專利名稱：離心壓縮機的擴壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請通常涉及渦輪機領(lǐng)域，尤其是涉及離心壓縮機的擴壓器。
背景技術(shù)：
眾所周知，離心壓縮機利用擴壓器來將離開壓縮機葉輪的工作流體的一部分動能轉(zhuǎn)變成靜壓力，這個轉(zhuǎn)變過程是通過工作流體經(jīng)過膨脹流體區(qū)域時降低流速來實現(xiàn)的。擴壓器可以帶有通常稱為是葉片的翼型，它用于導(dǎo)引工作流體通過膨脹體來增強上述能量轉(zhuǎn)變過程，其中每一個葉片具有相對于工作來流的攻角的壓力面和吸力面。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的擴壓器10在一定條件下如何在擴壓器葉片16的吸力面14形成大流動分離區(qū)12。該流動分離區(qū)12基本上是流動邊界層，這里的速度要比流體的其他地方低，所以會阻礙整個流體的流動速率。流動分離區(qū)12產(chǎn)生扭曲的壓縮機排出流18，因此會降低壓縮機的效率，可能還會導(dǎo)致壓縮機的失速和喘振現(xiàn)象，這樣會對壓縮機和/或渦輪增壓式發(fā)動機的下游區(qū)域造成破壞。對于壓縮機作為鐵路機車上柴油機渦輪增壓器的實施例而言，當(dāng)機車運行在高緯度、低環(huán)境溫度和高空氣溫度的條件下時，該壓縮機最容易出現(xiàn)失速和喘振事故；例如當(dāng)機車恰好從高緯度的隧道駛出時。
如圖1所示，壓縮機擴壓器葉片16設(shè)計的傳統(tǒng)理論是提供從葉片前緣22到尾緣24的連續(xù)表面20，從而使暴露在吸力面14和壓力面26之間的壓差下的葉片表面積最大化。需要以一種折衷的方式來選取葉片的位置和角度的，即，既要防止流體的失速，又要維持有望沖擊道葉片上的各種進入氣流的攻角的有效壓力恢復(fù)。
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的離心壓縮機中的擴壓器葉片吸力面上的流動邊界層分離現(xiàn)象。
圖2示出了狹槽式擴壓器葉片的吸力面上的流動條件。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的葉柵擴壓器的壓縮機圖。
圖4是具有狹槽式葉片的多級擴壓器的壓縮機圖。
圖5是具有狹槽式擴壓器葉片的壓縮機的局部剖面圖。
圖6示出了具有狹槽式葉片的島式擴壓器(island diffuser)的喉部區(qū)域。
圖7示出了開槽葉片葉柵式擴壓器的喉部區(qū)域。
圖8是從葉片壓力面至吸力面具有若干流道的壓縮機擴壓器的局部剖面圖。
圖9是帶有具有前緣支撐件的狹槽式葉片的一部分擴壓器的透視圖。
具體實施例方式
申請人通過實驗已發(fā)現(xiàn)，在為實現(xiàn)擴壓器性能最佳化的現(xiàn)有技術(shù)中離心壓縮機的設(shè)計中，由于在葉片吸力面上形成有流體分離區(qū)域，因此壓縮機的效率可能會降低，并且葉片很可能會引起喘振，從而導(dǎo)致壓縮機失速。另外，正如以下將詳細說明的，申請人已發(fā)現(xiàn)通過形成流動開孔，讓部分工作流體從葉片壓力面流經(jīng)或流過吸力面，從而流體分離區(qū)域可以變小或消除，效率因此得到提高，并且喘振或失速發(fā)生的可能性也將降低。
圖2示出了一改進后的離心壓縮機的擴壓器30。擴壓器葉片32均包括允許部分工作流體38從葉型的壓力面40流到吸力面42的開孔。此開孔在圖2里作為形成在葉片32的前緣部分36和匹配的擴壓器壁部件間的狹槽34。為了更清楚看到葉型和工作流的流動路徑，該匹配的壁部件沒有在圖1和2中示出；然而，將要理解的是，擴壓器的相對壁部件可安置在葉片的上方和下方并且延伸在葉片之間，以在其間限定工作流體的流道。狹槽34允許部分工作流體38從葉片壓力面40至吸力面42而流過葉片32，從而重新激勵貼著吸力面42流動的工作流體的流體邊界區(qū)域43，并因此使任何可能趨于形成的流體分離區(qū)44最小化。相信是流過葉片32的部分工作流體38產(chǎn)生了干涉流體分離區(qū)生長的渦流。圖1與圖2的對比示意性地說明了在相同入口攻角和流動條件下，與現(xiàn)有技術(shù)的葉片16相比，葉片32的流動分離區(qū)域44尺寸減小并且出口流46的均勻性改善。
