專利名稱：軸流式渦輪壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軸流式渦輪壓縮機(jī)，其包括一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子。該定子具有至少一個(gè)包括環(huán)向排列的導(dǎo)流葉片的軸向部分；該轉(zhuǎn)子具有至少一個(gè)包括環(huán)向排列的轉(zhuǎn)子葉片的軸向部分。其中，在導(dǎo)流葉片和轉(zhuǎn)子葉片之間，以及在一個(gè)內(nèi)周壁和一個(gè)外周壁之間，形成有平行的多個(gè)流道。并且，在連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片之間形成有多個(gè)流路，所述流道穿過其中。
現(xiàn)有的上述型式的壓縮機(jī)在獲得每一壓縮機(jī)級(jí)的壓縮比的增加，和/或增加效率方面存在問題。對(duì)這些對(duì)象形成限制并且是關(guān)鍵的一個(gè)參數(shù)是通過壓縮機(jī)的空氣流的平均速度。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，在每一壓縮機(jī)級(jí)，增加空氣流速將獲得更高的壓縮比，和/或增加效率。然而，在現(xiàn)有技術(shù)的壓縮機(jī)中，流速大大低于聲速，也就是說，馬赫數(shù)低于1.0，通常在0.7附近，這是因?yàn)樵诔羲傧?，在空氣流中?huì)產(chǎn)生難以避免的沖擊波，其對(duì)提高壓縮比和壓縮機(jī)效率是有害的。通過使馬赫數(shù)保持在0.7附近，可以保證不會(huì)達(dá)到馬赫數(shù)1.0，因此也不會(huì)產(chǎn)生沖擊波。
之所以馬赫數(shù)采用0.7到1.0之間如此大的“安全”空間，是因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)壓縮機(jī)中，空氣流速度通常在定子或轉(zhuǎn)子部分的流道的下游端局部增加。該速度增加的原因是當(dāng)空氣流離開兩個(gè)導(dǎo)流葉片或兩個(gè)驅(qū)動(dòng)葉片之間的流道時(shí)，其由于流向的變化而受到切向收縮。這種流速的增加可能使空氣流的速度達(dá)到馬赫數(shù)1.0附近，在空氣流中可能引發(fā)不期望的沖擊波。為了確保壓縮機(jī)中的任何地方的空氣流都不會(huì)達(dá)到音速，所以空氣流的速度保持在“安全”的馬赫數(shù)0.7。
有一些工作在流速超過馬赫數(shù)1.0的跨音速壓縮機(jī)，可對(duì)其進(jìn)行專門的配置以避免沖擊波的負(fù)面影響。但是，根據(jù)本發(fā)明的定子和轉(zhuǎn)子流道中較低的空氣流損失對(duì)于這種壓縮機(jī)也是有利的。
本發(fā)明的主要目的是獲得上述工作在亞音速空氣流速度下的壓縮機(jī)，其中，不用冒使馬赫數(shù)到達(dá)1.0水平的風(fēng)險(xiǎn)，通過定子和轉(zhuǎn)子部分的平均空氣流速就可以大大增加，使通過壓縮機(jī)的空氣流路得以改進(jìn)。
從下面的說明和權(quán)利要求中，本發(fā)明的另一個(gè)目的和優(yōu)點(diǎn)將很明顯。
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。


圖1顯示通過轉(zhuǎn)子葉片流路的流道的幾何形狀。
圖2顯示圖1的轉(zhuǎn)子葉片流路的側(cè)視圖。
圖3顯示通過根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)壓縮機(jī)的局部縱剖面視圖。
圖4顯示圖1所示的壓縮機(jī)的定子導(dǎo)流葉片和轉(zhuǎn)子葉片的展開圖。
圖1示出一相對(duì)于轉(zhuǎn)子的流道，其延伸穿過兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片A和B之間的一通路。在進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉片A和B之間的通路前，介質(zhì)流在與轉(zhuǎn)子葉片的運(yùn)動(dòng)方向ω相反的方向上偏離一個(gè)角度Δα1，其等于原流道角α1與新流道角α′1之差。介質(zhì)流的這種偏離使流道產(chǎn)生側(cè)收縮，并沿著一個(gè)彎道彎曲，該彎道可以由一個(gè)已被認(rèn)可的方法理論計(jì)算得到。見例子Eckert/Schnell，“Axialund Radialkompressoren”，第二版，第264頁(yè)，或“Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau”，1974，第334頁(yè)中所述。該彎道的形狀接近半徑為R的圓周軌跡。
