專利名稱：：透平壓縮機的擴壓器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及透平制冷機、空氣壓縮機以及天然氣加壓輸送裝置等用的透平壓縮機擴壓器的改進。通常，在透平壓縮機上，設有擴壓器和與該擴壓器連接的蝸殼，在擴壓器的葉輪出口側使氣流減速，并將其動能轉化為靜壓，擴壓器一般系由一對平行的側壁形成的。以往，在透平壓縮機上，為了提高擴壓器的效率，曾有將擴壓器進口處寬度縮小的例子(參照特開昭55-156299號公報)，這是為了避免在擴壓器進口處產生逆流，并減少渦流所造成的損失。即使象上述那樣縮小進口的寬度，但是對抑制汽流的分離也是有限度的，而只是對氣流的一部分進行了整流。特別是進口寬度過于狹窄時，會使擴壓器和葉輪的匹配受到破壞，從而使損失增大，因此，對部分負荷效率的提高是有限的，并有導致額定效率下降以及最大風量下降的傾向。此外，即使縮小進口寬度，也不能提高喘振極限，這是一個難題。本發明是在考慮上述問題的基礎上而提出的。其目的是提供一種透平壓縮機的擴壓器，它能夠使流體的流動狀態良好，并能在廣闊的工作范圍內提高額定效率以及部分負荷效率，同時還能提高喘振極限。上述目的，能夠通過下述構成的透平壓縮機的擴壓器來達到。即該擴壓器位于葉輪的流體出口下游、由一對相互對置的側壁形成，它將來自葉輪的流體導入蝸殼。該擴壓器在流體出口處，設有出口收斂段，它以流體的動壓大致回復到靜壓的部位作為起點，越往下游越逐漸縮小其通道寬度。在這里，希望使上述出口收斂段的最小通道寬度等于該出口收斂段上游的通道寬度的3/8～3/4之間。此外，還希望將上述出口收斂段的起點，設在從擴壓器進口算起為擴壓器總長度的70%～90%之間的位置。再有，希望在進口處設置一個越往下游越逐漸縮小的通道寬度的進口收斂段，其最小的通道寬度，根據額定風量的不同設為葉輪出口寬度的75%～95%的范圍內。而且，希望將蝸殼形成為在上述一對側壁中偏置于一側的狀態，而且使上述一側的側壁向通道側突起而形成上述出口收斂段。還希望至少在側壁中形成出口收斂段的那一部分，設置一個通道寬度調節自如的可動式側壁，并設有一個根據負荷的變化來移動該可動式側壁的可動式側壁操縱手段。在這種情況下，希望上述可動式側壁操縱手段能在葉片開度變小時，就移動可動側壁，使通道寬度縮小。還希望上述可動式側壁操縱手段中設有控制葉輪吸入風量用的驅動葉片旋轉的驅動軸;與驅動軸一起旋轉的偏心凸輪;以及受偏心凸輪的推壓作用而使可動式側壁向縮小通道寬度方向移動的推桿。如果采用具有上述構成的透平壓縮機擴壓器，由于在靜壓恢復大致完成的出口處設置了出口收斂段，因此，可以使壓力損失減小，能夠抑制氣流分離，同時還能防止來自蝸殼的倒流。特別是，當使出口收斂段的最小通道寬度等于出口收斂段上游通道寬度的3/8～3/4之間時，業已得知，這對提高喘振極限以及部分負荷效率都有好處。如將上述出口收斂段的起點設在從擴壓器進口算起為總長度的70%～90%之間的位置時，對提高喘振極限及部分負荷效率更為有效。再有，在進口處設置進口收斂段，并按額定風量的不同，將進口收斂段的最小通道寬度設為葉輪出口寬度的75%～95%之間，這樣，由于能在擴壓器進口處減少氣流的畸變和偏移，因此，能夠改善包括額定效率以及部分負荷效率在內的整個效率，并且對擴大喘振范圍有利，也不會降低最大風量。如果將蝸殼形成為偏置于擴壓器壁一側的狀態，而且使上述一側的側壁向通道側突起而形成上述出口收斂段，就能夠有效地防止來自蝸殼的倒流，因此能夠進一步提高效率。至少在側壁中形成出口收斂段的那一部分設置一個通道寬度調節自如的可動式側壁，并設有一個按負荷的變化來移動該可動式側壁的可動式側壁操縱手段，這樣的話，由可動式側壁操縱手段根據負荷的變化來移動可動式側壁，將出口收斂段調至最佳通道寬度，因此，不管負荷大小都能提高效率，從而達到節能的目的。