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CN113906222A - 用于离心式压缩机的定子叶片 - Google Patents

用于离心式压缩机的定子叶片 Download PDF

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CN113906222A CN202080038087.5A CN202080038087A CN113906222A CN 113906222 A CN113906222 A CN 113906222A CN 202080038087 A CN202080038087 A CN 202080038087A CN 113906222 A CN113906222 A CN 113906222A
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Abstract

本发明公开了一种用于离心式压缩机的定子叶片(100)，该定子叶片包括前部(110)，该前部被构造成在围绕定子叶片(100)的气体流中生成一个或多个流向涡旋(V)，以便避免和/或延缓气体流从定子叶片(100)的吸力表面(114)的脱离，尤其是当离心式压缩机不以其操作设计速度操作时。

Description

用于离心式压缩机的定子叶片
说明书
技术领域
本文所公开的主题涉及用于油气工业的离心式压缩机领域。具体地，本文所公开的主题涉及用于离心式压缩机的定子叶片，该定子叶片可用于限定例如多级离心式压缩机中的返回通道。
背景技术
在离心式压缩机中，转子在围绕轴线的周向方向上使气体流加速，以便离心地压缩气体流。定子叶片通常放置在转子的一个或多个叶轮的下游，以在压缩之后理顺气体流，特别是校正速度的径向周向分量。
例如，在具有一个或多个叶轮的多级压缩机中，定子叶片被放置在两个连续叶轮之间的返回通道中，以便从第一转子接收气体流并将其引导至第二转子，并且在该过程中将其理顺。
根据取决于压缩机的操作条件的流条件，定子叶片的形状与流体不同地相互作用。
通常，定子叶片设计被优化以在压缩机的设计操作速度下引起叶片周围的平滑流。然而，当压缩机不在其操作设计速度下操作时，例如在启动或关闭期间或在需要连续改变压缩机速度的操作条件下，这些叶片可能产生损耗。
在这些条件下，针对仅一种操作条件优化的现有技术定子叶片易于引起局部或甚至总流分离，这引起失速或再循环区域并影响压缩机的性能。
因此，期望提供一种定子叶片，该定子叶片可在较宽泛的操作条件范围内操作，从而避免流分离或至少减少流分离。
发明内容
根据一个方面，本文所公开的主题涉及一种用于离心式压缩机的定子叶片。定子叶片包括前部，该前部被布置成接收气体流，并且具有外表面，该外表面被构造成引导邻近外表面的气体流，其中前部被构造成在气体流中生成至少一个流向涡旋。
根据另一方面，本文所公开的主题涉及一种包括至少一个定子叶片的离心式压缩机。这种定子叶片包括前部，该前部被布置成接收气体流，并且具有外表面，该外表面被构造成引导邻近外表面的气体流，其中前部被构造成在气体流中生成至少一个流向涡旋。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
图1、图2和图3例示了本文所公开的离心式压缩机的相应实施方案的经向示意图，该离心式压缩机包括本文所公开的定子叶片的相应实施方案；
图4例示了如本文所公开的定子叶片的实施方案的透视图；
图5和图6例示了本文所公开的定子叶片的相应实施方案的操作配置的前示意图；
图7例示了本文所公开的定子叶片的相应实施方案的操作配置的局部顶视图；
图8、图9和图10例示了本文所公开的定子叶片的相应实施方案的前示意图；
图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18例示了根据本文所公开的不同实施方案的特定定子叶片的顶部示意图；
图19和图20例示了本文所公开的定子叶片的相应实施方案的剖视图；并且
图21示意性地例示了压缩机的一个实施方案。
具体实施方式
