CN1481479A - 轴流式涡轮压缩机 - Google Patents

Abstract

一种轴流式压缩机，包括一个或多个轴向间隔布置的定子部分(14)，每一定子部分上有一列周向排列的导流叶片(15)；及一个或多个转子部分(12，16)，每一转子部分上具有一列周向排列的转子叶片(13，17；A，B)。在连续的转子叶片(A，B)之间形成流道，在定子和转子部分之间具有发散设置的轴向间隔(22，23，24)，以在每一流道中形成一个扩散区域(C)，该扩散区域从位于距第二转子叶片(B)的进气边的一定距离的上游处的最窄横截面(a₂)延伸到大约位于第二转子叶片(B)的进气边处的较宽截面(a₃)，其中，每一流道具有一个横截面积基本上不增加的过渡区域，其从较宽截面(a₃)处延伸到转子叶片(A，B)的出气边。

Description

轴流式涡轮压缩机

本发明涉及一种轴流式涡轮压缩机，其包括一个定子和一个转子。该定子具有至少一个包括环向排列的导流叶片的轴向部分；该转子具有至少一个包括环向排列的转子叶片的轴向部分。其中，在导流叶片和转子叶片之间，以及在一个内周壁和一个外周壁之间，形成有平行的多个流道。并且，在连续转子叶片之间形成有多个流路，所述流道穿过其中。

现有的上述型式的压缩机在获得每一压缩机级的压缩比的增加，和/或增加效率方面存在问题。对这些对象形成限制并且是关键的一个参数是通过压缩机的空气流的平均速度。本领域技术人员熟知，在每一压缩机级，增加空气流速将获得更高的压缩比，和/或增加效率。然而，在现有技术的压缩机中，流速大大低于声速，也就是说，马赫数低于1.0，通常在0.7附近，这是因为在超音速下，在空气流中会产生难以避免的冲击波，其对提高压缩比和压缩机效率是有害的。通过使马赫数保持在0.7附近，可以保证不会达到马赫数1.0，因此也不会产生冲击波。

之所以马赫数采用0.7到1.0之间如此大的“安全”空间，是因为在现有技术压缩机中，空气流速度通常在定子或转子部分的流道的下游端局部增加。该速度增加的原因是：当空气流离开两个导流叶片或两个驱动叶片之间的流道时，其由于流向的变化而受到切向收缩。这种流速的增加可能使空气流的速度达到马赫数1.0附近，在空气流中可能引发不期望的冲击波。为了确保压缩机中的任何地方的空气流都不会达到音速，所以空气流的速度保持在“安全”的马赫数0.7。

有一些工作在流速超过马赫数1.0的跨音速压缩机，可对其进行专门的配置以避免冲击波的负面影响。但是，根据本发明的定子和转子流道中较低的空气流损失对于这种压缩机也是有利的。

本发明的主要目的是获得上述工作在亚音速空气流速度下的压缩机，其中，不用冒使马赫数到达1.0水平的风险，通过定子和转子部分的平均空气流速就可以大大增加，使通过压缩机的空气流路得以改进。

从下面的说明和权利要求中，本发明的另一个目的和优点将很明显。

下面将结合附图详细介绍本发明的一个优选实施例。

图1显示通过转子叶片流路的流道的几何形状。

图2显示图1的转子叶片流路的侧视图。

图3显示通过根据本发明的一个压缩机的局部纵剖面视图。

图4显示图1所示的压缩机的定子导流叶片和转子叶片的展开图。

图1示出一相对于转子的流道，其延伸穿过两个连续转子叶片A和B之间的一通路。在进入转子叶片A和B之间的通路前，介质流在与转子叶片的运动方向ω相反的方向上偏离一个角度Δα₁，其等于原流道角α₁与新流道角α′₁之差。介质流的这种偏离使流道产生侧收缩，并沿着一个弯道弯曲，该弯道可以由一个已被认可的方法理论计算得到。见例子：Eckert/Schnell，“Axialund Radialkompressoren”，第二版，第264页，或“Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau”，1974，第334页中所述。该弯道的形状接近半径为R的圆周轨迹。

