专利名称：使用可拆卸叶片的扩散器的制作方法
使用可拆卸叶片的扩散器相关串请案的交叉参考本申请案主张2010年7月19日申请的题为“使用可拆卸叶片的扩散器(DiffuserUsing Detachable Vanes) ”的第12/839，290号美国非临时专利申请案的优先权，所述美国非临时专利申请案以全文引用方式并入本文。
背景技术：
此章节旨在向读者介绍可能与下文描述和/或主张的本发明的各个方面相关的现有技术的各个方面。此论述据信有助于向读者提供背景信息以促进对本发明的各个方面的更好理解。因此，应了解，应鉴于此而阅读这些陈述，而非作为对现有技术的认可。可采用离心压缩机来提供用于各种应用的加压流体流。这些压缩机通常包含叶轮，所述叶轮由电动机、内燃机或经配置以提供旋转输出的另一驱动单元驱动以旋转。在叶轮旋转时，在轴向方向上进入的流体被加速且在圆周和径向方向上排出。高速率流体随后进入扩散器，所述扩散器将速位差转换为压位差(即，减小流速且增加流动压力)。以此方式，离心压缩机产生高压流体输出。然而，在现有扩散器中在性能与效率之间存在折中。
当参考附图阅读以下详细描述时将更好地了解本发明的各种特征、方面和优点，在附图中，相同字符在诸图中表示相同部分，其中图1是采用具有可拆卸叶片的扩散器的压缩机系统的示范性实施例的透视图；图2是图1的压缩机系统内的第一压缩机级的示范性实施例的横截面图；图3是说明图1的压缩机系统的某些组件的分解图；图4是包含扩散器叶片的离心压缩机组件的透视图，所述扩散器叶片具有恒定厚度区段且具有特定轮廓以匹配叶轮的流动特性；图5是如图4所示的离心压缩机扩散器的局部轴向视图，描绘通过扩散器的流体流；图6是如图4所示的离心压缩机扩散器的经向视图，描绘扩散器叶片轮廓；图7是沿着图6的线7-7截取的扩散器叶片轮廓的俯视图；图8是沿着图6的线8-8截取的扩散器叶片的横截面；图9是沿着图6的线9-9截取的扩散器叶片的横截面；图10是沿着图6的线10-10截取的扩散器叶片的横截面；图11是如图4所示的可采用扩散器叶片的离心压缩机的效率对流动速率的曲线图；图12是扩散器板和扩散器叶片的局部分解透视图，所述扩散器叶片经配置以经由扣件和定位销而附接到扩散器板；图13是图12的扩散器叶片的仰视图；图14是图12的扩散器板的仰视图15是附接到图12的扩散器板的扩散器叶片的侧视图，说明处于适当位置的扣件和定位销；图16是扩散器板和经配置以附接到扩散器板的带突出部的扩散器叶片的局部分解透视图；图17是图16的附接到扩散器板的带突出部的扩散器叶片的侧视图，说明将扩散器叶片的突出部固持在扩散器板的凹槽内的适当位置的扣件；图18是扩散器板和具有凹入凹口的带突出部的扩散器叶片的局部分解透视图；图19是插入图18的扩散器板的凹槽中的带突出部的扩散器叶片的俯视图；以及图20是图18和19的扩散器板和带突出部的扩散器叶片的局部分解透视图，说明用于填充凹槽中在带突出部的扩散器叶片旁边的开放空间的嵌件。
具体实施例方式下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。这些所描述的实施例仅示范本发明。另外，为提供对这些示范性实施例的简明描述，说明书中可能不描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发过程中，如任何工程或设计规划中，必须作出大量实施方案特定的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，所述目标可在实施方案间变化。此外，应了解，此开发尝试可能较复杂且耗时，但对于受益于本发明的一般技术人员来说仍然将是设计、制作和制造的常规任务。在某些配置中，扩散器包含经配置以增强扩散器效率的一系列叶片。某些扩散器可包含三维机翼型叶片或二维叶栅型叶片。