在這種情況下，當葉片開度變小時，操縱手段就移動可動式側壁，使通道寬度變小，從而能與負荷變化相應地迅速調節通道寬度。而且，上述可動式側壁操縱手段如果具有驅動葉片旋轉的驅動軸、與驅動軸一起旋轉的偏心凸輪，以及移動可動式側壁的推桿時，便可起到下述作用。即，當由驅動軸驅動葉片旋轉，并使葉片開度變小，葉輪吸入的風量減少時，隨著上述驅動軸的旋轉而轉動的偏心凸輪通過推桿推壓可動式側壁移動，因此，通道寬度被縮小。另一方面，當由驅動軸驅動葉片旋轉，葉輪吸入的風量增大的情況下，隨著驅動軸回轉的偏心凸輪允許推桿后退，因此，由于擴壓器內的壓力，可動式側壁朝擴展通道寬度的方向移動。為提高擴壓器效率而根據負荷變化來調節通道寬度，這種調節由于采用了機械式調節，因此，能使動作準確，結構簡單，生產成本低，而且，靠偏心凸輪形狀的變化，就能容易地做到與葉片開度相應地調節通道寬度的收斂程度。附圖的簡要說明如下圖1是包括本發明的擴壓器一實施例在內的透平壓縮機的主要部分剖視圖。圖2是擴壓器的剖視圖。圖3是表示透平壓縮機各部分的壓力分布圖。圖4是包括另一實施例擴壓器在內的透平壓縮機的部分剖面概略圖。圖5(a)以及(b)是表示偏心凸輪動作的草圖。圖6是表示另一實施例擴壓器的主要部分剖視圖。圖7表示風量與效率之間關系的曲線圖。圖8表示喘振極限的曲線圖。圖9表示部分負荷效率的曲線圖。圖10表示喘振極限的曲線圖。圖11表示部分負荷效率的曲線圖。圖12表示最大效率的曲線圖。圖13表示喘振極限的曲線圖。圖14表示部分負荷效率的曲線圖。以下根據表示實施例的附圖進行詳細說明。參照圖1，在沿葉輪1的排氣方向延伸的側壁2和側壁3之間形成擴壓器A，接著擴壓器A設有蝸殼4。將蝸殼4形成為偏置于一側的側壁2的狀態。擴壓器A從上游至下游由形狀各異的進口段5、中間段6以及出口段7構成。參照圖2，進口段5的部分，側壁2和側壁3雙方朝下游方向呈收斂錐狀地縮小了通道寬度，由此形成進口收斂段5a。另外，在中間段6，側壁2和側壁3呈平行配置，這里的通道寬度t2為定值。上述進口收斂段5a的收斂比，即，進口收斂段5a的最小通道寬度(等于中間段6的通道寬度t2)設定在葉輪1出口寬度t1的75%～95%之間。還有，進口收斂段5a的錐形端5c的直徑D2，最好設定在葉輪1出口直徑D1的1.05～1.2倍之間。進口收斂段5a的各側壁2、3的傾斜角最好在15°～30°之間。出口段7的部分，從起點10開始，越往下游越逐漸縮小通道寬度，形成出口收斂段7a，使設有偏置蝸殼4一側的側壁2向通道側突出，縮小通道寬度。參照表示從上游到下游靜壓恢復狀態的圖3，上述的起點10位于動壓，在擴壓器A出口段7附近大致恢復到靜壓的部位(圖3上點γ的前后)。如果考慮到葉輪1的直徑以及擴壓器的總長度等，起點10最好位于從進口5b算起為擴壓器總長度的約70～90%之間的位置。如果額定壓頭升高，就有必要使起點10的位置靠近蝸殼4。出口收斂段7a的錐角取在15～25°之間。將出口收斂段7a的最小通道寬度t3設為中間段6的通道寬度t2的3/8～3/4之間。將出口收斂段7a的側壁2配置在蝸殼4內沿徑向深入到中心部附近的狀態。出口7b不是刃邊，而是做成倒角，其倒角面既可與側壁3平行，也可以是圓弧狀的。根據本實施例，把靜壓大致得到恢復的出口段7附近的部位(點γ的前后)作為起點10，設置縮小通道寬度的出口收斂段7a，因此，靠此出口收斂段7a，能夠抑制氣流分離，在使靜壓上升的同時還能防止來自蝸殼的倒流，因此，能夠提高喘振極限和部分負荷效率。特別是，由于將出口收斂段7a的最小通道寬度t3設為中間段6通道寬度t2的3/8～3/4之間，因而增大了喘振范圍，對提高額定效率以及部分負荷效率都大有好處。再有，使出口收斂段7a的起點位于從擴壓器進入口算起為擴壓器總長的70～90%之間的位置，因此對提高喘振極限和部分負荷效率都更加有利。