專利名稱：自由轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定作用的制作方法
在那些壓縮載荷在較寬范圍內(nèi)變化的應(yīng)用場合中，在使用離心氣體壓縮機(jī)的過程中出現(xiàn)的其中一個(gè)主要問題是使氣流穩(wěn)定地流過所述壓縮機(jī)。壓縮機(jī)進(jìn)口、葉輪和擴(kuò)散器通道必須具有一定的尺寸，以便能提供所需的最大容積流動(dòng)速率。在離心冷凍壓縮機(jī)中，載荷通常是在一較大范圍內(nèi)變化，因此壓縮機(jī)可能會在這樣一個(gè)較低的流動(dòng)速率下進(jìn)行工作，以致對于有效工作來說，它們的進(jìn)口和擴(kuò)散器都太大。當(dāng)以較低的容積流動(dòng)速率通過這樣一種壓縮機(jī)時(shí)，氣流就變得不穩(wěn)定。當(dāng)容積流動(dòng)速率從一穩(wěn)定范圍開始減小時(shí)，就會進(jìn)入一略微不穩(wěn)定的流動(dòng)范圍。在該范圍內(nèi)，在所述葉輪和擴(kuò)散器內(nèi)的氣流就會沿著流道的整個(gè)長度方向離開壁面，并且在擴(kuò)散器通道內(nèi)會出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生噪聲，并降低壓縮機(jī)的工作效率。當(dāng)質(zhì)量流量進(jìn)一步減小時(shí)，壓縮機(jī)就遇到稱為是喘振現(xiàn)象，即在壓縮機(jī)內(nèi)發(fā)生周期性的、全部的回流，從而破壞了該機(jī)器有效工作的能力。
已有各種技術(shù)被用來增大壓縮機(jī)的喘振和扼流極限之間的范圍。
已經(jīng)采用一些位于壓縮機(jī)進(jìn)口內(nèi)的導(dǎo)向葉片來改變流動(dòng)方向和進(jìn)氣量，這是因?yàn)榻逯蝗~輪所作的功是與葉輪出口和葉輪進(jìn)口處的氣體速度的平方差成正比的。進(jìn)口導(dǎo)向葉片可以提高效率，這是因?yàn)樗鼈兛梢越o予葉輪進(jìn)口處的氣體朝著旋轉(zhuǎn)的方向一個(gè)旋流，從而可以減小速度差。壓縮機(jī)的提升能力也被減小，但是對于通常的空氣調(diào)節(jié)應(yīng)用來說，這是不成問題的，這是因?yàn)楫?dāng)載荷減小時(shí)，所需的提升量也逐漸降低。有時(shí)候，與這些導(dǎo)向葉片機(jī)械連接的是可動(dòng)的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)，以便當(dāng)進(jìn)口流量降低時(shí)，節(jié)流住擴(kuò)散器通道。
正如美國專利5,437,529所證明的那樣，可以將自由轉(zhuǎn)子(自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子)用作該裝置的一部分，所述裝置可以動(dòng)態(tài)地控制諸如壓縮機(jī)之類的渦輪機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)失速(stall)和喘振。該專利的裝置具有限制性，即它的效率是取決于自由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，而該旋轉(zhuǎn)速度又與容積流動(dòng)速率成正比。因此，當(dāng)壓縮機(jī)在壓縮機(jī)圖的低流量區(qū)域(流量小于設(shè)計(jì)流量的區(qū)域)內(nèi)工作時(shí)，自由轉(zhuǎn)子減速，并且其效率降低。遺憾的是，當(dāng)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要在所述低流量區(qū)域內(nèi)獲得給定量的效率，將使得自由轉(zhuǎn)子的速度較高。較高的自由轉(zhuǎn)子速度增加了制造成本，并增大了越過自由轉(zhuǎn)子的壓力損失，從而降低了它的實(shí)際應(yīng)用性(practicalimplementation)。
美國專利5,437,529中所描述的自由轉(zhuǎn)子的效率以φ(tanγ2)表示，其中φ是流動(dòng)系數(shù)(壓縮機(jī)進(jìn)口處的氣體軸向速度分量與葉輪尖端速度的比值)，γ是用于自由轉(zhuǎn)子葉片的葉片安裝角(stagger angle)。由于壓縮機(jī)質(zhì)量流量降低，φ減小，因此，自由轉(zhuǎn)子的效率也減小。