当到达距第二转子叶片B的进气边的一定距离的上游处的截面a₂时，或到达第一转子叶片A进气边的稍下游处时，流道穿过扩散区域C，该扩散区域沿流向延伸到大约在第二叶片B的进气边处的截面a₃。因此，扩散区域C具有一个入口截面a₂和一个出口截面a₃，其中，入口截面a₂的截面积比出口截面a₃的小。扩散区域C的入口截面a₂还是整个流道在a₁和a₄之间截面积最窄的截面。

在扩散区域C的下游处，流道延伸穿过一个过渡区域D。在从截面a₃到出口截面a₄的整个通路上，该过渡区域D的截面积基本上不增加或轻微减少。为了弥补转子叶片A和B之间的下游距离的增加，必须减小转子叶片的径向长度，即内周壁28和外周29之间的径向距离，以使整个过渡区域D的截面积基本保持恒定，见图2。在一些情况中，通过过渡区域D的流体具有小的加速度是有利的。

在扩散区域C的上游处，从初始截面a₁到扩散区域的入口截面a₂，流道具有基本上不变的截面积，因此产生不增加的流速。如图2所示，通过形成分别具有发散表面F和G的转子和定子的内和/或外周壁28，29，可以实现上述过程。这些发散表面F和G弥补了如上所述的流道的侧向收缩，并且使流速的马赫数保持较低，并防止在介质流中产生冲击波。

通过将每一流道的扩散区域C置于两个连续转子叶片A和B之间的偏离过渡区域D的流体的上游处，可以降低流速，从而，减少转子叶片A和B之间流道偏离过程中流量的损失。这说明提高了压缩机的效率。

为了确保压缩机的高效，在每一转子叶片的整个径向长度上，流速将一样高。这通过在初始压缩级采用导流叶片结构来实现。譬如，每一导流叶片10在其顶端与底端具有一个不同的流体偏离角。见图4。因此，可以获得最佳流向，以在初始压缩级中，每一转子叶片上整个径向位置上产生相等的流速。

图3和图4中示出了根据本发明的优选实施例，其包括图1中所示的流道特征。

图3中示出了压缩机初始级的一个入口喷管的剖视图，其包括牢牢固定在外壳11上的导流叶片10。喷管10的下游具有一个转子部分12，其上具有转子叶片13，该转子叶片13后跟随着具有固定在外壳11上的导流叶片15的定子部分14，以及另一具有转子叶片17的转子部分16。转子流道20延伸到两相邻转子叶片13和17之间，定子流道21形成于两相邻导流叶片15之间。流道20和21还由一个内周壁28和外周壁29来限定。

在定子部分和转子部分之间具有轴向间隙，其形成环形空气流路22、23和24。

通过该压缩机的空气流路的主要特征是从入口喷管端朝向出口端连续聚集。如图3所示，空气流路的横截面积逐步减小。在转子叶片13之间的空气流路20和导流叶片15之间的流道中，流路的径向长度减小。但是，位于定子部分14和转子部分12之间的流路22、23和24中，流路的径向长度增加。

本发明的一个特征是在定子和转子部分之间提供轴向间隙，形成流路22、23和24。引入这些轴向延伸和径向发散的流路22、23和24的目的是实现一个速度减小的发散区域，以减小流量损失和增加压缩机效率。

如图4所示，趋近两个转子叶片13，17之间的转子流道20的空气流具有聚集的形状，这是因为引入的空气流和转子叶片13，17的方向之间的差别，空气流必须改变方向。如图4所示，引入的空气流道的方向与径向平面形成一个角度，其用β₁表示。β₁大于转子13，17之间的角度β′₁。由于这种流向上的变化，空气流道受到切向收缩，导致流速的增加。这由数字b₁和b₂显示，其中b₂表示比b₁处的引入流更窄的流道横截面。空气流的加速度是不利的，这是因为其导致在流道内增加磨擦损失。

通过增加流路中的有效横截面积，即引入中间和径向分散流路22、23和24，空气流的这种不期望的加速度可以忽略。通过增加这些流路的径向长度至少10％，可以增加压缩机的效率。为了使压缩机效率得到实质性的增加，流路22、23和24的径向长度至少要增加20％。在图示例子中，流路的径向长度从入口处的h₁增加到出口端的h₂。

