專利名稱：用于壓縮機(jī)的變截面集流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及用于增加氣體壓力的離心式壓縮機(jī)，特別是指這種離心式壓縮機(jī)的集流器。
離心式壓縮機(jī)在許多工業(yè)中具有廣泛的用途。在低溫空氣分離工業(yè)中，離心式壓縮機(jī)用于將進(jìn)入設(shè)備內(nèi)的輸入空氣予以壓縮，使空氣在該設(shè)備中液化并分離成它的各個(gè)組份。離心式壓縮機(jī)還可用來壓縮氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)品。壓縮這些氣體所需要的能量是該設(shè)備運(yùn)行中的一項(xiàng)主要成本。因此，在離心式壓縮機(jī)壓縮效率方面的改進(jìn)即使是微小的，對該操作的經(jīng)濟(jì)效益也具有顯著的影響。
一種常規(guī)的離心式壓縮機(jī)具有一根旋轉(zhuǎn)軸，其上裝有一個(gè)葉輪，該葉輪具有用于在軸向上吸入氣體的葉片。葉輪的旋轉(zhuǎn)使氣體的速度增加并提高其壓力。然后氣體按徑向方向從葉輪排出，其速度很高并具有一個(gè)大的切向分量。接著，氣體進(jìn)入一個(gè)擴(kuò)壓器，在那里它轉(zhuǎn)向以更為徑向的方向向外流動，同時(shí)減速并連續(xù)地提高其靜壓。該擴(kuò)壓器可以有葉片以導(dǎo)引氣流，或者也可以沒有葉片成為無葉片空間。在徑向填充很重要和視效率為最重要的一些應(yīng)用中，帶葉片的擴(kuò)壓器，由于其效率更高，較之無葉的擴(kuò)壓器更為優(yōu)越。
氣體離開擴(kuò)壓器時(shí)帶有的動能相當(dāng)于葉輪賦于氣體能量的百分之一至四。離開擴(kuò)壓器的氣體速度具有一個(gè)徑向分量和一個(gè)切向(周向)分量。帶葉片的擴(kuò)壓器比一個(gè)無葉片的擴(kuò)壓器以更小的切向速度分量將氣體排出。
一個(gè)帶有一條內(nèi)凹槽的外殼圍繞在擴(kuò)壓器的出口，該內(nèi)凹槽具有一個(gè)與擴(kuò)壓器出口對準(zhǔn)的開口。該凹槽接受從擴(kuò)壓器圓周方向排出的氣體。凹槽壁將氣流導(dǎo)入切向方向，以便在凹槽內(nèi)以切向流動。該凹槽將氣流積聚和匯合成單一流體，該流體通過從凹槽外殼伸出的出口通道離開該凹槽。通常出口通道沿著切向從外殼露出以盡量減少流量的損失。出口通道將壓縮的氣流傳送至一根管道，再由該管道將壓縮氣體傳送至下一操作工位。
為了積聚和收集從無葉擴(kuò)壓器排出的氣體，通常使用一種稱作蝸殼的積聚凹槽。常規(guī)的蝸殼包括一個(gè)外殼，其截面從業(yè)內(nèi)被稱為舌部的一個(gè)截面接近零的起始點(diǎn)開始逐漸加大直至其出口稱為喉部的最大截面處。這種面積安排要求形成一個(gè)小的舌角，例如從切線方向測量為10°。一個(gè)可用于無葉擴(kuò)壓器的蝸殼通常以大的切向分量和小的出口角(從切向測量)將氣流排出。這樣，相對于舌部的氣流傾角就小而且傾角損失也小。帶葉片的擴(kuò)壓器通常將氣流更多地轉(zhuǎn)為徑向，而以一較小的切向分量將氣流排出。因此，來自帶葉片擴(kuò)壓器的氣流進(jìn)入蝸殼時(shí)在蝸殼舌部將具有一個(gè)較大的傾角，由此增加了氣流的能量消耗。
為了避免由蝸殼舌部造成的傾角損失，一種被稱作集流器的積聚凹槽被用于帶葉片的擴(kuò)壓器。一種常規(guī)的集流器包括一個(gè)蝸殼形外殼，該外殼具有一個(gè)足夠大面積作為增壓室的恒定徑向截面，以減少集流器內(nèi)周邊的壓力變化。
