用于涡轮机的改进的涡管、包括所述涡管的涡轮机和操作的方法与流程

本文公开的主题涉及对涡轮机的改进。更特别地，本文公开的主题涉及对用于涡轮机(诸如离心压缩机)的涡管或蜗壳的改进。

背景技术：

压缩机在工业中且也在航空部门中的广泛种类的应用中使用。

压缩机通常包括一个或多个顺序地布置的级，每一个包括旋转叶轮和扩散器。气体流过叶轮且通过叶轮旋转而加速。气体的动能在扩散器中至少部分地转变为压力能。离开扩散器的气体返回到后续叶轮的入口。离开最末叶轮的扩散器的气体输送至蜗壳或涡管，其中压缩的气体聚集且传送至压缩机的出口。

图1示出了沿现有技术的多级离心压缩机100的旋转轴线A-A的剖面。压缩机包括壳101，转子103旋转地装载在其中。转子103包括轴105，叶轮107A-107G安装在其上。各个叶轮107A-107G继而与扩散器109A-190G组合。返回通道111A-111F布置在各个扩散器109A-109F下游。各个返回通道111A-111F将部分地压缩的气体从上游扩散器109返回至下游叶轮107的入口。

离开最末叶轮107G和最末扩散器109G的气体聚集在蜗壳或涡管113中，气体从其输送至压缩机出口(未示出)。

压缩机设计成在实现最大效率的设计点处或附近操作。当操作条件改变时，压缩机仍操作，例如处理较少或较大量的气体，但压缩机的总体效率降低。当在离设计点一定距离处操作时，效率的损耗由与气流的速度矢量的改变部分地联系的各种因素导致。

当离开扩散器109G的气体流率不同于设计流率时，在蜗壳或涡管113中也会特别导致损耗。离开叶轮107G的气体具有带有切向分量和径向分量的速度矢量。径向分量有助于气体在扩散器109G中的实际前进，而切向分量导致损耗。在蜗壳或涡管113中发生相反的情况，其中切向分量有助于气体穿过涡管朝出口的前进，而气体速度的轴向分量生成涡旋以及流中的必然损耗。

存在对涡轮机(诸如离心压缩机)的涡管或蜗壳的改进的需要，以便降低涡管的效率与涡轮机的操作条件的相关性，且具体而言在涡轮机远离设计点操作时减少损耗。

本发明的概要

根据第一方面，本公开涉及一种用于结合压缩机使用的涡管。涡管包括：适于接收流体流的流体入口和适于排出流体流的流体出口，以及限定内部流动体积(inner flow volume，或称“内部流动空间”)的涡管形状的壁。流体可为干燥气体，或湿气体，即，包含少许例如为液滴的形式的液体。

根据本公开，涡管在其内部流动体积中设有至少一个叶片。叶片从涡管形状的壁凸起以用于在涡管在非设计条件下操作时修正所述流动体积中的流体流的方向。叶片有利地构造以便在流率变化时维持流动速度的轴向分量和切向分量之间的比率恒定，或至少减小由流率的变化引起的这种变化。因此使得涡管的效率较少取决于涡管的操作条件且因此较少取决于涡管布置在其中的压缩机的操作条件。如将从一些实施例的描述而变得显而易见的是，在涡管在非设计条件下操作时叶片修正流的方向，因此至少减少涡管中的速度方向相对于在设计点操作下的速度方向的偏移。

优选地，多个叶片沿涡管的延伸部设置，使得多个导向导叶随其限定。布置多个叶片改进了叶片在流体流方向上的影响。

根据另一方面，本公开涉及一种带有涡管的压缩机，诸如离心压缩机，涡管设有布置在其中且在涡管中限定导向导叶的一个或多个叶片，以降低由压缩机的非设计操作而导致的在涡管效率上的负面影响。

根据还有另一方面，本文公开了一种操作压缩机的方法，其包括以下步骤：利用至少一个旋转叶轮生成流体流；使用从涡管形状的壁凸起的至少一个叶片引导流体流穿过涡管，以用于在压缩机在非设计条件下操作时改变涡管中的流体流的方向，以便减小由压缩机的非设计操作导致的流动速度的轴向分量和切向分量之间的比率的变化。

特征和实施例这里在下文公开且在所附权利要求中进一步阐述，其形成本描述的组成部分。上文的简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便以下的详细描述可更好地理解且以便对本领域作出的贡献可更好地了解。当然，存在将在下文描述且将在所附权利要求中阐述的本发明的其它特征。在这方面，在详细解释本发明的若干实施例之前，应理解的是，本发明的各种实施例不在它们的应用方面限于构造的细节以及在以下描述中阐述或在附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例且以各种方式实践和执行。也将理解的是，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的且不应当视为限制。

因而，本领域的技术人员将了解，本公开所基于的构思可容易地使用作为用于设计用来执行本发明的若干目的其它结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求被视为包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图的简要描述

