旋转轴15的方向上与放置其间的这些叶片16A相分隔，每个叶片16A均固定在独立于上述壁18的凸缘18a，并且由一个安装在外壳11内并平行于旋转轴15的轴17轴向支承。凸缘18a的表面几乎与上述壁18同平面。每个叶片16A通过一旋转机构20同时旋转，从而使相对叶轮12径向的角度改变。然而，叶片16A的角度可以不(甚至在最小的情况下)小于叶片16B的角度。

如图3所示，旋转机构20安装有一个固定臂21，该臂位于外壳11外部以便在长度方向上通过每个叶片16A的轴17；一个相对叶片组16同心放置的可沿圆周方向旋转的联接圈23，该联接圈具有一个与每个臂21相接合同时允许每个臂21在其内部自由滑动的滑动槽22；以及一个在一指定范围内沿圆周方向转动联接圈23的传动缸24。该旋转机构20通过膨胀传动缸24转动联接圈23，并使得联接圈23摆动随其转动的所有臂21，从而使得每个轴17和由该轴支承着的叶片16A同步转动。另外，每个叶片16A的旋转范围(角度)被传动缸24的膨胀宽度所限定，大约为设计基础上的正负15度。

在上述离心压缩机中，每个叶片16A被设置成弦长和相邻叶片16A在圆周方向上的间距的比例小于1.0。此外，每个叶片16A被设置成从叶轮12中心到叶片16A前缘的长度与叶轮12外半径的比例从1.05到1.30。另外，每个叶片16B被设置成弦长和相邻叶片16B在圆周方向上的间距的比例从0.5到2.0.

在以如上方式所构成的离心压缩机中，因为每次在从叶轮12排出的气体穿过每个叶片组时，都进行从动压力到静压力的转换，所以在气体穿过叶片组B时能够获得高的叶轮效率

如图2所示，从叶轮12排出的气流在经过叶片组16A时是沿着叶片16A流动的，由此形成的气流在叶片16A后部的翼部中线方向上呈弧形。如果该气流向外流动而不会在叶片组16B中衰减，那么从动压力到静压力的转换就会高效地进行。因此在上述离心压缩机中，由于叶片16B的数量设置成叶片16A的两倍，在叶片组B内总是设有叶片16B，该叶片持续将气体排到相对于叶片组A中每个叶片16A的外部，所以从动压力到静压力的转换高效地进行。

然而，如果叶轮12的进气体积变化时，从叶轮12排出的气流方向和叶片组A中叶片16A的前缘翼部中线的方向不再一致，由此使气流继续流动变得困难并降低了扩压器的效率。因此，在上述离心压缩机中，叶片16A旋转一定角度以便与从叶轮12排出的气流方向相一致，由此，即使在叶轮12的进气体积改变时扩压器效率也能维持在高的水平。

如果上述离心压缩机构成使得仅有叶片16A能旋转，那么在上述形成一部分扩压器14的外壳11壁18和上述叶片16A之间形成一个间隙，这随之会导致气流扰动并降低扩压器效率。因此，在上述离心压缩机中，叶片16A固定在凸缘18a之间并与该凸缘制成单个部件一起旋转。结果，那么在上述壁18和叶片16A之间的间隙消失，由此防止了扩压器效率的降低。

尽管叶轮12的进气体积越小，则叶片16A相对叶轮12径向的角度变得越大，而叶轮12的进气体积越大，则该角度越小，但是如果减小叶轮12的进气体积而叶片16A的角度接近90度(尽管认为实际上压缩机是由于喘振的出现而不能工作的)，叶片16A之间会发生干扰。因此，在上述离心压缩机中，如果弦长和相邻叶片16A的间距的比例设置成小于1.0，那么即使叶片16A的角度达到例如90度，在叶片之间也不会发生干扰。

如果相邻叶片16B的间距太大，会导致气流扰动，所以并不适合。因此，在上述离心压缩机中，弦长和相邻叶片16A之间的间距的比例设置在从0.5到2.0范围内的一个值，结果就能调整气流，随后防止扩压器效率降低。

