專利名稱：離心壓縮機(jī)的翼型擴(kuò)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于離心壓縮機(jī)的翼型擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器包括多個(gè)位于擴(kuò)壓器通道區(qū) 域內(nèi)的擴(kuò)壓器葉片，在該擴(kuò)壓器通道區(qū)域中，每個(gè)擴(kuò)壓器葉片具有沿疊加方向的扭轉(zhuǎn)構(gòu)造。 更具體地，本發(fā)明設(shè)計(jì)這樣的擴(kuò)壓器，在該擴(kuò)壓器中，在翼型擴(kuò)壓器葉片的前緣處測(cè)得的稠 度值在壓縮機(jī)轂板出的小于1.0的值和在與所述轂板相對(duì)設(shè)置的壓縮機(jī)罩的外部處測(cè)得 的大于1.0的值之間變化。
背景技術(shù)：
離心壓縮機(jī)用于多種工業(yè)應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的主要部件是葉輪，其由通常為電動(dòng) 機(jī)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。葉輪在轂板和相鄰的罩的內(nèi)部環(huán)形區(qū)域旋轉(zhuǎn)。葉輪旋轉(zhuǎn)有葉片的元件， 該元件將要壓縮的流體抽吸通過罩并將高速流體且因此具有高動(dòng)能的流體改向到葉輪的 旋轉(zhuǎn)方向的大致徑向方向。擴(kuò)壓器位于葉輪的下游并位于限定在轂板和罩的外部之間的擴(kuò) 壓器通道區(qū)域內(nèi)以通過降低要被壓縮的流體的速度來恢復(fù)氣體的壓力。最終的加壓流體被 朝著壓縮機(jī)的出口導(dǎo)向。在無葉片的擴(kuò)壓器中，轂板和罩的外部之間的擴(kuò)壓器通道區(qū)域是不斷增加的以恢 復(fù)壓力。在葉片型擴(kuò)壓器中，葉片在擴(kuò)壓器通道區(qū)域內(nèi)連接到轂板或罩的外部。當(dāng)從轂板 向罩觀察時(shí)，葉片可具有恒定的橫剖面。在被稱為翼型擴(kuò)壓器的葉片型擴(kuò)壓器中，葉片具有 翼型剖面而不是恒定的橫剖面。驅(qū)動(dòng)這樣的離心壓縮機(jī)所需要的動(dòng)力可代表采用離心壓縮機(jī)的工廠運(yùn)行成本的 相當(dāng)大的部分。例如，在空氣分離工廠，運(yùn)轉(zhuǎn)工廠所需要的大多數(shù)成本都是用在對(duì)空氣進(jìn)行 壓縮中的電能成本。在諸如空氣分離之類的上述應(yīng)用中采用的壓縮機(jī)需要有寬的運(yùn)行范 圍，其它應(yīng)用也一樣。例如，在空氣分離工廠，必須能調(diào)低生產(chǎn)和提高生產(chǎn)。這個(gè)可變的運(yùn) 行可由要求或時(shí)刻變化的當(dāng)?shù)仉娔艹杀掘?qū)動(dòng)。然而，即使給定電能成本，寬的運(yùn)行范圍及該 運(yùn)行范圍上的壓縮機(jī)效率也是必須的。在增大運(yùn)行范圍同時(shí)維持效率的嘗試中，可能的是改變?nèi)~輪設(shè)計(jì)和擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)。 然而，關(guān)于葉輪設(shè)計(jì)，所采用的實(shí)際設(shè)計(jì)由壓縮機(jī)的機(jī)械布置和最終流動(dòng)條件(例如特定 的速度)限制。這些布置，導(dǎo)致了預(yù)先確定了許多的葉輪特點(diǎn)，例如，葉輪罩的設(shè)計(jì)和導(dǎo)流 片的布置、軸向長(zhǎng)度，并且因此，子午線輪廓和三維空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)造的使用，即空氣動(dòng)力學(xué) 掠彎和傾斜以及使用分流葉片。然而，通常，最常用的葉輪特點(diǎn)是在葉輪出口的葉片后掠。 這通過降低的流率給離心級(jí)提供了升高壓力的特點(diǎn)，降低的流率增加了該級(jí)的穩(wěn)定性。而 且，與設(shè)計(jì)為相同旋轉(zhuǎn)速度和壓力比的帶徑向葉片的葉輪相比，后掠葉輪具有比帶徑向葉 片的葉輪設(shè)計(jì)更低的葉輪壓力載荷、增大的葉輪反作用和增大的向流體的無損能量傳遞 (科氏加速度)。擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)的限制比葉輪的少。對(duì)擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)的幾何限制是多個(gè)懸臂式級(jí)的蝸殼 和收集器的大小，或多個(gè)梁型級(jí)情況下的回轉(zhuǎn)通道。無葉片的擴(kuò)壓器能夠?yàn)殡x心壓縮機(jī)級(jí) 提供具有中等壓力恢復(fù)水平和中等效率的大的運(yùn)行范圍。另一方面，葉片型擴(kuò)壓器具有更高的效率水平但范圍縮小。在增大運(yùn)行范圍的嘗試中，US2372880提供了葉片型擴(kuò)壓器，其 具有不帶翼型橫剖面但葉片帶有扭轉(zhuǎn)的葉片，從而改變喉部面積并因此增大壓縮機(jī)的運(yùn)行 范圍。最終的擴(kuò)壓器是高稠度擴(kuò)壓器或者換句話說，幾何上具有這樣的比值，該比值通過使 在葉片的前緣和后緣之間測(cè)得的距離除以相鄰葉片的前緣間的周向間隔而計(jì)算得到，該比 值大于1.0。