當(dāng)?shù)竭_(dá)距第二轉(zhuǎn)子葉片B的進(jìn)氣邊的一定距離的上游處的截面a2時(shí)，或到達(dá)第一轉(zhuǎn)子葉片A進(jìn)氣邊的稍下游處時(shí)，流道穿過擴(kuò)散區(qū)域C，該擴(kuò)散區(qū)域沿流向延伸到大約在第二葉片B的進(jìn)氣邊處的截面a3。因此，擴(kuò)散區(qū)域C具有一個(gè)入口截面a2和一個(gè)出口截面a3，其中，入口截面a2的截面積比出口截面a3的小。擴(kuò)散區(qū)域C的入口截面a2還是整個(gè)流道在a1和a4之間截面積最窄的截面。
在擴(kuò)散區(qū)域C的下游處，流道延伸穿過一個(gè)過渡區(qū)域D。在從截面a3到出口截面a4的整個(gè)通路上，該過渡區(qū)域D的截面積基本上不增加或輕微減少。為了彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子葉片A和B之間的下游距離的增加，必須減小轉(zhuǎn)子葉片的徑向長(zhǎng)度，即內(nèi)周壁28和外周29之間的徑向距離，以使整個(gè)過渡區(qū)域D的截面積基本保持恒定，見圖2。在一些情況中，通過過渡區(qū)域D的流體具有小的加速度是有利的。
在擴(kuò)散區(qū)域C的上游處，從初始截面a1到擴(kuò)散區(qū)域的入口截面a2，流道具有基本上不變的截面積，因此產(chǎn)生不增加的流速。如圖2所示，通過形成分別具有發(fā)散表面F和G的轉(zhuǎn)子和定子的內(nèi)和/或外周壁28，29，可以實(shí)現(xiàn)上述過程。這些發(fā)散表面F和G彌補(bǔ)了如上所述的流道的側(cè)向收縮，并且使流速的馬赫數(shù)保持較低，并防止在介質(zhì)流中產(chǎn)生沖擊波。
通過將每一流道的擴(kuò)散區(qū)域C置于兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片A和B之間的偏離過渡區(qū)域D的流體的上游處，可以降低流速，從而，減少轉(zhuǎn)子葉片A和B之間流道偏離過程中流量的損失。這說明提高了壓縮機(jī)的效率。
為了確保壓縮機(jī)的高效，在每一轉(zhuǎn)子葉片的整個(gè)徑向長(zhǎng)度上，流速將一樣高。這通過在初始?jí)嚎s級(jí)采用導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。譬如，每一導(dǎo)流葉片10在其頂端與底端具有一個(gè)不同的流體偏離角。見圖4。因此，可以獲得最佳流向，以在初始?jí)嚎s級(jí)中，每一轉(zhuǎn)子葉片上整個(gè)徑向位置上產(chǎn)生相等的流速。
圖3和圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其包括圖1中所示的流道特征。
圖3中示出了壓縮機(jī)初始級(jí)的一個(gè)入口噴管的剖視圖，其包括牢牢固定在外殼11上的導(dǎo)流葉片10。噴管10的下游具有一個(gè)轉(zhuǎn)子部分12，其上具有轉(zhuǎn)子葉片13，該轉(zhuǎn)子葉片13后跟隨著具有固定在外殼11上的導(dǎo)流葉片15的定子部分14，以及另一具有轉(zhuǎn)子葉片17的轉(zhuǎn)子部分16。轉(zhuǎn)子流道20延伸到兩相鄰轉(zhuǎn)子葉片13和17之間，定子流道21形成于兩相鄰導(dǎo)流葉片15之間。流道20和21還由一個(gè)內(nèi)周壁28和外周壁29來限定。
在定子部分和轉(zhuǎn)子部分之間具有軸向間隙，其形成環(huán)形空氣流路22、23和24。
通過該壓縮機(jī)的空氣流路的主要特征是從入口噴管端朝向出口端連續(xù)聚集。如圖3所示，空氣流路的橫截面積逐步減小。在轉(zhuǎn)子葉片13之間的空氣流路20和導(dǎo)流葉片15之間的流道中，流路的徑向長(zhǎng)度減小。但是，位于定子部分14和轉(zhuǎn)子部分12之間的流路22、23和24中，流路的徑向長(zhǎng)度增加。
本發(fā)明的一個(gè)特征是在定子和轉(zhuǎn)子部分之間提供軸向間隙，形成流路22、23和24。引入這些軸向延伸和徑向發(fā)散的流路22、23和24的目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)速度減小的發(fā)散區(qū)域，以減小流量損失和增加壓縮機(jī)效率。