本文所公开的主题涉及一种定子叶片，该定子叶片定位在压缩机中的转子的叶轮下游，以便理顺来自叶轮的气体流。定子叶片具有前部，该前部被构造成在气体流中生成沿循流的物流的一个或多个流向涡旋，并且保持附接到定子叶片的上表面(也称为“吸力表面”)。
流向涡旋是平行于流的方向延伸并且限定其中流以基本上螺旋轨迹移动的“涡旋管”的涡旋。流向涡旋使定子叶片的上表面上的流的界面层改组，使界面层重新通电，以便防止或延缓流从表面的脱离，从而延缓和/或减少定子叶片失速的实体。“流向涡量”及其生成在教科书中是众所周知的，例如E.M.Greitzer、C.S.Tan和M.B.Graf于2004年出版并于2007年由剑桥大学出版社电子出版的“Internal Flow-Concepts and Applications”一书。
更详细地，涡旋由位于定子叶片的前部中的一个或多个尖突生成，并且由沿着叶片的上表面的气体流携载至下游。
现在将详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
当介绍各种实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。
根据一个方面并且参考图4，本文所公开的主题提供了一种用于离心式压缩机，具体地用于多级离心式压缩机的定子叶片100，该多级离心式压缩机被用于用于加工气体诸如甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、二氧化碳、氦气、氩气、氢气、制冷剂气体或这些物质的混合物的装置中。
图1、图2和图3各自示出了离心式压缩机的级10的不同实施方案，每个级包括安装在压缩机的叶轮20下游的根据本文所公开主题的定子叶片100的不同实施方案。离心式压缩机可用于多种不同的油气应用中，包括：生产、运输、炼油、石化和化学工业，在宽范围的操作条件(压力和温度)下处理多种气体和气体的混合物。
更详细地，图1示出了其中定子叶片100安装在压缩机的返回通道30中以用作压缩机本身的返回通道叶片的实施方案。图2示出了其中定子叶片100安装在扩散器25中以用作压缩机自身的扩散器叶片的实施方案。图3示出了其中定子叶片100至少部分地延伸穿过扩散器25和压缩机的返回通道30两者，并且穿过扩散器25和返回通道30之间的180°转角的实施方案。
应当注意，根据图2的实施方案的变型，在扩散器和返回通道两者中存在根据本文所公开的主题的叶片。
来自例如叶轮20的气体流具有包括相对于压缩机级10的纵向轴线“Z”的径向分量和周向分量的速度。定子叶片100固定到压缩机级10或被构造成布置在压缩机级10中、扩散器25和/或返回通道30中的预定位置。
定子叶片100在压缩机级10中的位置被布置和定位，以便定子叶片100被上述气体流侵入并使其偏离以降低或抵消气体流的周向速度分量。定子叶片100被布置和定位，以便保持气体流附接到其外表面，从而至少在压缩机以其设计操作速度操作时限制或避免从前缘102到后缘104的流分离。
更详细地，定子叶片100具有弯曲的外表面，该弯曲的外表面被构造成将气体从定子叶片100自身的前缘102引导到后缘104。定子叶片100的外表面包括在定子叶片100的“下侧”上的前缘102和后缘104之间延伸的压力表面112，以及在定子叶片100的“上侧”上的前缘102和后缘104之间延伸的吸力表面114。压力表面112标识定子叶片100的外表面的在正常操作条件下经受高于周围气体流的压力的压力的部分。吸力表面114标识外表面的在正常操作条件下经受低于周围气体流的压力的压力的部分。一般来讲，吸力表面114是凸形的，并且压力表面112是凹形的或具有比吸力表面114更低的凸度。
定子叶片100包括前部110，该前部被布置成接收来自例如叶轮20的气体流，并且将其分成邻近压力表面112的压力侧气体流和邻近吸力表面114的吸力侧气体流。
前部110被构造成在邻近定子叶片100的外表面的气体流中生成至少一个流向涡旋“V”。优选地，前部110被构造成生成至少一对反向旋转的流向涡旋“V”，如图5和图7所示。在图6所示的可能实施方案中，前部110被构造成生成多个反向旋转的流向涡旋“V”对。
优选地，前部110被构造成仅在吸力侧气体流中生成流向涡旋“V”。具体地，定子叶片100的前部110和压力表面112被构造成保持压力侧气体流基本上没有流向涡量。
