用于渦輪機的改進的渦管、包括所述渦管的渦輪機和操作的方法與流程

本文公開的主題涉及對渦輪機的改進。更特別地，本文公開的主題涉及對用于渦輪機(諸如離心壓縮機)的渦管或蝸殼的改進。

背景技術：

壓縮機在工業中且也在航空部門中的廣泛種類的應用中使用。

壓縮機通常包括一個或多個順序地布置的級，每一個包括旋轉葉輪和擴散器。氣體流過葉輪且通過葉輪旋轉而加速。氣體的動能在擴散器中至少部分地轉變為壓力能。離開擴散器的氣體返回到后續葉輪的入口。離開最末葉輪的擴散器的氣體輸送至蝸殼或渦管，其中壓縮的氣體聚集且傳送至壓縮機的出口。

圖1示出了沿現有技術的多級離心壓縮機100的旋轉軸線A-A的剖面。壓縮機包括殼101，轉子103旋轉地裝載在其中。轉子103包括軸105，葉輪107A-107G安裝在其上。各個葉輪107A-107G繼而與擴散器109A-190G組合。返回通道111A-111F布置在各個擴散器109A-109F下游。各個返回通道111A-111F將部分地壓縮的氣體從上游擴散器109返回至下游葉輪107的入口。

離開最末葉輪107G和最末擴散器109G的氣體聚集在蝸殼或渦管113中，氣體從其輸送至壓縮機出口(未示出)。

壓縮機設計成在實現最大效率的設計點處或附近操作。當操作條件改變時，壓縮機仍操作，例如處理較少或較大量的氣體，但壓縮機的總體效率降低。當在離設計點一定距離處操作時，效率的損耗由與氣流的速度矢量的改變部分地聯系的各種因素導致。

當離開擴散器109G的氣體流率不同于設計流率時，在蝸殼或渦管113中也會特別導致損耗。離開葉輪107G的氣體具有帶有切向分量和徑向分量的速度矢量。徑向分量有助于氣體在擴散器109G中的實際前進，而切向分量導致損耗。在蝸殼或渦管113中發生相反的情況，其中切向分量有助于氣體穿過渦管朝出口的前進，而氣體速度的軸向分量生成渦旋以及流中的必然損耗。

存在對渦輪機(諸如離心壓縮機)的渦管或蝸殼的改進的需要，以便降低渦管的效率與渦輪機的操作條件的相關性，且具體而言在渦輪機遠離設計點操作時減少損耗。

本發明的概要

根據第一方面，本公開涉及一種用于結合壓縮機使用的渦管。渦管包括：適于接收流體流的流體入口和適于排出流體流的流體出口，以及限定內部流動體積(inner flow volume，或稱“內部流動空間”)的渦管形狀的壁。流體可為干燥氣體，或濕氣體，即，包含少許例如為液滴的形式的液體。

根據本公開，渦管在其內部流動體積中設有至少一個葉片。葉片從渦管形狀的壁凸起以用于在渦管在非設計條件下操作時修正所述流動體積中的流體流的方向。葉片有利地構造以便在流率變化時維持流動速度的軸向分量和切向分量之間的比率恒定，或至少減小由流率的變化引起的這種變化。因此使得渦管的效率較少取決于渦管的操作條件且因此較少取決于渦管布置在其中的壓縮機的操作條件。如將從一些實施例的描述而變得顯而易見的是，在渦管在非設計條件下操作時葉片修正流的方向，因此至少減少渦管中的速度方向相對于在設計點操作下的速度方向的偏移。

優選地，多個葉片沿渦管的延伸部設置，使得多個導向導葉隨其限定。布置多個葉片改進了葉片在流體流方向上的影響。

根據另一方面，本公開涉及一種帶有渦管的壓縮機，諸如離心壓縮機，渦管設有布置在其中且在渦管中限定導向導葉的一個或多個葉片，以降低由壓縮機的非設計操作而導致的在渦管效率上的負面影響。

