壓縮機(jī)葉輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及壓縮機(jī)，且更具體而言，涉及接近壓縮機(jī)葉輪葉片的第二過(guò)程流體流。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮機(jī)是通過(guò)使用機(jī)械能來(lái)增大過(guò)程流體(例如氣體)的壓力的機(jī)器。壓縮機(jī)用于多種不同的應(yīng)用中，包括作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的初始級(jí)來(lái)操作。在各種類(lèi)型的壓縮機(jī)，有所謂的離心壓縮機(jī)，在其中，機(jī)械能借助于離心加速而在輸入到壓縮機(jī)的過(guò)程流體上操作，例如，通過(guò)使過(guò)程流體經(jīng)過(guò)的離心葉輪(有時(shí)也稱(chēng)為“轉(zhuǎn)子”)旋轉(zhuǎn)。更一般來(lái)說(shuō)，離心壓縮機(jī)可以說(shuō)是已知為“渦輪機(jī)械”或“渦輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械”的一類(lèi)機(jī)械的一部分。
[0003]離心壓縮機(jī)可裝配有單個(gè)葉輪，即，單級(jí)構(gòu)造，或裝配有串聯(lián)的多個(gè)葉輪，在該情況下，它們通常稱(chēng)為多級(jí)壓縮機(jī)。離心壓縮機(jī)的級(jí)中的各個(gè)通常包括用于壓縮過(guò)程流體流的入口導(dǎo)管、葉輪，葉輪包括能夠?qū)?dòng)能施加到輸入的過(guò)程流體的葉片，和將從轉(zhuǎn)子流走的過(guò)程流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能的擴(kuò)散器。
[0004]從入口到擴(kuò)散器的過(guò)程流體流可分類(lèi)為主的或副的。主流是合乎需要的，且可被認(rèn)為是過(guò)程流體穿過(guò)壓縮機(jī)的有效行進(jìn)。相反，副流是不合乎需要的，且可要求壓縮機(jī)做額外的功來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程流體中所要求的壓力升高。副流不僅在壓縮過(guò)程、級(jí)或多個(gè)級(jí)期間是潛在地麻煩的，而且其后，當(dāng)壓縮機(jī)的下游構(gòu)件暴露且潛在地受到危害，或者以其他方式被阻止通過(guò)此種流來(lái)最佳地執(zhí)行時(shí)，也是潛在地麻煩的。
[0005]雖然過(guò)程流體中的較大百分比可作為主流而移動(dòng)通過(guò)壓縮機(jī)，但過(guò)程流體的至少一部分可作為副流而移動(dòng)，尤其是緊鄰葉輪葉片的過(guò)程流體。例如，過(guò)程流體流的一些部分可在葉輪葉片的面附近形成邊界層，且相對(duì)于過(guò)程流體的被壓縮的其他部分減速。如另一示例一樣，流的一些部分可橫向地迀移至跨過(guò)葉輪葉片的期望的流。這些部分可導(dǎo)致副流或?yàn)楦绷鞯囊徊糠帧?br>[0006]為了解決副流的問(wèn)題，已聚焦于葉輪葉片形狀的設(shè)計(jì)。其結(jié)果，葉片形狀已發(fā)展至以下程度，其中提出的改變通常僅導(dǎo)致壓縮機(jī)效率和/或性能的增量增加。而且，這些改變執(zhí)行起來(lái)通常困難且昂貴，特別是在其他壓縮機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)必須改變以適應(yīng)對(duì)葉輪葉片的形狀提出的改變的情況下。因此，可能存在對(duì)在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方面，尤其是在葉輪葉片形狀的設(shè)計(jì)方面提出的改變的阻力。因此，需要副流的問(wèn)題的解決方案，其更容易接受以用于集成到新的和既存的葉輪葉片設(shè)計(jì)中，且還可維持給定葉輪葉片設(shè)計(jì)的總體形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)一個(gè)示范實(shí)施例，葉輪包括具有旋轉(zhuǎn)方向的轂、從轂延伸的多個(gè)葉輪葉片，各葉片具有下游端、上游端、面對(duì)轂的旋轉(zhuǎn)方向的前表面、和與轂的旋轉(zhuǎn)方向相反地面對(duì)的后表面。葉輪還包括朝多個(gè)葉輪葉片中的至少一個(gè)的下游端和上游端延伸的副流縮減器，該副流縮減器限定與多個(gè)葉輪葉片中的至少一個(gè)的前表面和后表面中的一個(gè)相交的第一和第二表面。副流縮減器還限定在第一和第二表面之間的第三表面。