因为在从叶轮12排出的气体在从叶轮12排出后直到进入扩压器14之前会立即变得不均匀，所以叶片的效果是最小的，同时那些没有叶片的自由涡流间隙会对扩压器效率的提高有多个影响。因此，在上述离心压缩机中，从叶轮12中心到叶片组A中叶片16A前缘的长度(与叶轮外半径)的比例设置成从1.05到1.30范围内的一个值，结果因为上述没有叶片的自由涡流间隙会出现在扩压器的内部，由此提高了扩压器的效率。

如上所述，根据上述离心压缩机，扩压器效率能维持在高的水平，同时能确保一个宽的操作范围。

然而，在上述实施例中，尽管叶片16B的数量是叶片16A的两倍，其它每个叶片16B与叶片16A相对应设置，但是如果希望提高扩压器的效率，那么叶片16B的数量是叶片16A的三倍或四倍。

如下将参考图4-7描述本发明离心压缩机的第二实施例。在该描述中，上述第一实施例已描述过的元件用相同的标号表示，并在此省略描述。

在该第二实施例中，如图4所示，叶片16B被固定以便放置在环板19之间，这些环板沿着构成一部分扩压器14的外壳11壁18与叶片组B同心放置。叶片组B能在圆周方向旋转，并同时通过一转动机构30维持若干单个叶片16的设置，该转动机构30在圆周方向转动上述环板19。

如图5所示，上述环板19安装有一个传动缸31，该传动缸具有一个连接在一个销19a上的传动轴，该销从上述环板19穿过对应于环板19圆周方向的一个外壳11上开口的弧形槽11a而延伸到外壳11的外部。上述环板19通过膨胀传动缸31旋转，并被制成在圆周方向旋转的同时维持住若干单个叶片16B的设置。另外，每个叶片16B的旋转角(角度)被传动缸31的膨胀宽度所限定，大约为设计基础上的正负10度。

如图6所示，在以上述方式所描述的离心压缩机中，如果叶轮12的进气体积从气流几乎没有损失地持续从叶片16A进入叶片16B的一个稳定操作状态发生变化时，叶片16A的角度也必须变化。然而，如果叶片16A旋转，因为不仅前缘而且后缘的位置均会变化，相关联地叶片前缘将不再能使得气流持续流动到后部，由此导致扩压器效率的降低。

因此，在上述离心压缩机中，如图7所示，通过在圆周方向上转动叶片组B同时维持住若干单个叶片16B的设置，叶片16B的前缘和后缘能在任何情况下相互关联，由此，即使在叶轮12的进气体积改变时扩压器效率也能防止扩压器的效率下降。

如上所述，根据上述离心压缩机，尽管由于提供转动机构30使结构更复杂并且在操作该转动机构30时需要能量，从而带来一些不利，但是因为气流能几乎没有损失地持续从叶片16A进入叶片16B，从而能在从喘振到扼流的所有操作状态下维持住扩压器效率。

如下将参考图8描述本发明离心压缩机的第三实施例。在该描述中，在以上两个实施例中已描述过的元件用相同的标号表示，并在此省略描述。

在该第三实施例中，扩压器14包括同心放置的三个叶片组C、D和E。分别属于每个叶片组C、D和E的所有叶片16C、16D和16E按照如下方式进行设置，即每个叶片的弦节比要很大程度地小于上述两实施例中的弦节比，同时属于位于外部的叶片组的叶片越多，则叶片相对叶轮径向的角度越小。此外，所有的叶片都固定在壁18(未在图8中示出)之间。

叶片16C具有适合的角度以便在一定进入流量体积时，前缘的取向与从叶轮12排出的气流方向一致时，叶片16D相对叶片16C具有合适的位置和合适的角度以便使在叶片16C后部所产生的气流能几乎没有损失地继续流动，叶片16E相对叶片16D具有合适的位置和合适的角度以便使在叶片16D后部所产生的气流能几乎没有损失地继续流动。