圖3和圖4的對比提供了一種圖解性的示例，它表明通過采用圖2的狹槽式擴壓器葉片32將使壓縮機的性能得到提高。圖3和圖4是傳統(tǒng)壓縮機性能曲線圖，每一個圖形包括若干基本上水平的線，代表壓縮機在各自經(jīng)溫度校正的壓縮機運行速度下的壓縮機的性能(經(jīng)溫度校正的流速與壓縮機分級壓力的比)。圖3是使用現(xiàn)有技術(shù)中葉柵擴壓器的壓縮機的性能曲線圖50，該擴壓器具有圖1所示的那種葉片。圖4是已經(jīng)作了改進的從而包括與圖2所示的那些類似的流動狹槽34的同一壓縮機的等效圖(equivalent map)52。注意圖4壓縮機的工作速度在任何給定的壓縮機運行速度下都能夠獲得擴展的流速范圍(即，擴展至相對較低和較高流速的曲線的更長的水平部分)。喘振線54，56是通過連接各個校正后的速度線的左端(低速流)點形成的。通常，在相同條件下，圖4的壓縮機能在發(fā)生失速現(xiàn)象之前就可運行在較低流速下。同樣也要注意圖4里改進型設(shè)計的各個性能線的右側(cè)一般不如圖3的性能線的右側(cè)下落得快。線58，60(阻塞流)通過連接各個校正后的速度線的右端(高速流)點形成的。這兩條線的差別顯示了圖4壓縮機比圖3現(xiàn)有技術(shù)中的壓縮機要具有提高的流速效率。由于采用了流動開口34而得到的性能提高，可提供防止失速/喘振事故產(chǎn)生的改良幅度或者部件設(shè)計者可采用其它的方式來利用它以提高部件設(shè)計的整體性能。
流動開口狹槽34是當(dāng)組裝擴壓器30時形成于葉片32和與其匹配的擴壓器壁之間的間隙(在圖2中未示出)。葉片32通常是與基盤形成一體，如用一單件材料來加工這些部件，或者把單獨形成的葉片焊接到基盤上?？梢栽诿恳蝗~片頂部表面被連接到各自相應(yīng)的擴壓器壁之前將凹口或者凹槽加工在這些表面內(nèi)從而使其在壓力側(cè)40和吸力側(cè)42之間延伸。當(dāng)組裝擴壓器30時，這些凹口表示將材料去掉，從而沿著最接近相匹配的擴壓器壁的葉片前緣部分36限定了流動狹槽34。
圖5是包含圖2改進型擴壓器30的壓縮機60的局部剖面圖。葉輪62在進氣外殼64和壓縮機外殼70之間可旋轉(zhuǎn)，以使壓縮工作流體67流過擴壓器30并進入道排風(fēng)機外殼66內(nèi)。擴壓器葉片32位于相對的擴壓器壁之間；在此實施方式里，一個壁為擴壓器基盤68，另一相對壁為壓縮機外殼70。流動狹槽34形成在與外殼70相鄰的擴壓器葉片32的前緣處。
圖6是改進型葉片島式擴壓器(楔型擴壓器)72的局部俯視剖面圖。圖7是改進型多級擴壓器74的局部俯視剖面圖。這些各自擴壓器72，74的喉部76，78是相鄰葉片沿它們各自的弦長方向在它們最近點之間的距離。本發(fā)明的流動開口可以從葉片前緣或者從前緣下游一點處沿著葉片弦長延伸合適的距離，例如，在多種實施方式里其范圍從葉片弦長的至少5％到不多于25％或不多于38％。如圖6所示，流動狹槽可以僅沿葉片前緣部分從葉片喉口處向上游延伸，而不是從喉部延伸到喉部的下游點處。
槽的深度可為合適的尺寸，如在一個實施例中，是不多于垂直于葉片弦長的葉片高度的10％，或者在另一實施例里，不多于該葉片高度的5％。因為開口定義了流體流動的路徑，所以為避免工作流體帶入碎屑而引起的堵塞現(xiàn)象，因此需建立實際上的最小距離值，例如50密耳。
從擴壓器翼型的壓力側(cè)到吸力側(cè)形成流動開口的準確位置和幾何形狀可根據(jù)不同的應(yīng)用場合發(fā)生變化。流動路徑可以是單個開口或者是沿葉片弦長間隔的多個開口。這些多個開口中的每一個可以有相同或不同的幾何形狀。流動狹槽被認為最好形成在葉片和相應(yīng)的相對壁的接合處，這是因為流動分離一般首先是沿著這個角落產(chǎn)生。然而，在某些實施方式中，開口可以形成在稍微移出相鄰壁面的葉片內(nèi)，或者如圖8所示，形成在匹配的壁面部件內(nèi)。圖8是具有葉片82的壓縮機擴壓器80的局部剖面圖，該葉片連接在相對壁面84，86之間從而指引工作流體88的流動。至少有一個鉆穿葉片82的孔90，使最接近第一壁面84的壓力面上有入口，吸力面有出口，以允許工作流體88的第一部分流經(jīng)那里?？?0的出口位于葉片82的喉口位置89上游處的吸力面上(虛線所表示的)。工作流體88的第二部分可以通過作為槽92形成在第二壁面86內(nèi)的開口從壓力面流到吸力面一側(cè)。沿葉片82弦長的孔90和槽92的位置可被選擇為以優(yōu)化旁通流對下游流動分離區(qū)形成的影響。從制造方面來看，這樣是方便的，在使壁面與葉片相匹配之前，將流動開口形成為沿著壓力側(cè)和吸力側(cè)之間葉片上表面的機加工槽，和/或是將其形成為擴壓器壁面里的機加工凹槽。在某些實施方式中，理想的是，將流動狹槽形成在最接近于兩個相對的擴壓器壁面的葉片兩相對側(cè)上。