根據還有另一方面，本文公開了一種操作壓縮機的方法，其包括以下步驟：利用至少一個旋轉葉輪生成流體流；使用從渦管形狀的壁凸起的至少一個葉片引導流體流穿過渦管，以用于在壓縮機在非設計條件下操作時改變渦管中的流體流的方向，以便減小由壓縮機的非設計操作導致的流動速度的軸向分量和切向分量之間的比率的變化。

特征和實施例這里在下文公開且在所附權利要求中進一步闡述，其形成本描述的組成部分。上文的簡要描述闡述了本發明的各種實施例的特征，以便以下的詳細描述可更好地理解且以便對本領域作出的貢獻可更好地了解。當然，存在將在下文描述且將在所附權利要求中闡述的本發明的其它特征。在這方面，在詳細解釋本發明的若干實施例之前，應理解的是，本發明的各種實施例不在它們的應用方面限于構造的細節以及在以下描述中闡述或在附圖中示出的構件的布置。本發明能夠有其它實施例且以各種方式實踐和執行。也將理解的是，本文采用的措辭和術語是為了描述的目的且不應當視為限制。

因而，本領域的技術人員將了解，本公開所基于的構思可容易地使用作為用于設計用來執行本發明的若干目的其它結構、方法和/或系統的基礎。因此，重要的是，權利要求被視為包括這種等同構造，只要它們不脫離本發明的精神和范圍。

附圖的簡要描述

本發明的公開的實施例的更加完整的了解以及其伴隨的許多優點將容易地獲得，因為其通過參考結合附圖考慮的以下詳細描述可變得更好理解。

圖1是現有技術的多級離心壓縮機的剖視圖；

圖2是體現本文公開的主題的離心多級壓縮機的剖視圖；

圖2A示出了圖2的壓縮機的蝸殼或渦管的放大；

圖3和圖4示出了根據本公開的渦管的備選實施例的兩個示意性截面視圖；

圖5示出了根據本公開的渦管的一部分的部分透視圖；

圖6示出了帶有導向導葉的渦管的一部分的示意圖，其示出了導向導葉中以及限定導向導葉的葉片周圍的各種流動性條件；

圖7A、圖7B和圖7C示出了如本文公開的帶有導向導葉布置的渦管的視圖和細節；

圖8和圖9示出了在渦管中帶有和不帶有導向導葉的情況下渦管的損耗系數與最末壓縮機級的擴散器入口處的流通角的關系曲線。

本發明的實施例的詳細描述

示例性實施例的以下詳細描述參照了附圖。不同附圖中的相同參考標號表示相同或類似的元件。另外，附圖不一定按比例繪制。并且，下文的詳細描述不限制本發明。而是，本發明的范圍由所附權利要求限定。

貫穿說明書對“一個實施例”或“實施例”或“一些實施例”的參考指結合實施例描述的特定特征、結構或特點包括在公開的主題的至少一個實施例中。因此，短語“在一個實施例中”或“在實施例中”或“在一些實施例中”貫穿說明書在各種地方的出現不一定指相同的(一個或多個)實施例。此外，特定的特征、結構或特點可在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。

圖2示意性示出了沿體現本文公開的主題的多級離心壓縮機10的旋轉軸線A-A的剖視圖。壓縮機包括殼1，轉子3旋轉地裝載在其中。轉子3包括軸5，葉輪7A-7G安裝在其上。各個葉輪7A-7G繼而與擴散器9A-9G組合。返回通道11A-11F布置在各個擴散器9A-9F下游。各個返回通道11A-11F將部分地壓縮的氣體從上游擴散器9返回至下游葉輪7的入口。

離開最末葉輪7G和最末擴散器9G的氣體聚集在蝸殼或渦管13中，氣體從其輸送至壓縮機出口(未示出)。

根據本公開，為了改進非設計操作條件下的渦管效率，至少一個葉片設在渦管中，布置和構造成用于減少由于越過壓縮機的可變流率引起的流動方向變化導致的損耗。

如對于圖2的壓縮機所示，在特別有利的實施例中，渦管或蝸殼13設有多個葉片15。葉片15可以恒定節距布置。根據其它實施例，葉片節距可沿渦管的延伸部變化。葉片15限定其間的導向導葉。