低稠度擴(kuò)壓器，它們是具有稠度值小于1. 00的翼型擴(kuò)壓器，并且特征在于在擴(kuò)壓 器通道中沒有幾何喉部，已經(jīng)證明該種擴(kuò)壓器具有與無葉片的擴(kuò)壓器類似的大流量范圍， 但壓力恢復(fù)水平高于無葉片的擴(kuò)壓器。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與高稠度擴(kuò)壓器相比，增大的運(yùn)行 范圍以效率為代價(jià)。在另一極端，已經(jīng)構(gòu)造了高稠度擴(kuò)壓器，其雖然具有更高的效率，但不 具有低稠度擴(kuò)壓器的運(yùn)行范圍。如將討論的，在本發(fā)明中，一方面，提供一種翼型擴(kuò)壓器，其中擴(kuò)壓器葉片構(gòu)造成 帶有扭轉(zhuǎn)的構(gòu)造，這些葉片在轂板上產(chǎn)生低稠度值而在罩上產(chǎn)生高稠度值，結(jié)果是與現(xiàn)有 技術(shù)相比，該擴(kuò)壓器不僅給予該離心壓縮機(jī)更寬的運(yùn)行范圍，還給予在該寬運(yùn)行范圍上的 高效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于離心壓縮機(jī)的翼型擴(kuò)壓器，其中稠度從轂板處的低稠度值變化 到罩處的高稠度值。根據(jù)本發(fā)明，翼型擴(kuò)壓器具有擴(kuò)壓器通道區(qū)域，該區(qū)域限定在轂板和與 所述轂板相對(duì)設(shè)置的罩的外部之間。轂板和所述罩形成所述離心壓縮機(jī)的一部分，并且分 別具有大致的環(huán)形構(gòu)造以允許所述離心壓縮機(jī)的葉輪在它們的內(nèi)部環(huán)形區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)。多個(gè) 擴(kuò)壓器葉片以圓形布置的方式位于所述轂板和所述罩的所述外部之間的擴(kuò)壓器通道區(qū)域 內(nèi)，連接到所述轂板或所述罩的所述外部。擴(kuò)壓器葉片沿在所述轂板和所述罩的所述外部之間截取的疊加方向具有扭轉(zhuǎn)的 構(gòu)造，使得所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)圍繞基本沿所述疊加方向延伸的線扭轉(zhuǎn)，該線穿過每 個(gè)翼型剖面的空氣動(dòng)力中心，并且擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)都具有葉片入口角和傾斜角，所述 葉片入口角從所述轂板到所述罩的所述外部減小，并且當(dāng)沿葉輪旋轉(zhuǎn)的方向觀察時(shí)，在所 述轂板處測(cè)得的所述傾斜角在所述前緣處具有負(fù)值，而在所述后緣處具有正值。要注意的 是，如本處和權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語(yǔ)“疊加方向”指的是每個(gè)擴(kuò)壓器葉片的橫跨方向，沿 著該方向，無數(shù)個(gè)翼型剖面從轂板疊加到罩的外部。術(shù)語(yǔ)“葉片入口角”指的是在與從沿著 前緣的測(cè)點(diǎn)(例如在轂板上和在罩的外部上)穿過該葉片的圓弧相切的切線和穿過該擴(kuò)壓 器葉片的前緣并與該擴(kuò)壓器葉片的中心線相切的切線之間測(cè)得的角。本處和權(quán)利要求中使 用的術(shù)語(yǔ)“傾斜角”是當(dāng)在轂板上測(cè)量時(shí)，每個(gè)擴(kuò)壓器葉片在其橫跨方向上與垂直于轂板的 線形成的角。作為慣例，該角度在葉輪旋轉(zhuǎn)的方向上具有正值。在前述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器中，在該擴(kuò)壓器葉片前緣處的稠度 測(cè)量結(jié)果在較低稠度值和較高稠度值之間變化，所述較低稠度值在所述轂板處測(cè)得并小于 約1.0，而所述較高稠度值在所述罩的所述外部處測(cè)得并不小于1. 0。在這方面，術(shù)語(yǔ)“稠度 值”指的是每個(gè)擴(kuò)壓器葉片的弦線距離或者，換句話說，分離前緣和后緣的距離除以在葉片 前緣處的葉片周向間隔的比值。周向間隔和弦線距離都在轂板處和罩的外部處的進(jìn)行測(cè)量 的位置確定。在沒有葉片掠彎的情況下，周向距離保持不變。