为了获得通过压缩机的空气流道的有利形状，中间流路22、23和24的径向长度的增加必须在一定的流路长度上实现。因此，流路22、23和24应该具有分别超过转子叶片和导向叶片长度30％的轴向长度。根据转子叶片和导向叶片的径向长度，流路长度可以分别为转子叶片和导向叶片的长度的50％或更长。

Claims (10)

1.轴流式涡轮压缩机，其包括一个具有至少一个轴向部分的定子，该轴向部分包括一列环向排列的导流叶片(13，17)；一个具有至少一个轴向部分的转子，该轴向部分包括一列环向排列的转子叶片(15；A，B)；一个内周壁(28)，和一个外周壁(29)；其中，在转子旋转方向(ω)上，每两个连续转子叶片(A，B)之间，以及所述内周壁和外周壁之间(28，29)形成有流道，其特征在于，每一流道包括：

在转子旋转方向(ω)上，位于距第二转子叶片(B)的进气边的一定距离的上游处的第一横截面(a₂)处具有最窄的横截面积；

一个扩散区域(C)，其在流向上具有连续增加的横截面积，并从所述第一横截面(a₂)延伸到约位于所述第二转子叶片(B)的所述进气边的第二横截面(a₃)，以及

一个过渡区域(D)，其在流向上从所述第二横截面(a₃)延伸到所述第二转子叶片(B)的出气边，在该过渡区域(D)的整个长度上，流向上的横截面积基本上不增加。

2.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其中，所述第一和第二转子叶片(A，B)之间的横向距离在整个所述过渡区域(D)上增加，而所述内周壁(28)和所述外周壁(29)之间的径向长度减少，以使流道的横截面积在整个所述过渡区域(D)上不增加。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮压缩机，其中，流过所述扩散区域(C)的气流基本上是层流的。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮压缩机，其中，所述扩散区域(C)的每一流道上游具有基本上不变的横截面积。

5.轴流式涡轮压缩机，包括一个定子，其具有至少一列周向排列的导流叶片(13，17)；一个转子，其具有至少一列周向排列的转子叶片(15；A，B)，其中，在所述导流叶片(13，17)和所述转子叶片(15；A，B)之间形成多个平行流道，并且，在连续转子叶片(A，B)之间，形成多个转子流路，所述流道穿过其中，其特征在于，所述每个流道具有一个扩散区域(C)，其在所述转子的旋转方向(ω)上，从大约在所述连续转子叶片(A，B)的第一叶片(A)的进气边位置延伸到大约在第二叶片(B)的进气边位置，其中，所述扩散区域(C)的每一所述转子流路下游在其整个长度上横截面积基本上不增加。

6.根据权利要求5所述的涡轮压缩机，其中，所述流道和所述转子流路部分地由一个外周壁(29)和一个内周壁(28)来限定。

7.根据权利要求5或6所述的涡轮压缩机，其中，所述每一转子流路由一个第一转子叶片(A)，和在转子旋转方向(ω)上接在所述第一转子叶片(A)后的第二转子叶片(B)来限定，所述扩散区域(D)在流向上从约位于所述第一转子叶片(A)的进气边处延伸到约位于所述第二转子叶片(B)的进气边处，每一所述流道在所述扩散区域(C)的上游端具有最窄的横截面积(a₂)。

8.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其中，所述导流叶片(13，17)安装在两个或多个具有轴向间隔的定子部分中，所述转子叶片(15)安装在两个或多个具有轴向间隔的转子部分中，

在安装的所述转子部分和所述定子部分之间具有轴向间隙(22，23，24)；

所述轴向间隙(22，23，24)，其轴向宽度至少为前述导流叶片(13，17)或转子叶片(15)的弦长的30％；以及

所述轴向间隙(22，23，24)，在轴向上形成具有径向发散形状的流路区域。

9.根据权利要求8所述的涡轮压缩机，其中，所述流路区域在其下游端具有径向长度(h₂)，该径向长度至少比其上游端的径向长度(h₁)大10％。

10.根据权利要求8所述的涡轮压缩机，其中，所述流路区域的轴向宽度至少为前述导流叶片(13，17)或转子叶片(15)的弦长的50％。

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