又在進口段5，設有朝下游方向呈收斂錐狀縮小了通道寬度的進口收斂段5a，并且由于將中間段6的通道寬度t2，根據額定風量的不同，設定為葉輪出口寬度t1的75%～95%之間，所以，能夠減少擴壓器進口段5的氣流畸變和偏移。而且，由于進口收斂5a與出口收斂段7a的復合效果，而使包括額定效率及部分負荷效率在內的整個效率得到改善的同時，還能擴大喘振范圍，而最大風量并沒有降低。再有，由于蝸殼4形成為偏置于一側的側壁2上的狀態，上述出口收斂段7a是由上述側壁2向通道內突起而形成的，所以，能夠有效地防止來自蝸殼的倒流，還能進一步提高部分負荷效率。圖4表示，在通道形狀與上述實施例相同的擴壓器上，可以移動側壁的實施例。參照同一圖，偏置著蝸殼一側的側壁2上設有，側壁底座20和相對于底座20可滑動自如地裝配著的可動側壁8，以及移動可動側壁用的可動式側壁操縱手段9。可動式側壁操縱手段9由以下各部分組成由壓縮機吸氣口側設置的驅動軸92傳動而旋轉的葉片91;設在驅動軸92上與其一起旋轉的偏心凸輪93;還有推桿94，其一端94a與偏心凸輪接觸，另一端94b穿過側壁底座20固定在可動式側壁8的背面。本實施例除了同圖1的實施例有相同的效果之外，還起到下述作用。即，通過驅動軸92，葉片91朝關閉吸氣口的方向轉動時，由葉輪1吸入的風量減少。而且，隨著驅動軸92的旋轉，偏心凸輪93沿順時針方向從圖5(a)的狀態旋轉到圖5(b)的狀態推壓推桿94使之移動。通過推桿的這種移動，使可動式側壁8在圖4上向右移動，從而縮小了通道寬度。當葉片91朝著開大吸氣口的方向旋轉時，由葉輪1吸入的風量增大。然而，隨著驅動軸92的旋轉，偏心凸軸93沿著反時針方向從圖5(b)的狀態旋轉到圖5(a)的狀態，允許推桿94向偏心凸輪94側移動。因此通過推桿的這種移動，靠擴壓器內的壓力，使可動式側壁8朝著擴大通道寬度的方向移動，這樣，由于依負荷的增減來調節通道寬度，所以，不管負荷大小都能夠提高擴壓器的效率，同時還可以節能。特別是，因為是根據葉片91的開度來調節通道寬度的，所以能根據負荷的變化，迅速地進行上述調整。并且，為提高擴壓器的效率而根據負荷的變化來調節通道寬度，而這種調節由于采用了機械式調節，所以動作準確。由于是機械式的，就能夠使結構簡單，生產成本低。而且，靠偏心凸輪形狀的變化，就能夠非常容易地做到與葉片開度相應地調節通道寬度的收斂程度。在本實施例中，如圖6所示，也能夠僅僅把擴壓器的出口收斂段7a設計成可動式側壁。還有，也可以利用液壓來驅動推桿94，在這種情況下，可動式側壁8能準確地移動。再有，用加熱器對形狀記憶合金制的彈簧進行加熱，從而使其變形，也能夠驅動推桿94，在這種情況下，不需要電機等驅動手段，因而可以降低成本。(比較例Ⅰ～Ⅳ)用下列表Ⅰ的收斂比(t1/t2)，制作了僅僅收斂進口段的比較例Ⅰ～Ⅲ，比較例Ⅳ完全沒有收斂。表I</tables>對上述比較例Ⅰ～Ⅳ的部分負荷效率進行了測定，其結果如圖7所示。如圖7所示，在最大風量的80～90%左右的通常額定風量區域內，收斂比為0.8的比較例Ⅱ的效率最高，在比它的風量更高時，收斂比為0.95的比較例Ⅰ的效率最高。收斂比為0.7的比較例Ⅲ，因收斂過度而使它與葉輪Ⅰ的匹配受到破壞，損失增大，實驗表明，它沒有使用價值。上述結果表明，進口部位有收斂的擴壓器，其收斂比為0.8者為最好。還可推測，收斂比在0.75～0.95之間者，在實用上還是較好的。(試驗例Ⅰ、Ⅱ以及比較例Ⅱ)除了只收斂進口段者之中取得了最理想結果的上述比較例Ⅱ之外，還制作了只收斂出口段的試驗例Ⅰ和進口收斂比與比較例Ⅱ相同，且出口收斂比與試驗例Ⅰ相同的試驗例Ⅱ(參照表2)。表2</tables>然后，使用試驗例Ⅰ、Ⅱ以及比較例Ⅱ，測定了喘振極限，得到了圖8所示的結果;并測定了部分負荷效率，獲得了圖9所示的結果。