優(yōu)選地，所述較低稠度值落入在約0. 5和約0. 95之間的較低范圍內(nèi)；并且所述較 高稠度值落入在約1和約1.4之間的較高范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，較低稠度值是約0.8而所述 較高稠度值是約1. 3。所述葉片入口角相對(duì)于所述疊加方向以線性關(guān)系變化。優(yōu)選地，所述 擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)圍繞基本沿所述疊加方向延伸的線扭轉(zhuǎn)，該線穿過每個(gè)翼型剖面的空 氣動(dòng)力中心。所述傾斜角的絕對(duì)值優(yōu)選不大于約75度。優(yōu)選地，在所述轂板處測(cè)得的所述葉片 入口角在約15. 0度和約50. 0度之間并且在所述罩的所述外部處測(cè)得的所述葉片入口角在 約5. 0度和約25. 0度之間。在所述轂板和所述罩的所述外部?jī)商幍乃鐾鈨A角在約0. 0 度和約30度之間，優(yōu)選地，在約5度和約10度之間。在這方面，術(shù)語(yǔ)“外傾角”指的是在穿 過該擴(kuò)壓器葉片的前緣并與該擴(kuò)壓器葉片的中心線相切的切線和通過擴(kuò)壓器葉片的后緣 并與該擴(kuò)壓器葉片的中心線相切的切線之間測(cè)得的角。優(yōu)選地，擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)都具有NACA65型翼型剖面。而且，所述擴(kuò)壓器葉 片中每一個(gè)具有最大厚度與翼弦比，當(dāng)分別在所述罩的所述外部和所述轂板處測(cè)量時(shí)，所 述最大厚度與翼弦比在約2%和約6%之間。在這方面，所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)具有約 0. 045的厚度與翼弦比，該值是在所述罩的所述外部和所述轂板處取得的測(cè)量結(jié)果的平均值。優(yōu)選地，所述擴(kuò)壓器葉片在其所述前緣以恒定偏離量偏離于所述轂板的內(nèi)徑，當(dāng) 在所述轂板上測(cè)量時(shí)，該恒定偏離量在用于所述翼型擴(kuò)壓器的葉輪的葉輪半徑的約5%和 約25%之間。優(yōu)選的恒定偏離量約為15.0%。本文和權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)“偏離”指的 是葉輪半徑的百分比?？梢源嬖趥€(gè)數(shù)在7和19之間的擴(kuò)壓器葉片，優(yōu)選是9個(gè)擴(kuò)壓器葉片。 前緣和后緣都構(gòu)造成不掠彎的。


雖然說明書已清楚地指出了申請(qǐng)人認(rèn)為作為其發(fā)明的主題的權(quán)利要求，但應(yīng)當(dāng)理 解的是，當(dāng)結(jié)合附圖的說明時(shí)能更好地理解本發(fā)明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器的局部正視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器的轂板的平面圖，該轂板在圖1的正視圖中局部 地示出；圖3是結(jié)合在圖2示出的轂板中的擴(kuò)壓器葉片的局部放大正視圖；圖4是圖2圖示的轂板的局部放大平面圖；圖5是在轂板上獲得的根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器的葉片輪廓的放大平面圖，來說 明每個(gè)葉片在轂板上的葉片入口角和外傾角；圖6是在罩的外部獲得的根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器的葉片輪廓的放大平面圖，來 說明每個(gè)葉片在罩的外部上葉片入口角和外傾角；圖7用曲線圖表示了根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)壓器葉片所采用的并在圖1-5中示出的傾斜 角的絕對(duì)值與沿著擴(kuò)壓器葉片的子午線距離的對(duì)比；
圖8用曲線圖表示了根據(jù)本發(fā)明的效率與體積流量除以翼型擴(kuò)壓器壓縮機(jī)級(jí)的 葉輪旋轉(zhuǎn)速度的對(duì)比，并與現(xiàn)有技術(shù)的低稠度和高稠度翼型擴(kuò)壓器進(jìn)行比較；和圖9用曲線圖表示了根據(jù)本發(fā)明的壓力恢復(fù)系數(shù)與體積流量除以翼型擴(kuò)壓器的流速的對(duì)比，并與現(xiàn)有技術(shù)的低稠度和高稠度翼型擴(kuò)壓器進(jìn)行比較。
