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CN101263305A - 倾斜离心压缩机翼片扩压器 - Google Patents

倾斜离心压缩机翼片扩压器 Download PDF

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CN101263305A CNA2006800331525A CN200680033152A CN101263305A CN 101263305 A CN101263305 A CN 101263305A CN A2006800331525 A CNA2006800331525 A CN A2006800331525A CN 200680033152 A CN200680033152 A CN 200680033152A CN 101263305 A CN101263305 A CN 101263305A
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Abstract

一种用于离心压缩机的低密实度带导叶的翼片扩压器(2)，其中每个叶片具有大于零的倾斜角(85)且其中对于每个叶片，毂交错角(70)可以与罩交错角(80)相同或不同。优选地，倾斜角(85)在从5度到60度的范围内，且毂交错角(70)和罩交错角(80)从13度到30度。扩压器可以使用在用于空气分离设备的离心压缩机内。

Description

倾斜离心压缩机翼片扩压器
技术领域
本发明一般地涉及离心压缩机，且更特定地涉及使用在例如低温精馏空气以产生例如氧、氮和氩的大气气体的低温精馏系统中的离心压缩机。
背景技术
离心压缩机使用安装在定位于静止壳体内的可旋转轴上的轮或叶轮。轮限定了从入口到出口的气体流动路径。低密实度翼片扩压器已成功地在工业离心压缩机级中用作有效和紧凑的动态压力恢复设备。典型地，这样的扩压器具有在紧邻叶轮出口处周向地分布的级联的二维翼片叶片或导叶。此类型的扩压器的基本特征是缺少允许其增加运行范围而无流动阻塞风险的几何喉部。此类型的扩压器几何形状具有接近于无导叶扩压器的流动范围的大流动范围，同时实现了接近于通道型扩压器的压力恢复程度。然而，近来由于在过程工业中增加的竞争性，离心压缩机运行范围受到增加到超过当前二维扩压器构造的现有范围的挑战。
发明内容
本发明的一个方面在于：
带有多个扩压器叶片的用于具有叶轮的离心压缩机的翼片扩压器，其中扩压器叶片前缘和后缘之间的距离和任何两个连续叶片之间的距离之比小于一，对于每个叶片，扩压器叶片倾斜角大于零度，且对于每个叶片，毂交错角与罩交错角相同。
本发明的另一个方面在于：
带有多个扩压器叶片的用于具有叶轮的离心压缩机的翼片扩压器，其中扩压器叶片前缘和后缘之间的距离和任何两个连续叶片之间的距离之比小于一，对于每个叶片，扩压器叶片倾斜角大于零度，且对于每个叶片，毂交错角与罩交错角不同。
如在此所使用，术语“倾斜角”意味着叶片堆叠方向与垂直于毂或罩平面的方向之间形成的角度。
如在此所使用，术语“交错角”意味着连接了叶片前缘和叶片后缘的线与径向方向之间形成的角度。
如在此所使用，术语“毂交错角”意味着叶片与叶轮的毂相遇处的交错角。
如在此所使用，术语“罩交错角”意味着叶片邻近罩的平面处的交错角。
附图说明
图1是带有本发明的扩压器的离心压缩机的表示。
图2是本发明的扭曲扩压器方面的一个实施例的视图。
图3是本发明的纯倾斜扩压器方面的一个实施例的视图。
图4是示出了倾斜角、毂交错角和罩交错角的扩压器叶片的更详细的视图。
图5是示出了以本发明的实践获得的结果和以常规实践获得的比较结果的图形表示。
附图中的数字对于相同的元件相同。
具体实施方式
一般地，本发明包括用于其中每个叶片具有大于零的倾斜角的离心压缩机的改进的低密实度翼片扩压器。扩压器可以是可变交错(stagger)型扩压器，也已知为扭曲扩压器，其中对于每个叶片，毂交错角与罩交错角不同，或可以是纯倾斜型扩压器，其中对于每个叶片，毂交错角与罩交错角相同。
将参考附图更详细地描述本发明。图1示出了带有扩压器2的离心压缩机叶轮1，扩压器2可以是如在图2中示出的可变交错扩压器或如在图3中示出的纯倾斜扩压器，扩压器叶片倾斜和扭转的更详细的视图在图4中示出。在附图中，5为叶轮外径，10是扩压器叶片压力表面，20是扩压器叶片吸力表面，30是扩压器叶片毂，40是扩压器叶片罩，50是扩压器叶片前缘，60是扩压器叶片后缘，70是毂处的扩压器叶片交错角，80是罩处的扩压器叶片交错角，且85是扩压器翼片倾斜角。当角度85不等于零时，扩压器叶片被称为倾斜。当毂交错角80不等于罩交错角70时，扩压器被称为具有可变交错。扩压器叶片密实度限定为扩压器叶片前缘和后缘之间的距离和任何两个连续叶片之间的距离之比。低密实度翼片扩压器是密实度小于一的扩压器。