根據一些實施例，渦管13包括流體入口17(具體見圖2A、圖3和圖4)，流體入口與最末壓縮機級的擴散器9G流連通。渦管13可進一步包括渦管形狀的壁19，壁限定內部流動體積21，其中葉片15從渦管形狀的壁19凸起。如在圖7B和圖7C的示意圖中最佳所示，渦管13的內部流動體積21具有逐漸增大的截面，以便容納從流體入口17進入渦管的增加量的氣體。根據其它實施例(未示出)，渦管的截面可保持恒定。內部流動體積21與流體出口23連通，流體出口與壓縮機出口或輸送歧管(未示出)合并。

在一些實施例中，葉片15從前緣15L延伸至后緣15T，見圖7A。前緣15L接近流入口17，而后緣15T遠離那里。在一些實施例中，葉片15沿渦管形狀的壁19的一部分布置，該部分位于渦管形狀的壁19的徑向最外部區域中，即，遠離壓縮機轉子3的旋轉軸線A-A。

在有利的實施例中，葉片15相對于軸向方向和切向方向傾斜，軸向方向和切向方向分別由箭頭A和T示意性表示(圖6、圖7A)。R指出徑向方向。

查看圖6和圖7A可最好地了解葉片15的傾斜。在一些實施例中，葉片15的弧線在前緣(即，由在渦管13中流動的氣流遇到的第一邊緣)處與切向方向T形成角度α1。葉片15或其弧線在葉片15的后緣15T處與切向方向T形成角度α2。角度α2通常與α1不同且優選地小于α1。

在其它實施例中，葉片15可為直的，在此情況下，它們在后緣和前緣處與切向方向T將形成相同的角度。

如圖3和圖4中可見，葉片15可設為用于不同的渦管設計。在圖3中示出了內渦管，而在圖4中示出了外渦管。在兩種情況下，葉片15都設為沿渦管形狀的璧19的徑向最外部部分，從鄰近或接近入口17的前緣15L展開至遠離入口17的后緣15T。

在一些實施例中，例如，如圖6中所示，葉片沿其展開部從前緣至后緣具有可變的厚度。在其它實施例中，葉片15的厚度沿其整個展開部可為恒定的。

圖6圖示地示出了沿渦管13的切向展開部布置的葉片15的作用和效果。所述葉片15的作用在于，在任何操作條件下維持渦管入口處的氣體速度的軸向分量和切向分量之間的比率恒定(或至少減小其變化)。當壓縮機在非設計條件下操作時(例如在較高或較低流率的情況下)，這減小由于流動方向相對于設計點的變化導致的損耗。

在圖6中，示出了三個葉片15和限定在其之間的相關導向導葉。各個葉片15由線FL環繞，線FL表示在入口17處進入渦管13的流體流。中間葉片15在設計流動性條件中表示，即，當壓縮機在設計條件下操作且流率對應于壓縮機已經設計用于的流率時。離開擴散器9G的流體流具有帶有徑向分量和切向分量的速度。進入渦管13后，流體流轉移到內部流動體積21中，使得流體流將具有帶有切向分量和軸向分量的速度。擴散器中的流體速度的切向分量無助于流輸送，而徑向分量有助于氣體穿過壓縮機的前進。

相反地，在蝸殼或渦管13中，流體速度的切向分量有助于流體流沿內部流動體積21朝渦管13的流體出口23的前進。

壓縮機設計使得在設計操作條件下，渦管13與流動方向(相對于切向方向T由線FL示意性地表示)正確地匹配，這在渦管13中造成最低限度的損耗。

根據一些實施例，如果葉片15的形狀確定為弧形的翼型件，它們有助于使進入蝸殼或渦管13的流轉向，使得流動速度的切向分量相對于設計點增大。根據一些實施例，葉片的形狀可為使得當壓縮機在設計點下操作時它們不提供任何偏移。