具體實(shí)施例方式參考圖1和2，圖示了根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器1。翼型擴(kuò)壓器1包含在離心壓縮機(jī)的轂板10和其罩12之間。轂板10和罩12兩者都具有大致的環(huán)形構(gòu)造以允許離心壓縮 機(jī)的葉輪在它們的內(nèi)部環(huán)形區(qū)域旋轉(zhuǎn)。如此，轂板10具有圓形外周14和圓形內(nèi)周16。罩 12具有特定構(gòu)型的入口部18，被壓縮的氣體通過入口部18被吸入葉輪；還具有與轂板10 相對(duì)定位的外部20，外部20從入口部18徑向延伸。如本領(lǐng)域已知的，罩12形成壓縮機(jī)外 殼的一部分而轂板10連接到該壓縮機(jī)外殼。翼型擴(kuò)壓器1由限定在轂板10和罩12的外 部20之間的擴(kuò)壓器通道區(qū)域21和擴(kuò)壓器葉片22形成。雖然未示出，擴(kuò)壓器通道區(qū)域21 與壓縮機(jī)出口相連通，壓縮氣體經(jīng)由螺旋的或回轉(zhuǎn)通道從該出口排出。擴(kuò)壓器葉片22連接 到轂板10并因此定位在轂板10和罩12的外部20之間?？梢允箶U(kuò)壓器葉片22連接到罩 12的外部20。如圖2中最佳示出的，擴(kuò)壓器葉片22以圓形布置定位。雖然未示出，葉輪被定位成在轂板10的圓形內(nèi)周16中旋轉(zhuǎn)并接近罩12的特定構(gòu) 型的入口部。雖然本發(fā)明可以與任何的葉輪設(shè)計(jì)一起使用，但優(yōu)選在葉輪出口具有后掠角 的葉輪。還應(yīng)注意的是，本發(fā)明可以應(yīng)用于任何離心壓縮機(jī)而與具體的制造商無關(guān)。如從圖2所明了的，可以看到擴(kuò)壓器葉片的每一個(gè)在疊加方向上都具有扭轉(zhuǎn)的構(gòu) 造。再參考圖3，擴(kuò)壓器葉片22的每一個(gè)都具有前緣24和后緣26。因?yàn)閿U(kuò)壓器葉片22的 每一個(gè)都包括翼剖面，所以它還具有在前緣24和后緣26之間的翼弦線。擴(kuò)壓器葉片22中 每一個(gè)的在每個(gè)擴(kuò)壓器葉片22與轂板結(jié)合處的翼弦線距離，或者換句話說，分開前緣24和 后緣26的距離，由翼弦線距離“D1”給出。在擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)接觸罩12的外部20 處的分開前緣24和后緣26的翼弦線距離由距離“D2”表示。雖然未示出，在擴(kuò)壓器葉片22 和轂板10的上述結(jié)合處，設(shè)置圓角以形成葉片和板間的光滑過渡。再參考圖4，在擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)的前緣24處，可以在轂板10和罩12的外 部20上測(cè)量擴(kuò)壓器葉片22之間的間隔，即分開擴(kuò)壓器葉片22的周向距離。沿著具有半徑 “R”的圓弧分開擴(kuò)壓器葉片22的該周向距離由“D3”給出。在所圖示的實(shí)施例中，通過獲得 圓圈2 π R(擴(kuò)壓器葉片22的每一個(gè)的前緣24都位于該圓圈上)的周長(zhǎng)并用葉片數(shù)除該周 長(zhǎng)來確定“D3”。在圖示的實(shí)施例中，該距離在轂板10和罩12的外部20之間不會(huì)變化，因 為葉片在其前緣24處是不掠彎的。應(yīng)當(dāng)注意的是，在附圖中，即在圖1-4中，擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)的前緣24的角 都不是掠角，而是由于對(duì)擴(kuò)壓器葉片22施加扭轉(zhuǎn)而出現(xiàn)的角，如這些圖中所示。如本領(lǐng)域 已知的，當(dāng)術(shù)語(yǔ)“掠彎”與翼型擴(kuò)壓器葉片的前緣一起使用時(shí)，指的是擴(kuò)壓器葉片的每一個(gè) 前緣上的接觸轂板10的點(diǎn)與擴(kuò)壓器葉片的每一個(gè)前緣上的接觸罩12的外部20的點(diǎn)處于 不同的半徑。相同的定義也適用于后緣，后緣也類似地與“掠彎”一起使用，但在所圖示的 實(shí)施例中是不掠彎的。如圖2中最佳示出的，前緣24與轂板10的內(nèi)周16保持恒定的偏離距離“D?！?。該 偏離可以表示為在轂板10的內(nèi)周16內(nèi)旋轉(zhuǎn)的葉輪半徑的百分比且其優(yōu)選在該半徑的約 5%和約25%之間。15%大小的恒定偏離是優(yōu)選的。偏離的原因是，如果前緣24設(shè)置在內(nèi) 周16上，那么離開葉輪的流動(dòng)會(huì)在葉輪葉片和擴(kuò)壓器葉片22中引起流動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)削弱葉輪葉片和擴(kuò)壓器葉片22。然而，當(dāng)偏離距離過大時(shí)，流動(dòng)和擴(kuò)壓器葉片22 之間的相互作用將降低到這樣的程度在效率和壓力恢復(fù)能力方面，擴(kuò)壓器1的性能可能 惡化到無葉片的擴(kuò)壓器的性能。通常，雖然可以有個(gè)數(shù)在約7和19之間的擴(kuò)壓器葉片22， 但9個(gè)上述擴(kuò)壓器葉片22是優(yōu)選的。