如圖4所示，趨近兩個(gè)轉(zhuǎn)子葉片13，17之間的轉(zhuǎn)子流道20的空氣流具有聚集的形狀，這是因?yàn)橐氲目諝饬骱娃D(zhuǎn)子葉片13，17的方向之間的差別，空氣流必須改變方向。如圖4所示，引入的空氣流道的方向與徑向平面形成一個(gè)角度，其用β1表示。β1大于轉(zhuǎn)子13，17之間的角度β′1。由于這種流向上的變化，空氣流道受到切向收縮，導(dǎo)致流速的增加。這由數(shù)字b1和b2顯示，其中b2表示比b1處的引入流更窄的流道橫截面?？諝饬鞯募铀俣仁遣焕模@是因?yàn)槠鋵?dǎo)致在流道內(nèi)增加磨擦損失。
通過增加流路中的有效橫截面積，即引入中間和徑向分散流路22、23和24，空氣流的這種不期望的加速度可以忽略。通過增加這些流路的徑向長(zhǎng)度至少10％，可以增加壓縮機(jī)的效率。為了使壓縮機(jī)效率得到實(shí)質(zhì)性的增加，流路22、23和24的徑向長(zhǎng)度至少要增加20％。在圖示例子中，流路的徑向長(zhǎng)度從入口處的h1增加到出口端的h2。
為了獲得通過壓縮機(jī)的空氣流道的有利形狀，中間流路22、23和24的徑向長(zhǎng)度的增加必須在一定的流路長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)。因此，流路22、23和24應(yīng)該具有分別超過轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片長(zhǎng)度30％的軸向長(zhǎng)度。根據(jù)轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片的徑向長(zhǎng)度，流路長(zhǎng)度可以分別為轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片的長(zhǎng)度的50％或更長(zhǎng)。
權(quán)利要求
1.軸流式渦輪壓縮機(jī)，其包括一個(gè)具有至少一個(gè)軸向部分的定子，該軸向部分包括一列環(huán)向排列的導(dǎo)流葉片(13，17)；一個(gè)具有至少一個(gè)軸向部分的轉(zhuǎn)子，該軸向部分包括一列環(huán)向排列的轉(zhuǎn)子葉片(15；A，B)；一個(gè)內(nèi)周壁(28)，和一個(gè)外周壁(29)；其中，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向(ω)上，每?jī)蓚€(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片(A，B)之間，以及所述內(nèi)周壁和外周壁之間(28，29)形成有流道，其特征在于，每一流道包括在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向(ω)上，位于距第二轉(zhuǎn)子葉片(B)的進(jìn)氣邊的一定距離的上游處的第一橫截面(a2)處具有最窄的橫截面積；一個(gè)擴(kuò)散區(qū)域(C)，其在流向上具有連續(xù)增加的橫截面積，并從所述第一橫截面(a2)延伸到約位于所述第二轉(zhuǎn)子葉片(B)的所述進(jìn)氣邊的第二橫截面(a3)，以及一個(gè)過渡區(qū)域(D)，其在流向上從所述第二橫截面(a3)延伸到所述第二轉(zhuǎn)子葉片(B)的出氣邊，在該過渡區(qū)域(D)的整個(gè)長(zhǎng)度上，流向上的橫截面積基本上不增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述第一和第二轉(zhuǎn)子葉片(A，B)之間的橫向距離在整個(gè)所述過渡區(qū)域(D)上增加，而所述內(nèi)周壁(28)和所述外周壁(29)之間的徑向長(zhǎng)度減少，以使流道的橫截面積在整個(gè)所述過渡區(qū)域(D)上不增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，流過所述擴(kuò)散區(qū)域(C)的氣流基本上是層流的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述擴(kuò)散區(qū)域(C)的每一流道上游具有基本上不變的橫截面積。