离开离心压缩机叶轮的流动在叶轮出口处罩吸力表面附近形成了低速尾流区域。此低速区域由于由经向和叶片到叶片流线曲率以及在切向方向上的科里奥利力驱动的次级流动导致。此速度形式导致罩附近的更陡的流动角度，这不仅引入入射在扩压器罩叶片上的流动，而且降低了罩壁上的边界层稳定性。本发明使用扩压器叶片的空气动力学堆叠以减轻这些降低整个压缩机级的运行范围和效率的流动现象。
在本发明的其中扩压器叶片以可变的角度从毂向罩交错的低密实度翼片可变交错(扭曲)扩压器方面中，可变交错角扩压器叶片设计为更好地跨过整个流动路径与流动方向对齐。此外，将扩压器叶片以可变交错角堆叠自动地导致将叶片倾斜引入到扩压器的翼展方向上。在本发明的纯倾斜扩压器方面中，扩压器叶片以相对于核心扩压器流动的角度(倾斜角度)堆叠而不改变扩压器叶片交错。此几何形状简单的纯倾斜扩压器以降低的制造成本具有与几何形状更复杂的可变交错扩压器类似的扩展的运行范围。本发明因此提出了通过使用在堆叠叶片中的纯倾斜对可变交错扩压器堆叠的改进。图5示出了三个叶轮扩压器布置在质量流量和压力方面的运行图对比。本发明的可变交错扩压器和纯倾斜扩压器(曲线A)比常规的二维低密实度翼片扩压器(曲线B)在喘振(surge)和阻塞流侧上具有更宽的运行范围。本发明的可变交错和纯倾斜扩压器布置比常规扩压器相同程度地在阻塞侧以及喘振侧上增加了压缩机级的运行范围。
在叶片压力载荷上的叶片倾斜效果可以是非常强大的。叶片倾斜在经向流线移动(即通过反应)和径向叶片压力载荷分布上具有效果。压力一般从吸力表面向压力表面增加。对于倾斜叶片，在翼展方向上的倾斜的叶片几何形状生成了垂直于罩壁和毂壁，即翼展方向的压力梯度。此压力梯度在常规二维级联叶片的从毂到罩的经向流线移动和载荷分布修改上具有效果。此叶片压力载荷再分布和经向流线移动可以用于再引导高动量流体，以对罩壁附近的低动量流动区域供给能量，从而改进了罩壁上的边界层稳定性且抑制了次级流动，因此延迟了失速和分离。
本发明的三维可变交错和纯倾斜低密实度翼片扩压器在空气动力学上优于常规的二维扩压器。此外，纯倾斜扩压器在扩展压缩机级运行范围方面上具有与可变交错(扭转)扩压器相同的效果而具有降低制造成本的优点。可变交错三维扩压器几何形状具有改变扩压器入口角度以及在扩压器叶片的翼展方向上引入倾斜的效果。入口角度的改变更好地将扩压器叶片与来流流动对齐且生成的倾斜在翼展方向上再分布叶片压力载荷，以及将经向流线向扩压器罩移动。在扩压器叶片中的纯倾斜具有在翼展方向上再分布叶片压力载荷以及将经向流线向扩压器罩移动的效果，从而为扩压器罩的低动量流动供给能量且防止低动量流动在罩壁上的分离。由于扩压器叶片倾斜导致的叶片载荷再分布和移动经向流线的总体结果是压缩机运行范围和效率的增加。倾斜叶片在改进其性能和范围方面比将扩压器叶片与来流流动再对齐方面具有更强的贡献。因此，纯倾斜扩压器和可变交错扩压器叶片具有类似的运行范围。因此，纯叶片倾斜可以用作增加压缩机范围和效率的方式，而不是几何形状更复杂的可变交错扩压器叶片堆叠。
增加压缩机级的范围和效率允许压缩机满足了可能在例如低温空气分离设备的设备的使用寿命中因需要或其他要求而改变的过程循环的需求。这降低了安装可变速度控制、入口导向导叶或再设计压缩机级以满足不同的过程循环的成本。此外，在压缩机级效率上的改进代表了在压缩机运行成本上的改进。
本发明可以使用在任何离心压缩机级中。扩压器叶片倾斜可以从毂到罩是恒定的或是沿叶片翼展是复合变化的(弓形扩压器叶片)。扩压器叶片的交错角可以从毂到罩线性地改变，从而跨过叶片翼展线性地分布叶片扭曲，或以非线性率改变，从而将叶片扭曲集中在毂或罩附近。倾斜角的可应用范围从5度到60度，扭曲的扩压器角在5度和50度之间，扩压器前缘直径范围从4英寸直至55英寸，且扩压器叶片交错角在13度和30度之间。扩压器叶片翼片几何形状可以是NACA翼片类型或任何特殊几何形状的翼片，例如超临界翼片几何形状。本发明可以与所有合适的气体在任何合适的运行压力下和任何合适的叶轮尖端速度下一起使用，例如空气、氮、氧、二氧化碳、氦和氢。本发明可应用于离心压缩机的所有典型流动和压力范围(所有特定的速度)中。最优选地，扩压器叶片定位在叶轮下游不小于大于叶轮出口半径10％的半径处。
虽然本发明已参考某些优选实施例详细描述，但本领域一般技术人员将认识到，在权利要求书的精神和范围内存在其他的实施例。