為了獲得最大的效率和運(yùn)行范圍，擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)的前緣24處的在轂板 10上測(cè)得的稠度值小于1. 0而在罩12的外部20上測(cè)得的稠度值是1. 0和更大。具體參考 圖3和4，轂板10上的較低的稠度值由“D1”與“D3”的比計(jì)算而罩12的外部20上測(cè)量的 較高的稠度值由“D2”與“D3”的比計(jì)算。優(yōu)選地，較低的稠度值的范圍在約0. 5和約0. 95 之間。較高的稠度值的范圍在約1.0和約1.4之間。更優(yōu)選地，較低的稠度值是0.8而較 高的稠度值是1.3。在葉片都是扭轉(zhuǎn)構(gòu)造的情況下，擴(kuò)壓器葉片的葉片入口角沿從轂板10到罩12的 外部20的疊加方向減小。參照?qǐng)D5，在擴(kuò)壓器葉片22接觸轂板10處的擴(kuò)壓器葉片22的葉 片入口角“Al”測(cè)得為在由半徑“R”限定的圓(前面討論過)的切線“T”和與葉片輪廓22a 處翼型剖面的中心線“C嚴(yán)”相切的穿過翼型剖面前緣24的切線“ Υ/Ρ”之間的角。應(yīng)當(dāng)注 意的是，葉片輪廓22a處翼型剖面的外傾角“A2”是在切線“ Υ/Ρ”和中心線“C嚴(yán)”的穿過翼 型剖面后緣26的切線“TTeHP”之間的角。參照?qǐng)D6，在擴(kuò)壓器葉片22接觸轂板10處的擴(kuò)壓 器葉片22的葉片入口角“A3”測(cè)得為在由半徑“R”限定的圓(前面討論過)的切線“T”和 與葉片輪廓22b處翼型剖面的中心線“C，’相切的穿過翼型剖面前緣24的切線“Tj”之間 的角。還應(yīng)當(dāng)注意的是，葉片輪廓22b處翼型剖面的外傾角“A4”是在切線“T」”和中心線 “C廣’的穿過翼型剖面后緣26的切線“TTes”之間的角。如圖5和6中清楚可見的，角“Al” 大于角“A3”。在轂板10處測(cè)得的葉片入口角“Al”優(yōu)選在約15.0度和約50.0度之間，而當(dāng)在 罩12的外部20處測(cè)量時(shí)，葉片入口角“A3”優(yōu)選在約5. 0度和約25. 0度之間。而且，在轂 板10和罩12的外部20兩處的外傾角在約0. 0度和約30度之間。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是， 基于葉輪和所引起的向翼型擴(kuò)壓器的進(jìn)氣流來選擇葉片入口角。外傾角“A2”或“A4”優(yōu)選 在約5.0度和10.0度之間。對(duì)用于擴(kuò)壓器葉片設(shè)計(jì)的流動(dòng)角度(例如葉片入口角和外傾角)的選擇將依賴于 葉輪設(shè)計(jì)和擴(kuò)壓器擴(kuò)壓計(jì)劃。通常，用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的利用了計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算 機(jī)輔助程序包完成現(xiàn)代翼型設(shè)計(jì)。這些角度的外部范圍代表用于離心葉輪的葉輪設(shè)計(jì)中的 已知變化并且代表這樣的角度，以該角度離開葉輪的流動(dòng)可在擴(kuò)壓器中由壓力恢復(fù)改向。 通常來講，關(guān)于葉片入口角，因?yàn)樵谡稚系牧鲃?dòng)基本上是更接近切向的，所以允許更小的角 度變化。再次參照?qǐng)D3，擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)優(yōu)選圍繞線“La?！迸まD(zhuǎn)，該線在疊加方向上 并穿過擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)的空氣動(dòng)力中心?？諝鈩?dòng)力中心是這樣的點(diǎn)在該點(diǎn)附近，空氣 動(dòng)力力矩不隨葉片的攻角變化。需要注意的是，上述情況是優(yōu)選的并且本發(fā)明的實(shí)施例也 可制造成圍繞擴(kuò)壓器葉片22的一些其它位置扭轉(zhuǎn)。葉片扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生了擴(kuò)壓器葉片22的每一個(gè)中的傾斜角，從轂板10的法線起沿葉輪 的旋轉(zhuǎn)方向(圖2中的順時(shí)針方向)測(cè)量該角，該角在前緣24處是負(fù)的而在后緣是正的。 優(yōu)選地，傾斜角的絕對(duì)值不大于約75度。