通常用于帶葉片擴(kuò)壓器的這種普通集流器提供了改進(jìn)的機(jī)會。在集流器起始點(diǎn)機(jī)靠近該處的周邊位置處(該位置鄰接于伸出的出口通道的入口)集流器內(nèi)幾乎沒有切向流動。在那里，離開擴(kuò)壓器的氣流由于整個(gè)壓力方面的損失在進(jìn)入集流器時(shí)突然地減速。在接近集流器端頭的周邊位置處，也就是接近出口通道處，大量的切向氣流積聚在集流器內(nèi)，而離開擴(kuò)壓器的氣流進(jìn)入集流器時(shí)就開始加速。隨后，這些加速的氣流由于總的壓力方面的損失通常被減速。
另一方面，在提供一種超大型集流器的地方，來自擴(kuò)壓器的氣流進(jìn)入集流器時(shí)將繞著集流器的整個(gè)周邊減速，這將導(dǎo)致更大的動能喪失。因此，常規(guī)的集流器不可能很好地保存離開帶有葉片的擴(kuò)壓器的氣體中的動能。
本發(fā)明的目的是克服上述缺點(diǎn)提供一種用于壓縮機(jī)的變截面集流器。
本發(fā)明提供的離心式壓縮機(jī)包括(a)一根旋轉(zhuǎn)軸;
(b)一個(gè)裝在該軸上的葉輪;
(c)一個(gè)圍繞在葉輪周圍的帶葉片擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器具有一個(gè)與葉輪的排出口相連通的入口和一個(gè)出口;
以及(d)一個(gè)繞著葉輪的新穎集流器。
所述的集流器本身就是本發(fā)明的一個(gè)方面，它包括(a)一個(gè)具有周邊入口的外殼，該入口位于外殼的內(nèi)徑壁上并能夠圍繞在帶葉片擴(kuò)壓器的出口周圍并與其相連通;
(b)一個(gè)從外殼伸出的出口通道，該出口通道具有一個(gè)入口并在該入口處與外殼的外徑壁形成一個(gè)銳角交叉部。
外殼在與銳角交叉部徑向?qū)R的一個(gè)第一角度位置處具有一個(gè)大約為出口通道的入口面積40%至80%的徑向截面面積。在該新穎集流器中，軸向遠(yuǎn)離外殼入口的外殼表面上在沿著出口通道的交叉處軸向高度上具有一個(gè)臺階，以便至少部分地將氣流從外殼導(dǎo)引至出口通道，并且減小外殼內(nèi)氣流的回流。
該外殼的徑向截面面積，即便在開始出現(xiàn)切向流動處的那一部分外殼，即鄰近出口通道的入口處的徑向截面面積也是足夠的大，以便提供增壓效應(yīng)，減輕對進(jìn)入氣流角度的敏感性，并促進(jìn)渦流。
下面結(jié)合較佳實(shí)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，附圖中


圖1是體現(xiàn)本發(fā)明提出的離心式壓縮機(jī)的軸向剖視圖;
圖2是圖1中所示的集流器的截面平面視圖;
圖3-9是沿圖2中相應(yīng)標(biāo)號的箭頭方向截取的圖2中所示的集流器的各個(gè)截面的示圖。
本發(fā)明的一個(gè)例子顯示在圖1-9中。在圖1中，體現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)離心式壓縮機(jī)包括一根其上裝有一個(gè)葉輪14的旋轉(zhuǎn)軸12。葉輪上具有葉片16用以將氣體軸向吸入葉輪并徑向排出。葉輪將氣體排入一個(gè)圍繞著葉輪的帶葉片擴(kuò)壓器18。繞在擴(kuò)壓器周圍的是一個(gè)集流器20，如圖2所示，它包括一個(gè)大致為蝸殼形的外殼22，該外殼在各個(gè)不同的角位置處具有各個(gè)徑向的截面;如圖3-9所示。外殼22于其內(nèi)壁26上具有一個(gè)周邊入口24。內(nèi)徑壁是面朝蝸殼形外殼的中心軸線并位于垂直于軸線和與外殼表面相切的兩個(gè)平面之間的壁部。