机翼型叶片提供较大的最大效率，但在涌流和扼流状况内性能减小。相反，叶栅型叶片提供增强的涌流和扼流性能，但导致与机翼型叶片相比减小的最大效率。本发明的实施例可通过采用三维非机翼型扩散器叶片来增加扩散器效率且减少涌流和扼流损失，所述扩散器叶片经特定配置以匹配来自叶轮的流量变化。在某些实施例中，每一扩散器叶片包含锥形前缘、锥形后缘以及在前缘与后缘之间延伸的恒定厚度区段。所述恒定厚度区段的长度可大于扩散器叶片的弦长度的大约50%。前缘的曲率半径、后缘的曲率半径以及弦长度可经配置以沿着扩散器叶片的跨度而变化。以此方式，扩散器叶片可经特定调整以补偿来自叶轮的轴向流量变化。在另外的配置中，扩散器叶片的外倾角也可经配置以沿着所述跨度而变化。其它实施例可使得扩散器叶片的前缘和/或后缘的圆周位置能够沿着叶片的跨度而变化。此调整可促进非机翼型叶片配置，其经调整以符合特定叶轮的流动性质，进而增加效率且减小涌流和扼流损失。然而，本文描述的三维扩散器叶片可能不是特别适合于使用常规五轴(例如，X、y、z、旋转和倾斜)加工技术来制造。特定来说，扩散器叶片的复合三维轮廓可能难以使用通常涉及二维轮廓的直通压出的常规技术来加工。因此，如下文更详细描述，扩散器叶片可被设计为可从扩散器板拆卸，从而使得可拆卸扩散器叶片能够与扩散器板分开加工。然而，在其中可拆卸扩散器叶片与扩散器板分开制造的所揭示实施例中，可拆卸扩散器叶片可在加工之后附接到扩散器板。如下文描述，在某些实施例中，可拆卸扩散器叶片可经配置以使用各种扣件和定位销来附接到扩散器板。在其它实施例中，可拆卸扩散器叶片可具有带突出部的末端，其经配置以插入到扩散器板上的凹槽中。在又其它实施例中，这些突出部/凹槽实施例可扩展到包含扩散器板中的狭槽，带突出部的扩散器叶片在附接之前可滑动到所述狭槽中。图1是采用具有可拆卸叶片的扩散器的压缩机系统10的示范性实施例的透视图。压缩机系统10通常经配置以在各种应用中压缩气体。举例来说，压缩机系统10可用于涉及汽车工业、电子器件工业、航空工业、油气工业、发电工业、石化工业和类似工业的应用中。另外，压缩机系统10可用以压缩可能含有某些腐蚀性元素的填埋气体。举例来说，填埋气体可能含有碳酸、硫酸、二氧化碳等等。大体上，压缩机系统10包含一个或多个离心气体压缩机，其经配置以增加进入气体的压力(例如，压缩)。更具体来说，所描绘的实施例包含由得克萨斯州的CameronofHouston制造的Turbo-Air 9000。然而,其它离心压缩机系统可采用具有可拆卸叶片的扩散器。在一些实施例中，压缩机系统10包含大约150到大约3，000马力(hp)的额定功率、大约80到150磅/平方英寸(psig)的排放压力，以及大约600到15，000立方英尺/分钟(cfm)的输出容量。虽然所说明的实施例仅包含许多压缩机布置中的可采用具有可拆卸叶片的扩散器的一个布置，但压缩机系统10的其它实施例可包含各种压缩机布置和操作参数。举例来说，压缩机系统10可包含不同类型的压缩机、适用于具有较低输出容量和/或较低压力差的应用的较低额定马力，适用于具有较高输出容量和/或较高压力差的应用的较闻额定马力，等等。在所说明的实施例中，压缩机系统10包含控制面板12、驱动单元14、压缩机单元16、中间冷却器18、润滑系统20以及共同基底22。共同基底22大体上使压缩机系统10的组装和安装简化。举例来说，控制面板12、驱动单元14、压缩机单元16、中间冷却器18以及润滑系统20耦合到共同基底22。这实现了压缩机系统10作为预组装和/或在现场组装的模块化组件的安装和组装。控制面板12包含经配置以监视和调节压缩机系统10的操作的各种装置和控制件。举例来说，在一个实施例中，控制面板12包含用以控制系统功率的开关，和/或指示压缩机系统10的操作参数的许多装置(例如，液晶显示器和/或发光二极管)。