[0008]根據(jù)另一示范實(shí)施例，一種渦輪機(jī)械包括:轉(zhuǎn)子組件，其包括至少一個(gè)葉輪;軸承，其連接于，且用于支撐該轉(zhuǎn)子組件;和定子。該至少一個(gè)葉輪包括轂，該轂具有多個(gè)葉輪葉片。葉輪葉片中的至少一個(gè)包括多個(gè)肋，以用于縮減接近該至少一個(gè)葉輪葉片的副流。
[0009]根據(jù)圖另一示范實(shí)施例，構(gòu)造葉輪葉片表面以提供縮減的副流的方法可包括以下步驟:確認(rèn)葉輪葉片表面的理想流線和與流線一致地將肋添加至葉片表面，該肋限定與表面相交的第一和第二表面，且限定第一和第二表面之間的第三表面。
【附圖說(shuō)明】
[0010]并入本說(shuō)明書(shū)中并組成其一部分的附圖示出了一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例，并與說(shuō)明一起用來(lái)解釋這些實(shí)施例。在圖中:
圖1示出示范離心壓縮機(jī)。
[0011]圖2示出圖1的離心壓縮機(jī)的示范葉輪。圖3示出圖2所示的葉輪的截面圖。
[0012]圖4示出根據(jù)示范實(shí)施例的圖2和3所示的葉輪的葉輪葉片，其包括副流縮減器。
[0013]圖5示出根據(jù)圖4的示范實(shí)施例的用于包括副流縮減器的葉輪的與常規(guī)葉輪相比的損耗系數(shù)圖。
[0014]圖6示出圖4的葉輪的功系數(shù)和流量系數(shù)圖。
[0015]圖7示出圖4的葉輪的與常規(guī)葉輪相比的流動(dòng)角度與葉片跨度圖。
[0016]圖8示出沒(méi)有副流縮減器的葉輪的出口處的過(guò)程流體流渦度。
[0017]圖9示出具有副流縮減器的葉輪的出口處的過(guò)程流體流渦度。
[0018]圖10示出沒(méi)有副流縮減器的葉輪葉片上的流線。
[0019]圖11示出具有副流縮減器的葉輪葉片上的流線。
[0020]圖12示出圖4所示的副流縮減器的部分截面圖。
[0021]圖13示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0022]圖14示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0023]圖15示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0024]圖16示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0025]圖17示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0026]圖18示出另一示范實(shí)施例的部分截面圖。
[0027]圖19是根據(jù)示范實(shí)施例的流程圖，其例示了一種構(gòu)造葉輪葉片表面，以抵抗副流的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0028]示范實(shí)施例的下列描述參照附圖。在不同的附圖中的相同的標(biāo)號(hào)等同于相同或相似的元件。下列詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。而是，本發(fā)明的范圍通過(guò)所附權(quán)利要求而限定。以下實(shí)施例出于簡(jiǎn)要原因，論及具有定子和轉(zhuǎn)子的渦輪機(jī)械的用語(yǔ)和結(jié)構(gòu)。然而，接下來(lái)論述的實(shí)施例不限于這些示范系統(tǒng)，而是可應(yīng)用于其他系統(tǒng)。
[0029]遍及說(shuō)明書(shū)對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、或“實(shí)施例”的引用指的是與實(shí)施例結(jié)合地描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在公開(kāi)的主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”的在遍及說(shuō)明書(shū)的各種位置中的出現(xiàn)不一定指相同的實(shí)施例。而且，具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中。