如圖8所示，從低風量到高風量的整個范圍內，只收斂出口段的試驗例Ⅰ，以及進口段和出口段都收斂的試驗例Ⅱ的喘振極限，比只收斂進口段的比較例Ⅱ的高，從而證實，設置出口收斂段，能夠提高喘振極限。并且，試驗例Ⅱ的喘振極限比試驗例Ⅰ的喘振極限稍高一些，這種現象被推測為進口段和出口段兩方都收斂的具有復合效果。如圖9所示，從低風量到高風量的整個范圍內，試驗例Ⅰ、Ⅱ的部分負荷效率比比較例Ⅱ的高，試驗例Ⅱ的部分負荷效率比較試驗例Ⅰ的高，從而證實，出口段按規定收斂比收斂的擴壓器，其部分負荷效率的提高，能比進口段收斂的擴壓器中取得最理想結果的還要好。并且還表明，進口段和出口段兩方都收斂的擴壓器，其部分負荷效率的提高，能比只收斂出口段的擴壓器更好。可以推測，這是由于進口收斂段5a和出口收斂段7a的復合效果，而能夠做到在廣闊的范圍內改善效率。(試驗例Ⅱ、Ⅲ以及比較例Ⅱ、Ⅴ)除了上述試驗例Ⅱ以及比較例Ⅱ之外，還制作了如表3所列設定了通路寬度t2、t3、出口寬度t1的尺寸關系的試驗例Ⅲ及比較例Ⅴ的擴壓器。為了明確出口收斂段7a的收斂造成的影響，而使進口收斂段5a的收斂比為一定值。對上述的試驗例以及比較例的喘振極限進行了測定，得到了圖10所示的結果，又對部分負荷效率進行了測定，得到了圖11所示的結果。圖12表示最大效率。如圖10所示，在從低風量到高風量的整個范圍內，進口段和出口段雙方都收斂的試驗例Ⅱ、Ⅲ以及比較例Ⅴ的喘振極限，都高于只收斂進口段的比較例Ⅱ，按照試驗例Ⅲ，試驗例Ⅱ，比較例Ⅴ的順序，出口段的收斂比越小者，其喘振極限就越高。如圖11所示，將出口段的收斂比設為0.25的比較例Ⅴ的部分負荷效率，與只收斂進口段的比較例Ⅱ相比，在低風量時高，但在高風量時又低。將出口段的收斂比設為0.5的試驗例Ⅱ的部分負荷效率，與只收斂進口段的比較例Ⅱ相比，在整個風量范圍內都高。將出口段的收斂比設為0.75的試驗例Ⅲ的部分負荷效率，與比較例Ⅱ相比，從低風量到中等風量范圍內都高，在高風量時大致相同。最大效率如圖12所示，在出口段收斂比為0.5～1.0的范圍內，都大致相等。根據上述情況可以推測，考慮了在通常的額定風量下的使用，也考慮了在部分負荷下的使用，在進口段和出口段雙方都收斂的擴壓器上，通過將出口收斂段7a的最小通道寬度t3設定為中間段6通道寬度t2的3/8～3/4之間的辦法，就能夠同時協調地提高額定效率和部分負荷效率。(試驗例Ⅰ、Ⅳ以及比較例Ⅱ、Ⅵ)除了上述試驗例Ⅰ以及比較例Ⅱ之外，還制作了表4所列那樣的只將出口段收斂的試驗例Ⅳ以及比較例Ⅵ，對喘振極限進行了測定，得到了圖13所示的結果，還對部分負荷效率進行了測定，得到了圖14所示的結果。表4如圖13所示，只將出口段收斂的試驗例Ⅰ、Ⅳ以及比較例Ⅵ的喘振極限，比只收斂進口段而得到最好結果的比較例Ⅱ的喘振極限要高，還有，喘振極限的高低是按照試驗例Ⅳ、試驗例Ⅰ以及比較例Ⅵ的順序排列的，出口處收斂程度越高，喘振極限就越高。如圖14所示，出口收斂比為0.25的比較例Ⅵ，其部分負荷效率與只收斂進口段的比較例Ⅱ相比，在低風量區時高，但在中等風量以上區域時就變得相當低了。出口段收斂比為0.5的試驗例Ⅰ，其部分負荷效率與只收斂進口段的比較例Ⅱ相比，在整個風量范圍內都高。還有，出口段收斂比為0.75的試驗例Ⅳ，其部分負荷效率與比較例Ⅱ相比，從低風量區到中等風量區都高，但在高風量區時大致相同。根據上述情況可以推測，在考慮對于通常的額定風量的適應性，也考慮部分負荷時，在只收斂出口段的擴壓器上，通過將出口收斂段7a的最小通道寬度t3設為中間段6的通道寬度t2的3/8～3/4之間的辦法，就能夠同時協調地提高額定效率和部分負荷效率。此外，圖7、圖9、圖11以及圖14的絕熱效率，分別是在從喘振極限線上取一定余量的線上測定的。