[发明专利]带可变角度导流器的涡轮机

说明书

本发明一般涉及诸如离心与混流泵、鼓风机及压缩机等涡轮机，并具体涉及具有可变角度导流器的涡轮机。

当传统的离心与混流泵在低于泵的设计流量的流量上工作时，会在诸如叶轮与扩散器等处出现气流分离而导致压力上升率降低而在管道系统中产生诸如称作“喘振”现象的不稳定性而使工作不能进行。

解决这些问题的传统方法为提供旁通管道系统(鼓风机与压缩机的排出管)，从而当泵的低流量威肋到泵的工作的稳定性时，便可打开一条旁通管来维持对泵的流量以维持稳定的工作并减少对设备的流量。

然而，按照这一方法，必须事先估计在泵的工作中导致不稳定性的流量，并在达到这一流量时采取步骤来打开旁通管的阀门。因此，按照这一方法，除非精确地知道导致不稳定性的流量，便不能精确地控制整个流体系统。此外，为了适当地控制整个流体系统，有必要准确地知道涡轮机在泵的各种转速上的工作特性。因此，如果工作中包含泵的转速的连续改变，这种控制技术便不能跟上泵工作的变化状况。

再者，即使通过启动旁通管上的阀门而避免了不稳定性点，泵本身的工作状况并不改变而使泵低效率地工作，从而出现能量消耗中的浪费。此外，这种方法需要装设旁通管与阀门，从而提高了系统的成本。

本发明是鉴于现有技术中的这些问题而作出的，其目的为提供一种具有可变角度扩散器叶片的涡轮机，这种涡轮机能通过防止由设备在低于设计流量的流量上工作而导致的不稳定现象而在广范围的流量上工作。

这一目的是在包括下述部件的涡轮机中达到的：一个叶轮，用于将能量提供给一种流体介质并将该流体介质送至一个扩散器；设置在一个扩散器上的具有可变角度叶片的扩散器叶片，用于提高该流体介质的流体压力；一个转动器，用于驱动所述扩散器叶片；一个流量检测器，用于检测进口流量，其中扩散器叶片的工作角度是根据进口流量与扩散器叶片角之间的预定关系从流量检测器检测到的进口流量中确定的，并操作一个控制器来驱动该转动器将所述扩散器叶片定位在所述工作角度上。

按照该涡轮机，叶轮可在低于设计流量的流量上将流体介质驱入扩散器中。涡轮机检测到达涡轮机的进口流量，并根据进口流量与扩散器叶片角之间的预定关系在扩散器叶片上确定与设置最佳叶片角。因此，该设备即使在低于设备的设计流量的流量上也能工作。

本发明的这一特征是基于下述考虑的。

图1示出靠近涡轮机(压缩机)的叶轮出口的流体流。流出叶轮2的流的流向是用标记为A(在设计流量上)、B(在低流量上)及C(在高流量上)的三个箭头表示的。从这一图中可清楚地看出，在设计流量以外的流量上，相对于扩散器叶片的朝向，存在着流体流的导向偏差。在高流量C上，流体流在扩散器3的扩散器叶片3a的压力面上具有负的入射角；而在低流量上，它在扩散器叶片3a的吸力面上具有正的入射角。这一条件产生气流分离，从而引发图2中所示的状况，即扩散器损耗在高于与低于设计流量的流量上都会增加。当流量太低时，便开始不稳定，如果流量仍继续降低，便会出现喘振。喘振在管道系统中诱发流体压力的极大变化，终于导致泵不能工作。

这一问题可通过使扩散器的叶片角可变化而加以解决，并且如果将叶片角调整到适应叶轮的出口流的流角，例如图1中箭头B，则即使到达极低的流量，也能减少扩散器损耗，如图2中的虚线所示。因此，避免了不稳定性的发生，从而使泵能在低流量上平稳地工作并改进泵的整体性能，如图3中虚线所示。

根据对扩散器叶片的效率的当前研究，叶轮出口区中的扩散器叶片的最佳角度相对于叶轮的无量纲进口流量是大致上线性的，如图4中所示。已经证实，通过控制扩散器叶片角，直到零流量都能避免喘振现象。

对于泵而言，不同转速上的流量与扩散器叶片角之间的关系可用一条直线(图4中N1)来近似表示。对于压缩机而言，不同转速上的流量与扩散器角之间的关系取决于转速。如图4中所示，在不同的速度N2，…，N4上，由于气体的可压缩性而有各不相同的线性关系。这些线的斜率可用实验结果或通过假设叶轮出口处的一定条件而计算出。

从这些结果中可以看出，如果能够在工作状态下找出泵的无量纲进口流量，则对于任何类型的涡轮机都能找出适应这一流量的一个最佳扩散器叶片角。

结果，通过利用无量纲原始进口流量并从中得出扩散器叶片角，并确定一个最佳扩散器叶片角及利用一个控制器来调整扩散器叶片角而将这一角度设定在扩散器叶片上，便有可能避免喘振的发作而提供涡轮机的平稳工作。