入口24能夠接納來自準(zhǔn)備作為新穎集流器的帶葉片擴(kuò)壓器的氣流。入口24的截面軸向高度的一端最好容許氣流切向進(jìn)入外殼橫截面內(nèi)。這樣一種進(jìn)入走向可以使進(jìn)入的氣流在到達(dá)集流器的外徑壁之前部分地減速，從而將其一部分的速度轉(zhuǎn)變成靜壓的增加。進(jìn)入的切向走向還在集流器截面內(nèi)促成了渦流，該渦流掃過集流器的內(nèi)壁，從而減小了壁上的邊界層厚度。這樣就穩(wěn)定了集流器內(nèi)的切向氣流，從而防止了氣流與壁部的分離并減少了氣流摩擦損失。
一個(gè)出口通道30從外殼22切向伸出。雖然出口通道并不一定要切向地伸出，但是對于減少能量損失來說，切向伸出比較好。由箭頭8-8標(biāo)示的出口通道的入口32，它的截面形狀可與緊接著出口通道伸出口上游處的外殼截面形狀相同，如圖8所示，但也可以是其它的形狀，例如，是圓形的。在蝸殼技術(shù)中，出口通道的入口被稱作為喉部。在鄰近出口通道入口的一個(gè)周向位置處，出口通道與集流器的外徑壁形成一個(gè)銳角交叉部34。出口通道還與集流器的外徑壁形成一個(gè)平緩的交叉部36。對于一個(gè)切向伸出的出口通道，形成銳角交叉部34的壁具有一個(gè)大約60°的夾角。形成銳角交叉部的壁的邊緣為了制造的目的可以稍許成圓形，以便在該位置處更好地與流動方向配合。在蝸殼技術(shù)中，該銳角交叉部被稱作為舌部。當(dāng)出口通道切向伸出時(shí)，平緩的交叉部36本身也是切向的。
為方便起見，定義了一個(gè)參考角度38，它的起始點(diǎn)位于從外殼的軸線通過銳角交叉部的徑向線上。當(dāng)按初始方向離開平緩的交叉部測量時(shí)，也就是說，沿著外殼內(nèi)指定的切向流動方向測量，參考角度為正的。在與銳角交叉部平齊的第一角度位置處，即參考角度為零度處，由箭頭3-3標(biāo)示的外殼徑向截面面積是出口通道入口32的截面面積的大約40%至大約80%。這一位置是外殼內(nèi)的切向流動的起始點(diǎn)。在外殼的這個(gè)起始部份徑向截面面積具有這樣一個(gè)尺寸，使從擴(kuò)壓器進(jìn)入的氣流出現(xiàn)一些突然的膨脹，但是相對于常規(guī)的集流器來說，這種膨脹較小而且損失也較低。然而，在起始部位的截面面積的尺寸足夠的大，而外殼的外徑壁離外殼入口的距離也足夠的遠(yuǎn)，以致相對于一個(gè)蝸殼來說，對進(jìn)入的氣流傾斜角度的敏感度減小了，因而流量的損失也減少了。
在參考角度從大約120°至大約320°的第二角度位置處，外殼的截面面積是出口通道入口的截面面積的大約80%至大約100%。在圖2中，這一位置由箭頭5-5標(biāo)示并顯示在圖5中。
從第一角度位置至第二角度位置，面積的轉(zhuǎn)變可以追隨一個(gè)線性關(guān)系，或者非線性關(guān)系，但是該轉(zhuǎn)變最好是平順的，在變化率上沒有減小，也沒有突然的變化，從而減小氣流的壓力損失。例如，在一個(gè)介于第一和第二角度位置中間的位置，例如由箭頭4-4標(biāo)示并顯示在圖4中的截面，其截面面積的大小介于在第一和第二角度位置的面積之間。在本文中所說的平順意味著外殼壁的總的擴(kuò)張角度不會超過15°臺階和突躍不超過0.01英寸，由率半徑也不能小于0.5英寸。
在外殼中緊接前面的位置處，標(biāo)記為第三角度位置，在該位置外殼中的大部分氣流完全垂直于徑向方向。這一位置在圖2中由箭頭6-6標(biāo)示并顯示在圖6中。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，外殼的截面面積從第二角度位置至第三角度位置是恒定不變的。然后從第三角度位置至出口，外殼截面面積平順地增大直至出口。