[0030]為了提供根據(jù)這些實(shí)施例的用于與壓縮機(jī)內(nèi)的副流的縮減相關(guān)的以下論述的一些情境，圖1示意地例示了多級(jí)、離心壓縮機(jī)40，其中葉輪46用于壓縮過(guò)程中。在其中，壓縮機(jī)40包括盒或外罩(定子)42，在其內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)軸44，該旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)軸44設(shè)有多個(gè)離心轉(zhuǎn)子或葉輪46。轉(zhuǎn)子組件48包括軸44和轉(zhuǎn)子46且通過(guò)軸承50徑向地且軸向地得到支撐，軸承50配置在轉(zhuǎn)子組件48的任一側(cè)上。
[0031]多級(jí)離心壓縮機(jī)操作以從管道入口52獲取輸入過(guò)程氣體，以通過(guò)轉(zhuǎn)子組件48的操作來(lái)加速過(guò)程氣體粒子，且隨后通過(guò)各種級(jí)間管道54在比過(guò)程氣體的輸入壓力高的輸出壓力下輸送過(guò)程氣體。過(guò)程氣體例如可為以下中的任一種:二氧化碳、硫化氫、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然氣、或它們的組合。在葉輪46與軸承50之間，提供密封系統(tǒng)(未示出)以防止過(guò)程氣體流到軸承50。外罩42構(gòu)造為以便覆蓋軸承50和密封系統(tǒng)二者，以便防止氣體從尚心壓縮機(jī)40逸出。
[0032]在圖2和3中提供更詳細(xì)，但僅是示范性的，葉輪46的例示。在其中，可看出，葉輪46具有多個(gè)葉輪葉片60，它們從轂62延伸到圍帶64。各葉輪葉片60包括上游端68，、下游端72、前表面74(圖3)、和后表面76(圖3)。
[0033]在圖1的示范實(shí)施例中示出一對(duì)葉輪葉片60的后表面76的詳細(xì)視圖。各后表面76包括多個(gè)副流縮減器80，它們朝各葉輪葉片60的下游端72(圖2)和上游端68(圖2)延伸。
[0034]如圖4所示，副流縮減器80可與彼此以及與轂60和圍帶64同等地間隔。而且，各副流縮減器80可在葉片60的后表面76上與上游端68間隔的位置處終止。如圖4中進(jìn)一步示出的，各副流縮減器80還可包括錐形部分96，該錐形部分96逐漸變細(xì)直到后表面76上的該終止位置。
[0035]如可從圖4進(jìn)一步明白的，各副流縮減器80可與行進(jìn)跨過(guò)表面76的過(guò)程流體的理想流線一致或遵循其。理想流線可在理論上、通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察、或其他標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。例如，在既存的葉輪設(shè)計(jì)應(yīng)用中，理想流線可通過(guò)在葉片表面76上形成與葉片60和護(hù)罩64的相交符合的線來(lái)確定。理想流線還可在設(shè)計(jì)過(guò)程期間使用流動(dòng)方程來(lái)確定，該流動(dòng)方程例如在U.S.專(zhuān)利號(hào)N0.6，654，710中公開(kāi)，該專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用而并入本文中。此外，理想流線這個(gè)用語(yǔ)當(dāng)用在本文中時(shí)可指以下流線，該流線基本上平行于與葉輪葉片的端壁相關(guān)的線。
[0036]流線可相對(duì)于相同表面上的其他流線而言是獨(dú)特的，例如，接近轂62的流線可與接近護(hù)罩64的流線不同。如另一示例一樣，單個(gè)副流縮減器80可限定多于單個(gè)的流線，例如，副流縮減器80可分支成兩個(gè)互連的流線。
[0037]圖4中的副流縮減器80構(gòu)造成抑制過(guò)程流體在轂62與護(hù)罩64之間的迀移，其可為葉片60上的副流邊界層的一部分。各副流縮減器80還構(gòu)造成在副流縮減器80之間使過(guò)程流體流成漏斗狀和/或集中。所得的增強(qiáng)的流的特征可不僅在于縮減的副流，還可在于葉輪葉片60的下游端72處的更大的流動(dòng)均勻性。
[0038]在涉及包括圖4所示的示范副流縮減器的葉輪葉片60的模擬操作的測(cè)試中，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)性能的提高。圖5示出了通過(guò)包括副流縮減器80的葉片60實(shí)現(xiàn)的損耗系數(shù)的線圖84以及沒(méi)有副