Claims (9)

1.一种带有多个扩压器叶片的用于具有叶轮的离心压缩机的翼片扩压器，其中扩压器叶片前缘和后缘之间的距离和任何两个连续叶片之间的距离之比小于一，对于每个叶片，扩压器叶片倾斜角大于零度，且对于每个叶片，毂交错角与罩交错角相同。
2.根据权利要求1所述的扩压器，其中倾斜角在从5度到60度的范围内。
3.根据权利要求1所述的扩压器，其中毂交错角和罩交错角都在从13度到30度的范围内。
4.根据权利要求1所述的扩压器，该扩压器与用于低温空气分离设备的离心压缩机一起使用。
5.一种带有多个扩压器叶片的用于具有叶轮的离心压缩机的翼片扩压器，其中扩压器叶片前缘和后缘之间的距离和任何两个连续叶片之间的距离之比小于一，对于每个叶片，扩压器叶片倾斜角大于零度，且对于每个叶片，毂交错角与罩交错角不同。
6.根据权利要求5所述的扩压器，其中倾斜角在从5度到60度的范围内。
7.根据权利要求5所述的扩压器，其中毂交错角和罩交错角都在从13度到30度的范围内。
8.根据权利要求5所述的扩压器，其中每个叶片具有在从5度到50度范围内的扭曲角。
9.根据权利要求5所述的扩压器，该扩压器与用于低温空气分离设备的离心压缩机一起使用。
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