优选地，流向涡旋“V”具有包括在最小值和最大值之间的直径，其中直径的最小值由公式0.1b/N给出，并且直径的最大值由公式1.0b/N给出，其中b是定子叶片100的中值展向尺寸并且N是流向涡旋“V”的数量。
具体地，前部110被构造成生成流向涡旋“V”，该流向涡旋的直径与定子叶片100的中值展向尺寸成比例(并且因此与其中安装有定子叶片100的通道的宽度成比例)并且与流向涡旋“V”的总数量成反比。
优选地，定子叶片100的前缘102具有至少一个倾斜拉伸部103，该至少一个倾斜拉伸部被构造成生成上述类型的流向涡旋“V”。具体地，倾斜拉伸部103限定进入气体流的攻角，并且通过降低进入气体流的压力而引起流向涡旋“V”。倾斜拉伸部103的倾斜布局确定压力在定子叶片100的展向方向上的不均匀分布；这导致在流中建立展向速度分量，从而导致形成图7所示的流向涡旋“V”中的一个流向涡旋。
优选地，前缘102具有多个倾斜拉伸部103。图4、图11和图15示出了定子叶片100的其中前缘102具有两个倾斜拉伸部103的实施方案。图12和图16示出了定子叶片100的其中前缘102具有四个倾斜拉伸部103的实施方案。图13和图17示出了定子叶片100的其中前缘102具有八个倾斜拉伸部103的实施方案。图14和图18示出了定子叶片100的其中前缘102具有六个倾斜拉伸部103的实施方案。在定子叶片100的未例示的可能实施方案中，前缘102仅具有一个倾斜拉伸部103。
具体地，倾斜拉伸部103相对于定子叶片100的展向方向倾斜，并且可以是直的(如图4、图11、图12、图13和图14所示)或弯曲的(如图15、图16、图17和图18所示)。有利地，如以上所描述的构造的倾斜拉伸部103也相对于侵入前部110的气体流的方向倾斜。
在一个优选的实施方案中，前部110包括具有顶点125的至少一个尖突120。图4、图11和图15示出了定子叶片100的其中前部110包括单个尖突120的实施方案。图12和图16示出了定子叶片100的其中前部110包括两个尖突120的实施方案。图13和图17示出了定子叶片100的其中前部110包括四个尖突120的实施方案。
每个尖突120限定以上描述的前缘102的倾斜拉伸部103中的至少两个倾斜拉伸部。具体地，两个倾斜拉伸部103被定位在顶点125的相反侧处，并且被构造成生成两个反向旋转的流向涡旋“V”。
在图4、图11、图12、图13和图14的实施方案中，尖突120在定子叶片100的中平面中具有三角形形状，并且限定直的倾斜拉伸部103。在图15、图16、图17和图18的实施方案中，尖突120在定子叶片100的中平面中具有尖端形状，并且限定弯曲的倾斜拉伸部103。
优选地，尖突120在向前方向上突出，该向前方向相对于定子叶片100的位于前部110处的中弧线的拉伸部的前端处的切线限定介于20°和-20°之间的角度；该拉伸部从叶片的前沿(不包括尖突)开始，并且可以是中弧线的总长度的例如10％-20％。在图4所例示的一个优选实施方案中，其中尖突120突出的向前方向基本上与上述位于前部110处的中弧线的拉伸部相切。
在可能的未例示的实施方案中，定子叶片100包括在不同向前方向上突出的多个尖突120；向前方向相对于所述中弧线的拉伸部的前端处的切线限定介于20°和-20°之间的角度；该拉伸部位于定子叶片100的前部110处，并且从定子叶片100的前缘(不包括尖突)开始。
优选地，每个尖突120相对于定子叶片100的纵向平面对称。根据可能的另选的未例示的定子叶片100的实施方案包括一个或多个不对称的尖突120，其中倾斜拉伸部103相对于尖突120限定相对于定子叶片100的展向方向的不同角度。0.2b/M
优选地，尖突120沿向前方向具有包括在最小值和最大值之间的纵向伸出部。最小值由公式2.0b/M给出，并且延伸部的最大值由公式0.2b/M给出，其中b是定子叶片100的中值展向尺寸并且M是前部110中的尖突120的数量。
优选地，前缘102在尖突120的顶点125处具有小于60°，更优选地小于50°的顶角。顶角旨在表示邻近同一顶点125的两个倾斜拉伸部103之间的角度。更详细地，应在定子叶片100的弧形平面中测量顶角。