上述各項試驗所使用的致冷劑是氟利昂11，但是即使是使用氟利昂12、氟利昂22、氟利昂123以及氟利昂134a等其它的制冷劑，也能取得相同的定性性結果。再有，作為流體，不只是使用冷凍機的制冷劑，即便是用空氣和天然氣等也是一樣的。也就是說，本發明也能夠適用于空氣壓縮機、天然氣加壓輸送裝置用的透平壓縮機。權利要求1.一種透平壓縮機的擴壓器，系由一對位于葉輪(1)出口下游的相互對置的側壁所形成，它將來自葉輪(1)的流體導入蝸殼(4)，擴壓器流體出口(7)部位，設有一個以流體的動壓大致恢復到靜壓的部位為起點，越往下游越逐漸縮小通道寬度的出口收斂段(7a)。2.按權利要求1所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于將上述出口收斂段(7a)的最小通道寬度(t3)，設定在該出口收斂段(7a)上游通道寬度(t2)的3/8～3/4的范圍之內。3.按權利要求1所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于將上述出口收斂段(7a)的起點(10)設置在從擴壓器進口(5b)算起為其總長度的70%-70%之間的位置。4.按權利要求1或2所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于在進口段(5)，設有一個越往下游方向越逐漸縮小通道寬度的進口收斂段(5a)，并將此進口收斂段的最小通道寬度，按額定風量的不同設定在葉輪(1)出口寬度(t1)的75%-95%的范圍內。5.按權利要求1所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于蝸殼(4)形成為偏置在上述一對側壁(2)、(3)中一側的側壁(2)的狀態，使上述一側的側壁(2)向通道側突起，從而形成上述出口收斂段(7a)。6.按權利要求1所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于在側壁(2)、(3)中，至少在形成出口收斂段(7a)的部分，設有通道寬度調節自如的可動式側壁(8)，并設有根據負荷來移動該可動式側壁(8)用的可動式側壁操縱手段(9)。7.按權利要求6所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于蝸殼(4)形成為偏置在上述一對側壁(2)、(3)中一側的側壁(2)的狀態，使上述一方的側壁(2)向通道側突起，從而形成上述出口收斂段(7a)，上述可動式側壁(8)設置在上述一側的側壁(2)里的至少是形成出口收斂段(7a)的部分。8.按權利要求6所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于當葉片開度一變小時，上述可動式側壁操縱手段(9)便移動可動式側壁(8)，以縮小通道寬度。9.按權利要求8所述透平壓縮機的擴壓器，其特征在于，上述可動式側壁操縱手段(9)設有驅動控制壓縮機吸氣量的葉片(91)旋轉的驅動軸(92);與驅動軸92一起回轉的偏心凸輪(93);以及，受偏心凸輪(93)的推壓，使可動式側壁(8)朝縮小通道寬度方向移動的推桿(94)。全文摘要本發明涉及將來自葉輪的流體導入蝸殼的透平壓縮機擴壓器。該擴壓器是在相互對置的一對側壁之間形成。擴壓器在流體出口處設有出口收斂段。這個出口收斂段以流體的動壓大致恢復到靜壓的部位作為起點，越往下游方向越逐漸縮小通道寬度。由于設有出口收斂段，而能降低壓力損失、抑制流體分離以及防止來自蝸殼的倒流，進而使提高喘振極限和部分負荷效率的目的得以實現。文檔編號F04D29/44GK1048251SQ90104309公開日1991年1月2日申請日期1990年6月12日優先權日1989年6月13日發明者足立安功申請人:達依基姆工業株式會社