通常地，希望產(chǎn)生最少的旁通流通過葉片，其中所述旁通流是將葉片吸力面上的流動分離區(qū)的擴張抑制到一定程度所必需的，從而能夠使出口流分布和擴壓器的低高速流動的性能達到預(yù)期程度的提高。通常，更多的旁通流將會使低高速流動的性能得到更大的改進，同時還會使壓縮機最高效率相應(yīng)的降低，因此，建議對于某一專門應(yīng)用而言，應(yīng)對達到理想的旁通流開口幾何形狀進行成本/效益分析。諸如對于本申請受讓人制造的現(xiàn)代機車所使用的渦輪增壓器擴壓器而言，通常擴壓器葉片可以有大約4英寸的弦長和大約0.9英寸的葉片高度。在這種裝置中，已對寬度為0.050英寸和0.085英寸并大約沿著弦長的15％延伸的流動狹槽進行了成功的測試。
圖9是另一實施例的局部透視圖，其中在葉片98的前緣96和擴壓器壁面100之間使用了支持連接件94，如果有必要或理想的是為葉片98的前緣96提供機械支持。流動開口102從支持連接件94處沿著葉片98的前緣部分向下游延伸。這個支持連接件94可以是葉片材料的整體延伸部或者是例如可通過焊接制造而成，或者是單獨連接的片狀材料。在一個實施例里，對于機車渦輪增壓器壓縮機而言，流動開口102可以從如上面所述的葉片98的前邊緣96向后大約0.1英寸處開始。前邊緣支持件可以用來處理擴壓器葉片的振動問題，尤其是薄葉片擴壓器的振動問題。這種振動可由壓縮機葉輪葉片和擴壓器葉片之間流動的相互作用引發(fā)。支持件94會對葉片98的前邊緣96產(chǎn)生機械約束，所以該支撐件可以防止對部件壽命造成損害的過度振動。
這里在對本發(fā)明的一些優(yōu)選特征加以了圖示和介紹的同時，明顯地是，僅僅是以示例的方式來提供這些實施例。在不偏離本發(fā)明的前提下，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，可進行各種改變和替換。因此，本發(fā)明僅僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍來限定。
權(quán)利要求
1.壓縮機(60)的擴壓器(30)，該擴壓器包括相對的壁面(68，70)，它們?yōu)榻邮諄碜匀~輪的工作流體(67)定義了位于壓縮機葉輪(62)下游處的空間；葉片(32)，它包括連接在所述相對壁面之間的壓力面(26)和吸力面(14)，用于指引工作流體通過所述空間；流動狹槽(34)，它形成在葉片和一個壁面之間，該流動狹槽從葉片喉部(76)處沿著部分葉片向上游延伸，使部分工作流體(38)從葉片的壓力面流到吸力面，從而抑制葉片吸力面上流動分離區(qū)(44)的擴張。
2.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽包括形成于葉片表面內(nèi)的凹槽(34)，該凹槽是在將該葉片表面連接到相應(yīng)相鄰的壁面上之前形成的。
3.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽延伸到葉片的前緣(22)。
4.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，該槽從葉片前緣(22)下游一點處向下游延伸，從而在葉片和前緣處的一個壁面之間限定了支持連接件(94)。
5.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽具有垂直于葉片弦長的高度，其不多于垂直于葉片弦長的葉片總高度的5％。
6.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽具有垂直于葉片弦長的高度，其不多于垂直于葉片弦長的葉片總高度的10％。
7.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽沿著不多于葉片弦長的25％延伸。
8.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動狹槽沿著不多于葉片弦長的38％延伸。
9.如權(quán)利要求1所述的擴壓器，其特征在于，流動槽沿著至少葉片弦長的5％延伸。
10.一種壓縮機(60)，其包含如權(quán)利要求1所述的擴壓器(30)。
全文摘要
一種離心壓縮機(60)的擴壓器(30)，該擴壓器(30)具有形成在擴壓器葉片(32)前緣部分(36)和相鄰擴壓器壁面(70)之間的流動狹槽(34)，該狹槽為工作流體(67)提供了從葉片的壓力面(40)流到吸力面(42)的通道。通過葉片的部分工作流體(38)噴射到流動邊界區(qū)域(43)內(nèi)，從而使沿吸力面的流動分離區(qū)(58)的增長最小化。
文檔編號F04D29/44GK1871438SQ200480027489
公開日2006年11月29日 申請日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者D·E·羅林格爾, E·R·迪倫, A·H·富爾曼, K·R·斯文森 申請人:通用電氣公司