优选地，定子叶片100具有展向可变翼片，其中翼片在位于尖突120处的顶点翼片和位于尖突120旁边(在距尖突120一定距离处)的槽翼片之间或在两个尖突120之间的槽126中逐渐改变。更详细地，顶点翼片具有锐利前缘102a，并且槽翼片具有锐利前缘或倒圆前缘。
图19示出了可用作顶点翼片的锐利前缘翼片。在该图中，尖突120在向前方向D上突出；一般来讲，向前方向相对于中弧线的拉伸部128的前端处的切线限定介于20°和-20°之间的角度；拉伸部128位于定子叶片100的前部110处，并且从定子叶片100的前缘(不包括尖突)(参见点129)开始；在图19的实施方案中，向前方向D与切线重合，即角度为0°。
图20示出了可用作槽翼片的倒圆前缘翼片。
图8示出了定子叶片100的具有沿整个展向尺寸延伸的锐利前缘102a的实施方案。图9示出了定子叶片100的在顶点125处具有锐利前缘120a的实施方案，该锐利前缘在展向尺寸的一部分上展向延伸，然后在定子叶片100的侧面上改变为倒圆前缘120。图10示出了定子叶片100的在尖突120的顶点125处具有锐利前缘102a，在顶点125的侧面处立即改变为倒圆前缘102b的实施方案。
根据另一方面并且参考图1、图2、图3和图21，本文所公开的主题提供了优选为多级类型的离心式压缩机2100，该离心式压缩机包括以上描述的类型的多个定子叶片100。具体地，离心式压缩机包括多个压缩机级10，每个压缩机级具有叶轮20、扩散器25和返回通道30，并且每个压缩机级10包括在扩散器25和/或返回通道30中以圆形阵列布置的多个定子叶片100。更详细地，定子叶片100的圆形阵列围绕纵向轴线“Z”延伸，以便接收来自压缩机级10的叶轮20的进入流，该进入流具有围绕纵向轴线“Z”的速度的周向分量，并且改变流的方向，以便降低或抵消速度的周向分量，并且将无旋的直流递送到下一个压缩机级的转子。
根据图21的实施方案，离心式压缩机2100具有用于接收(例如，未压缩的)工作流体的入口2101和用于在压缩之后排出工作流体的出口2199。压缩机2100包括例如流体耦接的三个压缩级；第一(或初始)压缩级包括叶轮2112及其下游通向下一级的环形管道2114；第二(或中间)压缩级包括叶轮2122及其下游通向下一级的环形管道2124；第三(或最终)压缩级包括叶轮2132及其下游通向下一级的环形管道2134。如已经解释的，被构造成在工作流体流中生成至少一个流向涡旋的一个或多个定子叶片位于环形管道2114和环形管道2124以及环形管道2134中的一个或多个或全部环形管道中。

Claims (20)

1.一种用于离心式压缩机的定子叶片(100)，所述定子叶片(100)包括前部(110)，所述前部被布置成接收气体流，并且具有外表面，所述外表面被构造成引导邻近所述外表面的所述气体流，其中所述前部(110)被构造成在所述气体流中生成至少一个流向涡旋(V)。
2.根据权利要求1所述的定子叶片(100)，其中所述前部(110)被构造成在所述气体流中生成至少一对反向旋转的流向涡旋(V)。
3.根据权利要求1或2所述的定子叶片(100)，其中所述流向涡旋(V)具有包括在最小值和最大值之间的直径，其中所述直径的所述最小值由公式0.1b/N给出，并且所述直径的所述最大值由公式1.0b/N给出，其中b是所述定子叶片(100)的中值展向尺寸并且N是流向涡旋(V)的数量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定子叶片(100)，其中所述外表面包括压力表面(112)和吸力表面(114)，并且其中所述前部(110)被布置成将所述气体流分成邻近所述压力表面(112)的压力侧气体流和邻近所述吸力表面(114)的吸力侧气体流，所述前部(110)被构造成仅在所述吸力侧气体流中生成所述至少一个流向涡旋(V)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定子叶片(100)，所述定子叶片具有位于所述前部(110)处的前缘(102)，所述前缘(102)具有至少一个倾斜拉伸部(103)，所述倾斜拉伸部被构造成在所述气体流中生成所述至少一个流向涡旋(V)，所述倾斜拉伸部(103)相对于所述定子叶片(100)的展向方向倾斜。
6.根据权利要求5所述的定子叶片(100)，其中所述前缘(102)的所述倾斜拉伸部(103)是直的或弯曲的。
