[发明专利]用于涡轮机的改进的涡管、包括所述涡管的涡轮机和操作的方法

说明书

描述了一种用于结合流体压缩机使用的涡管。涡管(13)包括适于接收流体流的流体入口(17)，以及适于排出流体流的流体出口(23)。涡管(13)还包括涡管形状的壁(19)，其限定内部流动体积(21)。至少一个叶片(15)设在涡管的内部流动体积(21)中。叶片(15)构造和布置成用于在涡管在非设计条件下操作时修正流动体积中的流体流的方向。

本发明的领域

本文公开的主题涉及对涡轮机的改进。更特别地，本文公开的主题涉及对用于涡轮机(诸如离心压缩机)的涡管或蜗壳的改进。

背景技术

压缩机在工业中且也在航空部门中的广泛种类的应用中使用。

压缩机通常包括一个或多个顺序地布置的级，每一个包括旋转叶轮和扩散器。气体流过叶轮且通过叶轮旋转而加速。气体的动能在扩散器中至少部分地转变为压力能。离开扩散器的气体返回到后续叶轮的入口。离开最末叶轮的扩散器的气体输送至蜗壳或涡管，其中压缩的气体聚集且传送至压缩机的出口。

图1示出了沿现有技术的多级离心压缩机100的旋转轴线A-A的剖面。压缩机包括壳101，转子103旋转地装载在其中。转子103包括轴105，叶轮107A-107G安装在其上。各个叶轮107A-107G继而与扩散器109A-190G组合。返回通道111A-111F布置在各个扩散器109A-109F下游。各个返回通道111A-111F将部分地压缩的气体从上游扩散器109返回至下游叶轮107的入口。

离开最末叶轮107G和最末扩散器109G的气体聚集在蜗壳或涡管113中，气体从其输送至压缩机出口(未示出)。

压缩机设计成在实现最大效率的设计点处或附近操作。当操作条件改变时，压缩机仍操作，例如处理较少或较大量的气体，但压缩机的总体效率降低。当在离设计点一定距离处操作时，效率的损耗由与气流的速度矢量的改变部分地联系的各种因素导致。

当离开扩散器109G的气体流率不同于设计流率时，在蜗壳或涡管113中也会特别导致损耗。离开叶轮107G的气体具有带有切向分量和径向分量的速度矢量。径向分量有助于气体在扩散器109G中的实际前进，而切向分量导致损耗。在蜗壳或涡管113中发生相反的情况，其中切向分量有助于气体穿过涡管朝出口的前进，而气体速度的轴向分量生成涡旋以及流中的必然损耗。

存在对涡轮机(诸如离心压缩机)的涡管或蜗壳的改进的需要，以便降低涡管的效率与涡轮机的操作条件的相关性，且具体而言在涡轮机远离设计点操作时减少损耗。

本发明的概要

根据第一方面，本公开涉及一种用于结合压缩机使用的涡管。涡管包括：适于接收流体流的流体入口和适于排出流体流的流体出口，以及限定内部流动体积(inner flowvolume，或称“内部流动空间”)的涡管形状的壁。流体可为干燥气体，或湿气体，即，包含少许例如为液滴的形式的液体。

根据本公开，涡管在其内部流动体积中设有至少一个叶片。叶片从涡管形状的壁凸起以用于在涡管在非设计条件下操作时修正所述流动体积中的流体流的方向。叶片有利地构造以便在流率变化时维持流动速度的轴向分量和切向分量之间的比率恒定，或至少减小由流率的变化引起的这种变化。因此使得涡管的效率较少取决于涡管的操作条件且因此较少取决于涡管布置在其中的压缩机的操作条件。如将从一些实施例的描述而变得显而易见的是，在涡管在非设计条件下操作时叶片修正流的方向，因此至少减少涡管中的速度方向相对于在设计点操作下的速度方向的偏移。

优选地，多个叶片沿涡管的延伸部设置，使得多个导向导叶随其限定。布置多个叶片改进了叶片在流体流方向上的影响。

根据另一方面，本公开涉及一种带有涡管的压缩机，诸如离心压缩机，涡管设有布置在其中且在涡管中限定导向导叶的一个或多个叶片，以降低由压缩机的非设计操作而导致的在涡管效率上的负面影响。