另外，其它每个属于叶片组D的叶片16D和属于叶片组E的叶片16E被设置成与叶片16C不相关，叶片16D和16E的数量都是叶片16C的两倍。

上述离心压缩机，没有弦节比设置得较小以便能进行从喘振到扼流的大操作范围，因而不能获得高的扩压器效率。然而，在上述离心压缩机中，因为在叶轮12所排出气体经过每个叶片组C、D和E的任何时候都在进行从动压力到静压力的转换，所以仍能获得高的扩压器效率，同时在气体穿过叶片组E时能维持住宽的操作范围。

另外，在上述离心压缩机中，叶片16D和16E设置在叶片组D和E内，持续将气体流排放到对应于叶片组C中叶片16C的外部，由此提高了从动压力到静压力转换的效率。

然而，尽管上述每个实施例都对一种安装有2个或3个叶片组的扩压器进行了解释，但是扩压器也可以设置成包括四个或更多叶片组，以便进行从动压力到静压力的多级转换。在该例中，不言而喻，叶片组应当设置成属于位于外部的叶片组的叶片越多，则相对叶轮径向的角度越小。

Claims (17)

1.一种离心压缩机，具有一个环绕叶轮的扩压器，其中，该扩压器安装有若干叶片组，该叶片组包括若干在叶轮圆周方向上放置的叶片，以便使叶片与叶轮旋转轴的中心共心，位于外部的叶片组越多，则其每个叶片相对叶轮径向的角度越小。

2.如权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，除了位于最接近叶轮位置处的一个叶片组之外，在其它任何一个的叶片组中，叶片组的叶片数量是该叶片组内部的相邻叶片组中的叶片数量的整数倍。

3.如权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，至少在最靠近叶轮的叶片组中的若干叶片能由一平行于旋转轴的轴在轴向上支承而单独旋转。

4.如权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，至少在最靠近叶轮的叶片组中的若干叶片能由一平行于旋转轴的轴在轴向上支承而单独旋转。

5.如权利要求3所述的离心压缩机，其特征在于，上述可旋转叶片设置在与形成一部分扩压器的壁相独立的凸缘上，并与该凸缘一起旋转，上述壁在旋转轴方向上与放置其间的若干叶片相分隔。

6.如权利要求4所述的离心压缩机，其特征在于，上述可旋转叶片设置在与形成一部分扩压器的壁相独立的凸缘上，并与该凸缘一起旋转，上述壁在旋转轴方向上与放置其间的若干叶片相分隔。

7.如权利要求3所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的外部叶片组能在叶轮旋转方向上旋转，同时保持单个叶片的相对位置。

8.如权利要求4所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的外部叶片组能在叶轮旋转方向上旋转，同时保持单个叶片的相对位置。

9.如权利要求5所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的外部叶片组能在叶轮旋转方向上旋转，同时保持单个叶片的相对位置。

10.如权利要求6所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的外部叶片组能在叶轮旋转方向上旋转，同时保持单个叶片的相对位置。

11.如权利要求3-10中任何一个所述的离心压缩机，其特征在于，在所述可旋转叶片中，每个叶片的弦长和相邻叶片在圆周方向上的间距的比例小于1.0。

12.如权利要求3-10中任何一个所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的所述外部叶片组内的叶片弦长和相邻叶片之间的间距的比例从0.5到2.0。

13.如权利要求11所述的离心压缩机，其特征在于，邻接上述可旋转叶片的所述外部叶片组内的叶片弦长和相邻叶片之间的间距的比例从0.5到2.0。

14.如权利要求1-10中任何一个所述的离心压缩机，其特征在于，叶轮中心到最靠近该叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与该叶轮外半径的比例从1.05到1.30。

15.如权利要求11所述的离心压缩机，其特征在于，叶轮中心到最靠近该叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与该叶轮外半径的比例从1.05到1.30。

16.如权利要求12所述的离心压缩机，其特征在于，叶轮中心到最靠近该叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与该叶轮外半径的比例从1.05到1.30。

17.如权利要求13所述的离心压缩机，其特征在于，叶轮中心到最靠近该叶轮的叶片组中的叶片前缘的长度与该叶轮外半径的比例从1.05到1.30。

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