7.根据权利要求5或6所述的定子叶片(100)，其中所述前部(110)包括具有顶点(125)的至少一个尖突(120)，所述尖突(120)在所述顶点(125)的两个相反侧处限定所述前缘(102)的至少两个倾斜拉伸部(103)，所述两个倾斜拉伸部(103)被构造成生成两个反向旋转的流向涡旋(V)。
8.根据权利要求7所述的定子叶片(100)，所述定子叶片具有中弧线，其中所述至少一个尖突(120)在向前方向(D)上突出，所述向前方向(D)相对于所述中弧线的拉伸部(128)的前端处的切线限定介于20°和-20°之间的角度，所述拉伸部(128)位于所述定子叶片(100)的所述前部(110)处并且从所述定子叶片(100)的所述前缘开始。
9.根据权利要求8所述的定子叶片(100)，其中所述向前方向(D)基本上与所述中弧线的所述拉伸部(128)相切。
10.根据权利要求8或9所述的定子叶片(100)，所述定子叶片具有在相应的不同向前方向上突出的多个尖突(120)，向前方向相对于所述中弧线的拉伸部(128)的前端处的切线限定介于20°和-20°之间的角度，所述拉伸部(128)位于所述定子叶片(100)的所述前部(110)处并且从所述定子叶片(100)的所述前缘开始。
11.根据权利要求8或9或10所述的定子叶片(100)，其中尖突(120)具有沿所述向前方向的包括在最小值和最大值之间的延伸部，所述延伸部的所述最小值由公式2.0b/M给出，并且所述延伸部的所述最大值由公式0.2b/M给出，其中b是所述定子叶片100的中值展向尺寸，并且M是所述前部(110)中的尖突(120)的数量。
12.根据前述权利要求7至11中任一项所述的定子叶片(100)，其中尖突(120)是对称的或不对称的。
13.根据前述权利要求7至12中任一项所述的定子叶片(100)，其中所述前缘(102)在所述突起(120)的所述顶点(125)处具有小于60°，优选地小于50°的顶角。
14.根据前述权利要求7至13中任一项所述的定子叶片(100)，所述定子叶片具有展向可变翼片，其中所述翼片在至少顶点翼片和至少槽翼片之间变化，所述顶点翼片位于所述尖突(120)处并且具有限定所述尖突(120)的所述顶点(125)的锐利前缘(102，102a)，所述槽翼片位于所述突起的旁边并且具有限定所述尖突(120)旁边的槽(126)的锐利前缘或倒圆前缘(102，102b)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的定子叶片(100)，所述定子叶片被布置成用作多级离心式压缩机的返回通道叶片。
16.根据前述权利要求中任一项所述的定子叶片(100)，所述定子叶片被布置成用作离心式压缩机的扩散器叶片。
17.一种用于气体加工装置的离心式压缩机(2100)，所述离心式压缩机至少包括根据前述权利要求1至16中任一项所述的定子叶片(100)。
18.根据权利要求17所述的离心式压缩机(2100)，其中所述压缩机是多级的并且具有多个压缩机级(10)，至少一个压缩机级(10)具有转子(20)、扩散器(25)和返回通道(30)，所述压缩机包括根据前述权利要求1至16中任一项所述的多个定子叶片(100)，所述多个定子叶片以至少一个圆形阵列布置在所述至少一个压缩机级(10)的所述返回通道(30)中。
19.根据权利要求17所述的离心式压缩机(2100)，其中所述压缩机是多级的并且具有多个压缩机级(10)，至少一个压缩机级(10)具有转子(20)、扩散器(25)和返回通道(30)，所述压缩机包括根据前述权利要求1至16中任一项所述的多个定子叶片(100)，所述多个定子叶片以至少一个圆形阵列布置在所述至少一个压缩机级(10)的所述扩散器(25)中。
20.根据权利要求17所述的离心式压缩机(2100)，其中所述压缩机是多级的并且具有多个压缩机级(10)，至少一个压缩机级(10)具有转子(20)、扩散器(25)和返回通道(30)，所述压缩机包括根据前述权利要求1至16中任一项所述的多个定子叶片(100)，所述多个定子叶片以至少一个圆形阵列布置在所述至少一个压缩机级(10)的所述扩散器(25)中和所述返回通道(30)中。
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