如果壓縮機在非設計條件下操作，帶有相比于設計流率較高的流率，則流體速度的切向分量減小，而擴散器中的流體速度的徑向分量且因此蝸殼或渦管13的入口處的流體速度的軸向分量增大。這種高流動性條件在圖6的右側表示，其中表示流體流的流的線FL相比于在設計流動性條件下更加軸向地定向。葉片15的存在導致進入渦管13的內部流動體積21的流的偏轉，如圖6的右側示意性示出，使得離開葉片15的流大致在相同方向上引導，即，帶有如在設計條件下相同的速度定向。

如果壓縮機相對于設計流動性條件在較低的流率下操作，則進入渦管13的流體流相比于在設計條件下將具有較大的切向速度分量。低流動性條件在圖6的左側示意性表示。

葉片15再次使進入的流體流偏轉，使得在葉片15的后緣處，流體速度將大致在如設計流動性條件下的相同方向上引導。

對比圖6中示意性表示的三種流動性條件，可了解的是，當壓縮機的操作條件改變且變得不同于設計流動性條件時，沿渦管13的切向展開部分布的葉片15的存在減小了流體速度方向的改變。

這分別由于流率增大到設計流率之上或流率減小到設計流率以下造成流動損耗的減少。

圖8和圖9中示出了在使用和不使用本文公開的葉片的情況下在可變流率條件下不同離心壓縮機中的流動損耗的數值模擬。在圖8中示出了第一圖表，其中在最末壓縮機級中的擴散器入口處的流通角沿水平軸記錄。損耗系數在垂直軸上記錄。曲線C1和C2分別表示帶有和不帶有葉片15的情況下損耗系數與擴散器入口處的流通角的關系曲線。角度α0為在設計條件下的擴散器入口處的流通角。在圖表的X軸和Y軸上記錄的流通角和損耗系數值涉及示例性實施例且不應當視為限制本公開的范圍。

當壓縮機以流通角α0操作時，損耗系數最小。當操作條件從設計流通角α0朝較低以及較高流通角值移動時，曲線C1示出了損耗系數的急劇增大。

曲線C2示出了類似的特性，但當從設計流通角α0分別朝較低或較高流通角值移動時，帶有損耗系數的緩得多的增大。設計條件(α0)下的最小損耗系數對于曲線C2略微較高。這考慮了葉片15在渦管13中引入一定量的摩擦損耗的事實，在不使用葉片15的情況下其不存在。然而，一旦操作條件從設計條件朝較高流率或較低流率移動，則葉片在渦管13中重新引導流的優點克服了較高摩擦的缺點，因此減小損耗系數。

在圖9的模擬中，示出了類似的情形，其中在不帶有葉片15的情況下在擴散器入口處在α0的流通角下獲得最小損耗系數。一旦流動性條件背離設計條件α0(曲線C1)，則導致損耗系數的急劇增大。相反地，如果使用葉片15(曲線C2)，當遠離設計條件操作時，損耗系數維持在大致較低的值。在設計條件附近，由于葉片15的表面上的摩擦的引入，導致損耗系數再次微小且幾乎可以忽略的增大。

在上文公開的實施例中，葉片15相對于渦管是靜止的。在其它實施例中，一個、一些或所有葉片15可為可移動的。在一些實施例中，葉片15可樞軸連接至渦管，使得它們的傾角可調節(例如基于流率)。

雖然本文描述的主題的公開的實施例已經在附圖中示出且在上文完全地描述(帶有結合若干示例性實施例的具體和細節)，但對于本領域的普通技術人員將顯而易見的是，在實際上不脫離本文闡述的新穎性教導、原理和構思以及所附權利要求中記載的主題的優點的情況下，許多改變、變化和省略是可能的。因此，公開的創新的合適范圍應當僅由所附權利要求的最寬的解釋確定，以便包含所有的這樣的改變、變化和省略。各種實施例的不同特征、結構和手段可不同地組合。