本發(fā)明旨在抑制壓縮系統(tǒng)內(nèi)的喘振，其中在壓縮系統(tǒng)進(jìn)口處的旋流是變化的，以適應(yīng)變化的載荷。所述系統(tǒng)包括一轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子不提供旋轉(zhuǎn)的氣體并且被安裝從而使它可以在一氣流中自由正常旋轉(zhuǎn)。所述轉(zhuǎn)子位于壓縮機(jī)進(jìn)口的上游，諸如進(jìn)口導(dǎo)向葉片之類的可變旋流裝置的下游。對于某些不需要附加反饋的系統(tǒng)來說，旋轉(zhuǎn)失速的抑制就成為另一個(gè)益處。
有幾種壓縮機(jī)使用了可變的進(jìn)口旋流，以降低壓縮機(jī)質(zhì)量流量。例如藉助可旋轉(zhuǎn)的進(jìn)口導(dǎo)向葉片可以產(chǎn)生可變的進(jìn)口旋流，以改變它們的葉片安裝角。如果自由轉(zhuǎn)子安裝在這種進(jìn)口導(dǎo)向葉片和壓縮機(jī)進(jìn)口之間，自由轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)特性就會顯著變化。除了自由轉(zhuǎn)子的葉片安裝角和壓縮機(jī)的質(zhì)量流量之外，自由轉(zhuǎn)子的效率也是進(jìn)口氣流旋流角的函數(shù)。本文中描述的所使用的自由轉(zhuǎn)子的效率可以表示為φ(tanγ-tanα)2，其中α是進(jìn)口旋流角(沿著壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)方向測量為正)。因此，如果自由轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)得γ為負(fù)(即，各葉片的葉片安裝角與壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向是相反的)，當(dāng)進(jìn)口旋流(即，α)增大時(shí)，自由轉(zhuǎn)子效率增大。
本發(fā)明的目的在于抑制壓縮系統(tǒng)內(nèi)的喘振。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種喘振抑制裝置，當(dāng)進(jìn)口旋流增大時(shí)，所述裝置的效率增大。將在下文中變得清楚的這些目的和其它目的將由本發(fā)明來實(shí)現(xiàn)。
基本上，至少一個(gè)自由轉(zhuǎn)子位于一壓縮機(jī)系統(tǒng)的壓縮機(jī)進(jìn)口和可變旋流裝置之間。


圖1是一對于各種最大進(jìn)口旋流角而言的、自由轉(zhuǎn)子效率對有關(guān)壓縮機(jī)質(zhì)量流量的曲線圖，其中輸入流的旋流是隨著壓縮機(jī)的質(zhì)量流量而線性變化的；圖2示出了對于一傳統(tǒng)的離心冷卻系統(tǒng)而言的、自由轉(zhuǎn)子效率和進(jìn)口導(dǎo)向葉片角(自垂直于葉輪軸線進(jìn)行測量)對有關(guān)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量流量的曲線圖，其中進(jìn)口處的旋流不隨質(zhì)量流量線性變化；圖3是一采用本發(fā)明第一實(shí)施例的離心壓縮機(jī)系統(tǒng)的剖視圖；以及圖4是一采用本發(fā)明第二實(shí)施例的離心壓縮機(jī)系統(tǒng)的剖視圖。
在一種典型應(yīng)用中，諸如在一深冷器內(nèi)的離心壓縮機(jī)中，當(dāng)壓縮機(jī)質(zhì)量流量是設(shè)計(jì)質(zhì)量流量的10％時(shí)，進(jìn)口旋流角可以大到80°，或者更大。這個(gè)質(zhì)量流量范圍通?？梢员硎玖鲃?dòng)系數(shù)值在0.6(設(shè)計(jì)流量)和0.06(10％的設(shè)計(jì)流量)之間。如果假定進(jìn)口旋流角是隨著質(zhì)量流量線性變化的(即，例如，假定進(jìn)口導(dǎo)向葉片葉片安裝角是壓縮機(jī)質(zhì)量流量的線性函數(shù))，在圖1中示出了對于不同的最大旋流角而言，自由轉(zhuǎn)子效率隨質(zhì)量流量的變化情況。圖1還示出了沒有預(yù)旋流的自由轉(zhuǎn)子的效率變化情況。正如從圖1中可以看到的那樣，預(yù)效率可以顯著增強(qiáng)自由轉(zhuǎn)子的效率。在一種典型應(yīng)用中，諸如一離心深冷器，進(jìn)口旋流角隨質(zhì)量流量的變化不是線性的。這可以影響自由轉(zhuǎn)子的效率。圖2示出了對于一典型的離心式深冷器應(yīng)用的這種情況，示出了進(jìn)口旋流隨質(zhì)量流量的變化情況和最終的自由轉(zhuǎn)子效率的變化情況。