這是出于制造目的，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)難以機(jī)械加工更大的傾斜角。參考圖7，在圖示的實(shí)施例中，在前緣24中每一個(gè)處的傾斜角都是約-30 度，在"La。”減低到零，然后在后緣26中每一個(gè)處增大到約60度。應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語(yǔ)“子 午線距離”是擴(kuò)壓器葉片22內(nèi)采用的翼型剖面的中心線的百分比距離，該距離位于上述翼 型的吸力面和壓力面之間。優(yōu)選地，擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)都采用了 NACA65翼型剖面。上述翼型的最大厚度 范圍與翼弦的比當(dāng)在罩12的外部20處測(cè)量時(shí)是約2%而當(dāng)在轂板10處測(cè)量時(shí)是約6%。 如本領(lǐng)域已知的，通過獲得在壓力面和吸力面之間的葉片最大厚度并除以翼弦線距離來確 定上述比。例如，關(guān)于在轂板10處的厚度與翼弦的比，該值應(yīng)該是圖5中示出的葉片輪廓 22a的最大厚度除以圖3中示出的距離“D1”。在所圖示的擴(kuò)壓器葉片22中，該比值的變化 可以是線性的，也可以是非線性的。如所能理解的，因?yàn)閺妮灠?0到罩12的外部20稠度 保持增加，擴(kuò)壓器葉片22中每一個(gè)的翼弦也保持增加，并且因此為了在擴(kuò)壓器葉片22中每 一個(gè)的朝向罩12的外部20的疊加方向上維持恒定的最大厚度，以避免流動(dòng)分離，該比值保 持減小。在罩和轂板處的平均厚度與翼弦的比優(yōu)選為.045。下面的表I列舉了各種不同設(shè) 計(jì)的擴(kuò)壓器葉片的最大 等熵效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。葉片 類型2是純傾斜設(shè)計(jì)而葉片類型8沒有扭轉(zhuǎn)并且因此沒有葉片扭轉(zhuǎn)疊加位置。該“葉片扭 轉(zhuǎn)疊加位置”指的是，特定葉片扭轉(zhuǎn)時(shí)所圍繞的線的位置，該位置表達(dá)為用中心線的百分比 表示的離開該葉片前緣的距離。在所有情況中，該“葉片扭轉(zhuǎn)疊加位置”都不在空氣動(dòng)力中 心。葉片1、2和7都是高稠度設(shè)計(jì)，因?yàn)槌矶仁?或更大。葉片3、5、6和8都是低稠度葉 片設(shè)計(jì)，因?yàn)槌矶榷夹∮?。葉片類型5在轂板上具有小于1. 00的稠度值且在罩上具有大 于1.00的稠度值，并且是根據(jù)本發(fā)明的葉片，因?yàn)椤叭~片扭轉(zhuǎn)疊加位置”位于空氣動(dòng)力中心 處是本發(fā)明的優(yōu)選的而非必要的特征。如期望的，葉片類型4在表I中測(cè)試并列出的所有 葉片中具有最高的峰值等熵峰值效率。要注意的是，所有翼型都是NACA65型翼型。表 I 表II圖示的葉片都是根據(jù)本發(fā)明的且都包括優(yōu)選的位于空氣動(dòng)力中心處的“葉 片扭轉(zhuǎn)疊加位置”以及其它優(yōu)選特征。所有葉片還是基于NACA65型翼型。該表中的峰值 等熵效率大于表II，除了葉片類型11，該類型中的效率變差是由于葉輪直徑比類型9小約 20%的事實(shí)。然而，考慮到更小的葉輪本身就效率更低，所以實(shí)際上該結(jié)果已經(jīng)是較高的效 率了。還要注意的是，在比較表I和II時(shí)，雖然效率的百分率差別只是幾個(gè)百分點(diǎn)，但這些 結(jié)果是顯著的，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的葉片設(shè)計(jì)中包含的技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)并且不管怎樣，效率 的任何增加都會(huì)產(chǎn)生顯著的電能消耗節(jié)約。就這一點(diǎn)而言，關(guān)于離心工藝壓縮機(jī)，對(duì)于中等 大小的壓縮機(jī)級(jí)來說，等熵效率改變1. 5個(gè)百分點(diǎn)代表約二十千瓦/級(jí)的電能節(jié)約。表II 在運(yùn)行范圍和效率方面，在以下示例中，根據(jù)本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器(“3D擴(kuò)壓器”) 將與低稠度翼型擴(kuò)壓器(“LSA擴(kuò)壓器”)和高稠度翼型擴(kuò)壓器(“HAS擴(kuò)壓器”)。下面的 表III列舉了用于該比較中的上述擴(kuò)壓器中每一個(gè)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。