5.軸流式渦輪壓縮機(jī)，包括一個(gè)定子，其具有至少一列周向排列的導(dǎo)流葉片(13，17)；一個(gè)轉(zhuǎn)子，其具有至少一列周向排列的轉(zhuǎn)子葉片(15；A，B)，其中，在所述導(dǎo)流葉片(13，17)和所述轉(zhuǎn)子葉片(15；A，B)之間形成多個(gè)平行流道，并且，在連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片(A，B)之間，形成多個(gè)轉(zhuǎn)子流路，所述流道穿過其中，其特征在于，所述每個(gè)流道具有一個(gè)擴(kuò)散區(qū)域(C)，其在所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向(ω)上，從大約在所述連續(xù)轉(zhuǎn)子葉片(A，B)的第一葉片(A)的進(jìn)氣邊位置延伸到大約在第二葉片(B)的進(jìn)氣邊位置，其中，所述擴(kuò)散區(qū)域(C)的每一所述轉(zhuǎn)子流路下游在其整個(gè)長(zhǎng)度上橫截面積基本上不增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述流道和所述轉(zhuǎn)子流路部分地由一個(gè)外周壁(29)和一個(gè)內(nèi)周壁(28)來限定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述每一轉(zhuǎn)子流路由一個(gè)第一轉(zhuǎn)子葉片(A)，和在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向(ω)上接在所述第一轉(zhuǎn)子葉片(A)后的第二轉(zhuǎn)子葉片(B)來限定，所述擴(kuò)散區(qū)域(D)在流向上從約位于所述第一轉(zhuǎn)子葉片(A)的進(jìn)氣邊處延伸到約位于所述第二轉(zhuǎn)子葉片(B)的進(jìn)氣邊處，每一所述流道在所述擴(kuò)散區(qū)域(C)的上游端具有最窄的橫截面積(a2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述導(dǎo)流葉片(13，17)安裝在兩個(gè)或多個(gè)具有軸向間隔的定子部分中，所述轉(zhuǎn)子葉片(15)安裝在兩個(gè)或多個(gè)具有軸向間隔的轉(zhuǎn)子部分中，在安裝的所述轉(zhuǎn)子部分和所述定子部分之間具有軸向間隙(22，23，24)；所述軸向間隙(22，23，24)，其軸向?qū)挾戎辽贋榍笆鰧?dǎo)流葉片(13，17)或轉(zhuǎn)子葉片(15)的弦長(zhǎng)的30％；以及所述軸向間隙(22，23，24)，在軸向上形成具有徑向發(fā)散形狀的流路區(qū)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述流路區(qū)域在其下游端具有徑向長(zhǎng)度(h2)，該徑向長(zhǎng)度至少比其上游端的徑向長(zhǎng)度(h1)大10％。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪壓縮機(jī)，其中，所述流路區(qū)域的軸向?qū)挾戎辽贋榍笆鰧?dǎo)流葉片(13，17)或轉(zhuǎn)子葉片(15)的弦長(zhǎng)的50％。
全文摘要
一種軸流式壓縮機(jī)，包括一個(gè)或多個(gè)軸向間隔布置的定子部分(14)，每一定子部分上有一列周向排列的導(dǎo)流葉片(15)；及一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子部分(12，16)，每一轉(zhuǎn)子部分上具有一列周向排列的轉(zhuǎn)子葉片(13，17；A，B)。在連續(xù)的轉(zhuǎn)子葉片(A，B)之間形成流道，在定子和轉(zhuǎn)子部分之間具有發(fā)散設(shè)置的軸向間隔(22，23，24)，以在每一流道中形成一個(gè)擴(kuò)散區(qū)域(C)，該擴(kuò)散區(qū)域從位于距第二轉(zhuǎn)子葉片(B)的進(jìn)氣邊的一定距離的上游處的最窄橫截面(a
文檔編號(hào)F04D29/54GK1481479SQ0182066
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2001年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月2日
發(fā)明者R·A·雅各布松, R A 雅各布松 申請(qǐng)人:阿特拉斯克帕克設(shè)備公司