進(jìn)口旋流隨壓縮機(jī)質(zhì)量流量的變化通常是高度非線性的，且進(jìn)口旋流角明顯可以更大，例如85°。同樣，通過比較圖1和圖2的橫坐標(biāo)，可以注意到自由轉(zhuǎn)子效率大得多。若以90°來表示導(dǎo)向葉片的封閉狀態(tài)，從80°到85°表示將額定流動(dòng)面積減半，并且tanα的值將從5左右變到11左右。在低質(zhì)量流量的條件下(在最需要的場合)，自由轉(zhuǎn)子效率的顯著增大可以使人們將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)在額定設(shè)計(jì)條件下以低速旋轉(zhuǎn)，從而可以減小壓力損失，并可以降低制造成本。所述自由轉(zhuǎn)子可以安裝在一壓縮機(jī)軸的延伸部分上，從而可以使自由轉(zhuǎn)子軸承的速度較低，由此可以減少軸承的損耗。
進(jìn)口導(dǎo)向葉片和壓縮機(jī)進(jìn)口之間包含所述自由轉(zhuǎn)子將具有一附加益處，它可以使壓縮機(jī)具有較小的輪轂對頂端直徑之比。由于進(jìn)口導(dǎo)向葉片增加了旋流從而使所述旋流角被固定在所有徑向位置處，因此這不是一固體旋轉(zhuǎn)。所以，在壓縮機(jī)處就會有入射角失配現(xiàn)象?？梢詫ψ杂赊D(zhuǎn)子的葉片幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕這種效應(yīng)。
在圖3中，標(biāo)號10總地表示一離心深冷器的渦輪壓縮機(jī)部分。具體地說，渦輪壓縮機(jī)部分10包括一具有葉輪20的離心壓縮機(jī)，如傳統(tǒng)的那樣，在上游位置具有諸個(gè)進(jìn)口導(dǎo)向葉片22。本發(fā)明在各進(jìn)口導(dǎo)向葉片22和至離心壓縮機(jī)葉輪20的進(jìn)口之間加設(shè)了一個(gè)或多個(gè)自由轉(zhuǎn)子31和32。自由轉(zhuǎn)子31和32可以自由旋轉(zhuǎn)地支承在葉輪傳動(dòng)軸20-1的外伸部分上。如圖所示，自由轉(zhuǎn)子31和32分別通過適當(dāng)?shù)妮S承33和34位于軸20-1上。在采用多個(gè)自由轉(zhuǎn)子的情況中，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子可以相對于另一個(gè)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)。
如果沒有自由轉(zhuǎn)子31和32，至壓縮機(jī)葉輪20的流量是藉助各進(jìn)口導(dǎo)向葉片22來控制的，各進(jìn)口導(dǎo)向葉片在控制流量的過程中起到閥的作用，并且同時(shí)對氣流還能提供一旋轉(zhuǎn)作用。給予氣流的旋轉(zhuǎn)作用將隨著對應(yīng)于減小流量的增大的進(jìn)口導(dǎo)向葉片角而增大。假定各導(dǎo)向葉片22都被設(shè)置呈0°，與流動(dòng)方向成一直線，它們就不能起到閥的作用，并且不能為氣流提供旋轉(zhuǎn)作用。自由轉(zhuǎn)子31和32將達(dá)到這樣一個(gè)速度，以致它們不能使流至壓縮機(jī)葉輪20的進(jìn)口的氣流旋轉(zhuǎn)，就象美國專利5,437,539中所揭示的裝置那樣。但是，在本發(fā)明中，當(dāng)各進(jìn)口導(dǎo)向葉片22朝著封閉的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用于氣流的合成旋流將使氣流沖擊在自由轉(zhuǎn)子31和32上，從而使它們加速，以適應(yīng)新的流動(dòng)方向。在自由轉(zhuǎn)子的速度調(diào)節(jié)到新的平衡速度之后，自由轉(zhuǎn)子就在平均的環(huán)狀空間上、越過自由轉(zhuǎn)子的時(shí)間平均流動(dòng)角上不起作用。但是，對于諸如那些與喘振有關(guān)的不穩(wěn)定振動(dòng)來說，所述自由轉(zhuǎn)子可以起作用以衰減掉這些振動(dòng)，這與美國專利5,437,539中所描述的是類似的。
圖4所示的實(shí)施例不同于圖3所示的實(shí)施例，其不同之處在于自由轉(zhuǎn)子131和132的支承方式。它們不象圖3所示實(shí)施例中的那樣被支承在一外伸軸上，軸120-1不與自由轉(zhuǎn)子131和132共同作用。具體地說，它不象圖3所示實(shí)施例中的那樣，由軸承結(jié)構(gòu)來內(nèi)部支承，自由轉(zhuǎn)子131和132是分別由適當(dāng)?shù)妮S承133和134自由旋轉(zhuǎn)地支承在外周緣處。除了自由轉(zhuǎn)子131、132的支承方式有所不同之外，渦輪壓縮機(jī)110的工作情況與渦輪壓縮機(jī)10的工作情況是相同的。