雖然這里描述的是一種截面面積從第一徑向位置至出口通道入口增大的特定方案，但其它的面積變化方案，例如，一個(gè)線性增大的面積，也是可用的。在本發(fā)明中重要的是，外殼截面面積即便在外殼的起始部分，也就是說，在鄰近出口通道入口處也是足夠的大，以便使外殼能對從帶葉片擴(kuò)壓器進(jìn)入的氣流提供一個(gè)增壓效應(yīng)。由于外殼內(nèi)的周邊壓力變化被減小了，所以在葉輪的出口處施加一個(gè)更為均勻的壓力，從而提高了葉輪的性能。在外殼起始部位的截面面積也有足夠的大，以便在外殼內(nèi)激發(fā)渦流。然而，與常規(guī)的集流器相比，截面面積在起始部位就減小了，以便在起始部位減少氣流進(jìn)入的膨脹損失。
在第一角度位置處的外殼截面(由箭頭3-3標(biāo)示)是一個(gè)帶圓角的正方形或長方形，如圖3所示。因此，外壁與入口隔開，允許進(jìn)入的氣流有一些擴(kuò)散，以使該截面內(nèi)的渦流發(fā)展并減小對進(jìn)入氣流角度的敏感性。截面面積從第一徑向位置至出口的增大最好通過增大外殼的軸向高度來完成，同時(shí)維持其徑向?qū)挾炔蛔?。這樣，截面就從正方形逐漸發(fā)展成長方形，如圖3-6所示。與銳角交叉部徑向?qū)R的第一角度位置處的外殼截面的軸向高度對徑向?qū)挾鹊谋嚷首詈眉s為0.85至1.25。其它形狀的外殼截面也同樣可用，例如，圓形，橢圓形和其它帶圓角的多邊形。多邊形不一定要是等邊或等角的。例如，一個(gè)平行四邊形也照樣可用，如帶有一個(gè)80°銳角的平行四邊形。
隨著由軸向高度的增加而造成的外殼內(nèi)截面面積的增大，外殼的截面面積的矩心保持在一個(gè)相對于外殼軸線恒定的半徑上。這種恒定性減少了外殼內(nèi)的旋渦擴(kuò)散和壓力變化，從而提高了葉輪的性能。
從外殼至出口通道的過渡最好由一個(gè)從外殼的入口軸向隔開的表面上(也就是如圖3-7所示的外殼頂表面)的臺階40來完成。從由箭頭6-6所示的角度位置(或大于該角度的位置)至由箭頭8-8所示的位置，外殼的頂表面逐漸地從在箭頭6-6處所達(dá)到的高度降低到箭頭3-3所示剖面的高度。這種過渡顯示在圖7和圖9中。在這些附圖中的顯著特征是入口24的上邊緣46，外殼的下頂表面48和外殼的更高頂表面50。臺階40由箭頭6-6所示的位置開始逐漸增大至由箭頭8-8所示的位置，也就是說至外殼的銳角交叉處。這個(gè)臺階至少部分地將周邊氣流導(dǎo)入出口通道并減少外殼內(nèi)周邊氣流的回流。
雖然本發(fā)明是參照特定的實(shí)施例和樣本予以描述的，但應(yīng)當(dāng)理解到，它應(yīng)該包括在權(quán)利要求范圍內(nèi)所有的變更型和等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于離心式壓縮機(jī)內(nèi)的帶葉片擴(kuò)壓器的變截面集流器，所述的集流器包括(a)一個(gè)具有周邊入口的外殼，所述的周邊入口位于所述外殼的內(nèi)徑壁上，所述入口能夠圍繞帶葉片擴(kuò)壓器的出口周圍并與其相連通；(b)一個(gè)從所述外殼伸出的出口通道，所述出口通道具有一個(gè)入口并在所述入口處與所述外殼的外徑壁形成一個(gè)銳角交叉部；(c)所述外殼在與所述銳角交叉部徑向?qū)R的一個(gè)第一角度位置具有一個(gè)大約為所述出口通道的入口面積40%至80%的徑向截面面積；(d)所述外殼從所述第一周邊位置至所述出口通道入口在徑向截面面積上具有平順的過渡。