表 III 1) “入口半徑比”是擴(kuò)壓器入口側(cè)處的擴(kuò)壓器半徑與葉輪出口半徑之間的比。2)入射角是葉片入口角和葉輪出氣角之間的差。3)偏向角是擴(kuò)壓器葉片出口角與所列舉的出氣角之間的差。再參照?qǐng)D8，針對(duì)表III中列舉的三種類型的翼型擴(kuò)壓器，相對(duì)于“Q/N”繪制標(biāo)準(zhǔn) 化為靜態(tài)級(jí)效率“ η”的總量。如本領(lǐng)域已知的，級(jí)總量到靜態(tài)效率“ nts”由下式給出(級(jí) 出口靜壓/級(jí)入口總壓My^1除以((級(jí)出口總溫/級(jí)入口總溫))-ι)；其中“Y”是流體 絕熱指數(shù)，其對(duì)于空氣或氮?dú)鈦碚f是1.4。量“Q/N”是入口體積流量除以葉輪旋轉(zhuǎn)速度。根 據(jù)本發(fā)明的的擴(kuò)壓器“3D”具有與高稠度翼型擴(kuò)壓器“HSA”的峰值級(jí)效率類似的峰值級(jí)效 率。可以在更寬的流率范圍上維持峰值效率。低稠度翼型擴(kuò)壓器“LSA”雖然顯示出與根據(jù) 本發(fā)明的翼型擴(kuò)壓器的運(yùn)行范圍類似的較寬的運(yùn)行范圍，但是其具有更低的級(jí)效率。再參照?qǐng)D9，比較了表III中列出的擴(kuò)壓器的壓力恢復(fù)能力。如可從圖9的曲線 圖結(jié)果看出的，根據(jù)本發(fā)明的擴(kuò)壓器“3D”的運(yùn)行范圍不亞于低稠度擴(kuò)壓器“LSA”的運(yùn)行范 圍。而且，高稠度翼型擴(kuò)壓器“HSA”的壓力恢復(fù)系數(shù)“CP”在流量系數(shù)升高到設(shè)計(jì)點(diǎn)以上時(shí) 下降得非?？?。這是由于擴(kuò)壓器喉部阻塞。然而，盡管在Q/N為0.04的設(shè)計(jì)流量條件下具 有較高的壓力恢復(fù)系數(shù)，但由于在擴(kuò)壓器前緣處的流動(dòng)分離和隨之發(fā)生的擴(kuò)散器喉部的流 量阻塞增加，不能在大的減弱區(qū)域上維持該較高的壓力恢復(fù)系數(shù)。在設(shè)計(jì)流量條件下，根據(jù) 本發(fā)明的擴(kuò)壓器“3D”的壓力恢復(fù)不亞于高稠度翼型擴(kuò)壓器“HSA”的壓力恢復(fù)。而且，這樣 的高壓力恢復(fù)維持在與低稠度擴(kuò)壓器的運(yùn)行范圍類似的更寬范圍上。由于改變稠度和葉片 扭轉(zhuǎn)和傾斜(這建立了有利的3維流動(dòng)結(jié)構(gòu))而導(dǎo)致的幾何喉部的消失允許本發(fā)明擴(kuò)壓器 以類似于高稠度擴(kuò)壓器的高壓力恢復(fù)匹配低稠度擴(kuò)壓器的運(yùn)行范圍。為了上述目的，如本 領(lǐng)域人員已知的，術(shù)語(yǔ)“CP”是由擴(kuò)壓器出口壓力減去擴(kuò)壓器入口壓力再除以擴(kuò)壓器入口處 的動(dòng)壓頭來給出。擴(kuò)壓器入口處的動(dòng)壓頭等于0.5X入口密度X入口流速的平方。雖然參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由目 前所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可以進(jìn)行各種改變和添加。
權(quán)利要求
一種用于離心壓縮機(jī)的翼型擴(kuò)壓器，包括擴(kuò)壓器通道區(qū)域，其限定在轂板和與所述轂板相對(duì)設(shè)置的罩的外部之間，所述轂板和所述罩形成所述離心壓縮機(jī)的一部分并且分別具有大致的環(huán)形構(gòu)造以允許所述離心壓縮機(jī)的葉輪在它們的內(nèi)部環(huán)形區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)；多個(gè)擴(kuò)壓器葉片，以圓形布置的方式位于所述轂板和所述罩的所述外部之間的所述擴(kuò)壓器通道區(qū)域內(nèi)并連接到所述轂板或所述罩的所述外部；以及所述擴(kuò)壓器葉片沿在所述轂板和所述罩的所述外部之間截取的疊加方向具有扭轉(zhuǎn)的構(gòu)造，使得所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)圍繞基本沿所述疊加方向延伸的線扭轉(zhuǎn)，該線穿過每個(gè)翼型剖面的空氣動(dòng)力中心，所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)都具有葉片入口角和傾斜角，所述葉片入口角從所述轂板到所述罩的所述外部減小，并且當(dāng)沿葉輪旋轉(zhuǎn)的方向觀察時(shí)，在所述轂板處測(cè)得的所述傾斜角在前緣處具有負(fù)值，而在后緣處具有正值；在所述擴(kuò)壓器葉片前緣處的稠度測(cè)量結(jié)果在較低稠度值和較高稠度值之間變化，所述較低稠度值在所述轂板處測(cè)得并小于約1.0，而所述較高稠度值在所述罩的所述外部處測(cè)得并不小于1.0。