本发明的公开的实施例的更加完整的了解以及其伴随的许多优点将容易地获得，因为其通过参考结合附图考虑的以下详细描述可变得更好理解。

图1是现有技术的多级离心压缩机的剖视图；

图2是体现本文公开的主题的离心多级压缩机的剖视图；

图2A示出了图2的压缩机的蜗壳或涡管的放大；

图3和图4示出了根据本公开的涡管的备选实施例的两个示意性截面视图；

图5示出了根据本公开的涡管的一部分的部分透视图；

图6示出了带有导向导叶的涡管的一部分的示意图，其示出了导向导叶中以及限定导向导叶的叶片周围的各种流动性条件；

图7A、图7B和图7C示出了如本文公开的带有导向导叶布置的涡管的视图和细节；

图8和图9示出了在涡管中带有和不带有导向导叶的情况下涡管的损耗系数与最末压缩机级的扩散器入口处的流通角的关系曲线。

本发明的实施例的详细描述

示例性实施例的以下详细描述参照了附图。不同附图中的相同参考标号表示相同或类似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。并且，下文的详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的参考指结合实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”贯穿说明书在各种地方的出现不一定指相同的(一个或多个)实施例。此外，特定的特征、结构或特点可在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

图2示意性示出了沿体现本文公开的主题的多级离心压缩机10的旋转轴线A-A的剖视图。压缩机包括壳1，转子3旋转地装载在其中。转子3包括轴5，叶轮7A-7G安装在其上。各个叶轮7A-7G继而与扩散器9A-9G组合。返回通道11A-11F布置在各个扩散器9A-9F下游。各个返回通道11A-11F将部分地压缩的气体从上游扩散器9返回至下游叶轮7的入口。

离开最末叶轮7G和最末扩散器9G的气体聚集在蜗壳或涡管13中，气体从其输送至压缩机出口(未示出)。

根据本公开，为了改进非设计操作条件下的涡管效率，至少一个叶片设在涡管中，布置和构造成用于减少由于越过压缩机的可变流率引起的流动方向变化导致的损耗。

如对于图2的压缩机所示，在特别有利的实施例中，涡管或蜗壳13设有多个叶片15。叶片15可以恒定节距布置。根据其它实施例，叶片节距可沿涡管的延伸部变化。叶片15限定其间的导向导叶。

根据一些实施例，涡管13包括流体入口17(具体见图2A、图3和图4)，流体入口与最末压缩机级的扩散器9G流连通。涡管13可进一步包括涡管形状的壁19，壁限定内部流动体积21，其中叶片15从涡管形状的壁19凸起。如在图7B和图7C的示意图中最佳所示，涡管13的内部流动体积21具有逐渐增大的截面，以便容纳从流体入口17进入涡管的增加量的气体。根据其它实施例(未示出)，涡管的截面可保持恒定。内部流动体积21与流体出口23连通，流体出口与压缩机出口或输送歧管(未示出)合并。

在一些实施例中，叶片15从前缘15L延伸至后缘15T，见图7A。前缘15L接近流入口17，而后缘15T远离那里。在一些实施例中，叶片15沿涡管形状的壁19的一部分布置，该部分位于涡管形状的壁19的径向最外部区域中，即，远离压缩机转子3的旋转轴线A-A。

在有利的实施例中，叶片15相对于轴向方向和切向方向倾斜，轴向方向和切向方向分别由箭头A和T示意性表示(图6、图7A)。R指出径向方向。

查看图6和图7A可最好地了解叶片15的倾斜。在一些实施例中，叶片15的弧线在前缘(即，由在涡管13中流动的气流遇到的第一边缘)处与切向方向T形成角度α1。叶片15或其弧线在叶片15的后缘15T处与切向方向T形成角度α2。角度α2通常与α1不同且优选地小于α1。

在其它实施例中，叶片15可为直的，在此情况下，它们在后缘和前缘处与切向方向T将形成相同的角度。

如图3和图4中可见，叶片15可设为用于不同的涡管设计。在图3中示出了内涡管，而在图4中示出了外涡管。在两种情况下，叶片15都设为沿涡管形状的璧19的径向最外部部分，从邻近或接近入口17的前缘15L展开至远离入口17的后缘15T。

在一些实施例中，例如，如图6中所示，叶片沿其展开部从前缘至后缘具有可变的厚度。在其它实施例中，叶片15的厚度沿其整个展开部可为恒定的。

图6图示地示出了沿涡管13的切向展开部布置的叶片15的作用和效果。所述叶片15的作用在于，在任何操作条件下维持涡管入口处的气体速度的轴向分量和切向分量之间的比率恒定(或至少减小其变化)。当压缩机在非设计条件下操作时(例如在较高或较低流率的情况下)，这减小由于流动方向相对于设计点的变化导致的损耗。