雖然已藉助一具有諸個(gè)進(jìn)口導(dǎo)向葉片的離心壓縮機(jī)對本發(fā)明作了圖示和描述，但是，本發(fā)明通常還可以應(yīng)用于那些具有一作用于進(jìn)口氣流的旋流的渦輪壓縮機(jī)。因此，應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明的保護(hù)范圍只能由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種壓縮機(jī)裝置，它包括一具有一進(jìn)口的渦輪壓縮機(jī)(10)；用來供給氣流至所述進(jìn)口的裝置；用來有選擇地提供一旋流給所述氣流至所述進(jìn)口的裝置(22)；用來衰減所述氣流內(nèi)的變化的裝置(32；32；131；132)；所述用于衰減的裝置位于所述用來有選擇地提供一旋流的裝置和所述進(jìn)口中間，從而可以將一更穩(wěn)定的氣流供給至所述進(jìn)口。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述衰減裝置包括一自由轉(zhuǎn)子。
3.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述速衰減裝置包括至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的自由轉(zhuǎn)子。
4.如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述渦輪壓縮機(jī)是一離心壓縮機(jī)，所述用來有選擇地供給一旋流的裝置包括各進(jìn)口導(dǎo)向葉片。
5.如權(quán)利要求4所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述衰減裝置包括一自由轉(zhuǎn)子。
6.如權(quán)利要求5所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述自由轉(zhuǎn)子由一軸承(33；34；133；134)旋轉(zhuǎn)地支承。
7.如權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述軸承位于所述自由轉(zhuǎn)子的內(nèi)部。
8.如權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述軸承位于所述自由轉(zhuǎn)子的外部。
9.如權(quán)利要求4所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述衰減裝置包括至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的自由轉(zhuǎn)子。
10.如權(quán)利要求9所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述軸承位于所述自由轉(zhuǎn)子內(nèi)部。
11.如權(quán)利要求9所述的壓縮機(jī)裝置，其特征在于，所述軸承位于所述自由轉(zhuǎn)子外部。
全文摘要
在一諸如離心壓縮機(jī)之類的渦輪壓縮機(jī)中,所述渦輪壓縮機(jī)具有諸如進(jìn)口導(dǎo)向葉片之類的旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu),一個(gè)或多個(gè)自由轉(zhuǎn)子位于所述壓縮機(jī)的旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和進(jìn)口中間。各自由轉(zhuǎn)子由氣流驅(qū)動(dòng),存儲在其內(nèi)的動(dòng)能可以緩和在壓縮機(jī)進(jìn)口處可觀察到的氣流內(nèi)的瞬態(tài)變化,從而可以使它更穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。
文檔編號F04D29/44GK1203320SQ9811493
公開日1998年12月30日 申請日期1998年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月23日
發(fā)明者J·S·薩布尼斯, D·L·吉斯林 申請人:運(yùn)載器有限公司