2.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述較低稠度值落入在約0. 5和約0. 95之間的較低范圍內(nèi)；并且所述較高稠度值落入在約1和約1. 4之間的較高范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述較低稠度值是約0.8而所述較高稠度值 是約1. 3。
4.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述葉片入口角相對(duì)于所述疊加方向以線性關(guān)系變化。
5.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述傾斜角的絕對(duì)值不大于約75度。
6.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中在所述轂板處測(cè)得的所述葉片入口角在約 15. 0度和約50. 0度之間并且在所述罩的所述外部處測(cè)得的所述葉片入口角在約5. 0度和 約25.0度之間，并且對(duì)于所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)來說，在所述轂板和所述罩的所述外部 處的外傾角在約0. 0度和約30度之間。
7.如權(quán)利要求7所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述外傾角在約5度和約10度之間。
8.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)都具有NACA65型翼 型剖面。
9.如權(quán)利要求7所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)具有最大厚度與翼 弦比，當(dāng)分別在所述罩的所述外部和所述轂板處測(cè)量時(shí)，所述最大厚度與翼弦比在約2%和 6%之間。
10.如權(quán)利要求9所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器葉片中每一個(gè)具有約0.045的厚 度與翼弦比，該值是在所述罩的所述外部和所述轂板處取得的測(cè)量結(jié)果的平均值。
11.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器葉片在其所述前緣以恒定偏離 量偏離于所述轂板的內(nèi)徑，當(dāng)在所述轂板處測(cè)量時(shí)，該恒定偏離量在用于所述翼型擴(kuò)壓器 的葉輪的葉輪半徑的約5%和約25%之間。
12.如權(quán)利要求10所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述恒定偏離量約為15.0%。
13.如權(quán)利要求1所述的翼型擴(kuò)壓器，其中存在個(gè)數(shù)在7和19之間的擴(kuò)壓器葉片。
14.如權(quán)利要求3所述的翼型擴(kuò)壓器，其中所述前緣和后緣都是不掠彎的；當(dāng)在所述轂板處測(cè)量時(shí)，所述絕對(duì)傾斜角不大于約75度；并且 當(dāng)在所述轂板處測(cè)量時(shí)，所述葉片入口角在約15. 0度和約50. 0度之間，并且當(dāng)在所述 罩的所述外部處測(cè)量時(shí)，所述葉片入口角在約5. 0度和約25. 0度之間。
全文摘要
用于離心壓縮機(jī)的翼型擴(kuò)壓器，該擴(kuò)壓器由擴(kuò)壓器通道區(qū)域和位于該擴(kuò)壓器通道區(qū)域內(nèi)的多個(gè)擴(kuò)壓器葉片形成。擴(kuò)壓器通道區(qū)域限定在轂板和離心壓縮機(jī)的罩之間。每個(gè)擴(kuò)壓器葉片沿在所述轂板和與所述轂板相對(duì)設(shè)置的所述罩的所述外部之間截取的疊加方向具有扭轉(zhuǎn)的構(gòu)造。作為扭轉(zhuǎn)構(gòu)造的結(jié)果，擴(kuò)壓器葉片入口角從所述轂板到所述罩的所述外部減小。在所述擴(kuò)壓器葉片前緣處的稠度測(cè)量結(jié)果在較低稠度值和較高稠度值之間變化，所述較低稠度值在所述轂板處測(cè)得并小于約1.0，而所述較高稠度值在所述罩的所述外部處測(cè)得并不小于1.0。
文檔編號(hào)F04D29/44GK101868630SQ200880117018
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月24日
發(fā)明者A·阿布德爾瓦哈布, G·J·格伯爾, R·L·巴克 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司