在图6中，示出了三个叶片15和限定在其之间的相关导向导叶。各个叶片15由线FL环绕，线FL表示在入口17处进入涡管13的流体流。中间叶片15在设计流动性条件中表示，即，当压缩机在设计条件下操作且流率对应于压缩机已经设计用于的流率时。离开扩散器9G的流体流具有带有径向分量和切向分量的速度。进入涡管13后，流体流转移到内部流动体积21中，使得流体流将具有带有切向分量和轴向分量的速度。扩散器中的流体速度的切向分量无助于流输送，而径向分量有助于气体穿过压缩机的前进。

相反地，在蜗壳或涡管13中，流体速度的切向分量有助于流体流沿内部流动体积21朝涡管13的流体出口23的前进。

压缩机设计使得在设计操作条件下，涡管13与流动方向(相对于切向方向T由线FL示意性地表示)正确地匹配，这在涡管13中造成最低限度的损耗。

根据一些实施例，如果叶片15的形状确定为弧形的翼型件，它们有助于使进入蜗壳或涡管13的流转向，使得流动速度的切向分量相对于设计点增大。根据一些实施例，叶片的形状可为使得当压缩机在设计点下操作时它们不提供任何偏移。

如果压缩机在非设计条件下操作，带有相比于设计流率较高的流率，则流体速度的切向分量减小，而扩散器中的流体速度的径向分量且因此蜗壳或涡管13的入口处的流体速度的轴向分量增大。这种高流动性条件在图6的右侧表示，其中表示流体流的流的线FL相比于在设计流动性条件下更加轴向地定向。叶片15的存在导致进入涡管13的内部流动体积21的流的偏转，如图6的右侧示意性示出，使得离开叶片15的流大致在相同方向上引导，即，带有如在设计条件下相同的速度定向。

如果压缩机相对于设计流动性条件在较低的流率下操作，则进入涡管13的流体流相比于在设计条件下将具有较大的切向速度分量。低流动性条件在图6的左侧示意性表示。

叶片15再次使进入的流体流偏转，使得在叶片15的后缘处，流体速度将大致在如设计流动性条件下的相同方向上引导。

对比图6中示意性表示的三种流动性条件，可了解的是，当压缩机的操作条件改变且变得不同于设计流动性条件时，沿涡管13的切向展开部分布的叶片15的存在减小了流体速度方向的改变。

这分别由于流率增大到设计流率之上或流率减小到设计流率以下造成流动损耗的减少。

图8和图9中示出了在使用和不使用本文公开的叶片的情况下在可变流率条件下不同离心压缩机中的流动损耗的数值模拟。在图8中示出了第一图表，其中在最末压缩机级中的扩散器入口处的流通角沿水平轴记录。损耗系数在垂直轴上记录。曲线C1和C2分别表示带有和不带有叶片15的情况下损耗系数与扩散器入口处的流通角的关系曲线。角度α0为在设计条件下的扩散器入口处的流通角。在图表的X轴和Y轴上记录的流通角和损耗系数值涉及示例性实施例且不应当视为限制本公开的范围。

当压缩机以流通角α0操作时，损耗系数最小。当操作条件从设计流通角α0朝较低以及较高流通角值移动时，曲线C1示出了损耗系数的急剧增大。

曲线C2示出了类似的特性，但当从设计流通角α0分别朝较低或较高流通角值移动时，带有损耗系数的缓得多的增大。设计条件(α0)下的最小损耗系数对于曲线C2略微较高。这考虑了叶片15在涡管13中引入一定量的摩擦损耗的事实，在不使用叶片15的情况下其不存在。然而，一旦操作条件从设计条件朝较高流率或较低流率移动，则叶片在涡管13中重新引导流的优点克服了较高摩擦的缺点，因此减小损耗系数。

在图9的模拟中，示出了类似的情形，其中在不带有叶片15的情况下在扩散器入口处在α0的流通角下获得最小损耗系数。一旦流动性条件背离设计条件α0(曲线C1)，则导致损耗系数的急剧增大。相反地，如果使用叶片15(曲线C2)，当远离设计条件操作时，损耗系数维持在大致较低的值。在设计条件附近，由于叶片15的表面上的摩擦的引入，导致损耗系数再次微小且几乎可以忽略的增大。

在上文公开的实施例中，叶片15相对于涡管是静止的。在其它实施例中，一个、一些或所有叶片15可为可移动的。在一些实施例中，叶片15可枢轴连接至涡管，使得它们的倾角可调节(例如基于流率)。

虽然本文描述的主题的公开的实施例已经在附图中示出且在上文完全地描述(带有结合若干示例性实施例的具体和细节)，但对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，在实际上不脱离本文阐述的新颖性教导、原理和构思以及所附权利要求中记载的主题的优点的情况下，许多改变、变化和省略是可能的。因此，公开的创新的合适范围应当仅由所附权利要求的最宽的解释确定，以便包含所有的这样的改变、变化和省略。各种实施例的不同特征、结构和手段可不同地组合。