2.如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外殼在參考角度由所述銳角交叉部沿著在所述外殼內(nèi)指定的切向流動方向從大約120°至大約320°的第二角度位置處具有的截面面積等于所述出口通道入口的截面面積的約80%至100%。
3.如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外殼從所述第一位置至所述第二位置具有一個(gè)基本上是恒定的徑向?qū)挾群鸵粋€(gè)逐漸增大的軸向高度。
4.如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于所述外殼在所述第一角度位置處與所述銳角交叉部徑向?qū)R的截面其軸向高度和徑向?qū)挾鹊谋嚷蚀蠹s為從0.85至大約1.25。
5.如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外殼截面矩心的徑向位置的增加不會超出所述第一位置處的截面矩心的徑向位置的20%。
6.如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于所述的外殼截面的矩心離所述蝸殼形外殼的中央軸線一段恒定的徑向距離處。
7.如權(quán)利要求1所述的收集器，其特征在于所述外殼的內(nèi)徑壁在所述出口通道的交叉處沿軸向高度有一個(gè)臺階，以便將氣流從所述外殼導(dǎo)入所述出口通道內(nèi)并減少在所述外殼內(nèi)的氣流回流。
8.一種離心式壓縮機(jī)，它包括(a)一根旋轉(zhuǎn)軸;(b)一個(gè)裝在所述軸上的葉輪;(c)一個(gè)圍繞在所述葉輪周圍的帶葉片擴(kuò)壓器，所述擴(kuò)壓器具有一個(gè)與所述葉輪的排出口相連通的入口和一個(gè)出口;和(d)一個(gè)繞著所述葉輪的集流器，其特征在于所述集流器包括(1)一個(gè)具有周邊入口的外殼，所述入口位于所述外殼的內(nèi)徑壁上，所述入口能夠圍繞在帶葉片擴(kuò)壓器的出口周圍并與其相連通;(2)一個(gè)從所述外殼伸出的出口通道，所述出口通道具有一個(gè)入口并在所述入口與所述外殼的外徑壁形成一個(gè)銳角交叉部;(3)所述外殼在與所述銳角交叉部徑向?qū)R的第一角度位置具有一個(gè)大約為所述出口通道的入口面積40%至80%的徑向截面面積;(4)所述外殼從所述第一周邊位置至所述出口通道入口在徑向截面面積上有一個(gè)平順的過度。
9.如權(quán)利要求8所述的壓縮機(jī)，其特征在于所述集流器外殼從所述第一位置至所述第二位置具有一個(gè)基本上恒定的徑向?qū)挾群鸵粋€(gè)逐漸增大的軸向高度。
10.如權(quán)利要求8所述的壓縮機(jī)，其特征在于所述外殼截面矩心的徑向位置的增加不會超過所述第一位置處的徑向位置的20%。
全文摘要
一種用于離心式壓縮機(jī)內(nèi)帶葉片擴(kuò)壓器的變截面集流器，其中集流器出口通道入口處的集流器外殼的徑向截面面積是出口通道入口面積的40％至80％，并且平順地逐漸增大至出口通道入口的面積。集流器外殼截面面積的逐漸增長是由集流器軸向高度的變化產(chǎn)生的。在與出口通道的交接處，集流器在軸向高度上有一個(gè)臺階，以便至少部分地將來自集流器的切向氣流導(dǎo)入出口通道入口。
文檔編號F04D29/44GK1080032SQ9310607
公開日1993年12月29日 申請日期1993年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月20日
發(fā)明者M·R·沃倫 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司