在其它实施例中，控制面板12包含高级功能性，例如可编程逻辑控制器(PLC)或类似物。驱动单元14大体上包含经配置以对压缩机系统10提供原动力的装置。驱动单元14用以提供能量，通常呈旋转驱动单元轴的形式，用以压缩进入气体。大体上，旋转驱动单元轴稱合到压缩机单元16的内部工件,且驱动单元轴的旋转转换为叶轮的旋转,从而压缩进入入气体。在所说明的实施例中，驱动单元14包含电动机，所述电动机经配置以对驱动单元轴提供旋转力矩。在其它实施例中，驱动单元14可包含其它原动装置，例如压燃式(例如，柴油)引擎、火花点燃式(例如，内部气体燃烧)引擎、燃气轮机或类似装置。压缩机单元16通常包含耦合到驱动单元轴的变速箱24。变速箱24通常包含用以将来自驱动单元14的原动力(例如，驱动单元轴的旋转)分配到压缩机级的叶轮的各种机构。举例来说，在系统10的操作中，驱动单元轴的旋转经由内部传动装置递送到第一压缩机级26、第二压缩机级28和第三压缩机级30的各种叶轮。在所说明的实施例中，变速箱24的内部传动装置通常包含耦合到驱动轴的大齿轮，其将旋转力矩递送到叶轮。将了解，此系统(例如，其中驱动单元14间接耦合到将旋转力矩递送到叶轮的驱动轴)一般称为间接驱动系统。在某些实施例中，间接驱动系统可包含一个或多个齿轮(例如，变速箱24)、离合器、变速器、皮带驱动器(例如，皮带和滑轮)或任何其它间接耦合技术。然而，压缩机系统10的另一实施例可包含直接驱动系统。在采用直接驱动系统的实施例中，变速箱24和驱动单元14可基本上集成到压缩机单元16中以对驱动轴直接提供力矩。举例来说，在直接驱动系统中，原动装置(例如，电动机)围绕驱动轴，进而直接(例如，无中间传动装置)对驱动轴赋予力矩。因此，在采用直接驱动系统的实施例中，可采用多个电动机来驱动压缩机单元16的每一级中的一个或多个驱动轴和叶轮。变速箱24包含使系统10的可靠性增加且维护得以简化的特征。举例来说，变速箱24可包含用于增强性能的一体式铸造多级设计。换句话说，变速箱24可包含将所有三个卷轴包含在内的单次铸造，这有助于减少通常与系统10相关联的组装和维护问题。此外，变速箱24可包含水平裂口盖，便于移除和检查安置在变速箱24内部的组件。如上文简明地论述，压缩机单元16大体上包含一个或多个级，以连续地压缩进入气体。举例来说，在所说明的实施例中，压缩机单元16包含三个压缩级(例如，三级压缩机)，包含第一级压缩机26、第二级压缩机28以及第三级压缩机30。压缩机级26、28和30中的每一者包含一个离心卷轴，所述离心卷轴包含容纳气体叶轮和相关联的具有可拆卸叶片的扩散器的外壳。在操作中，进入气体循序地传递到每一压缩机级26、28和30中，之后开始在升高的压力下排放。系统10的操作包含经由压缩机入口 32且在箭头34的方向上将气体吸入第一级压缩机26。如所说明，压缩机单元16还包含导向叶片36。导向叶片36包含叶片和其它机构，用以在气体流进入第一压缩机级26时引导气体流。举例来说，导向叶片36可使进入的空气流在与第一压缩机级26的叶轮相同的方向上做漩涡运动，进而帮助减少用以压缩进入气体的在叶轮处的工作输入。在经由压缩机入口 32将气体吸入系统10中之后，第一级压缩机26进行压缩且经由第一管道38排放经压缩气体。第一管道38将经压缩气体引到中间冷却器18的第一级40中。从第一压缩机级26排出的经压缩气体被引导通过第一级中间冷却器40且经由第二管道42从中间冷却器18排放。大体上，中间冷却器18的每一级都包含用以冷却经压缩气体的热交换系统。在一个实施例中，中间冷却器18包含管中水设计，其在经压缩气体经过中间冷却器18内部的热交换元件时有效地从经压缩气体移除热。在每一压缩机级之后提供中间冷却器级以降低气体温度且改善每一后续压缩级的效率。举例来说，在所说明的实施例中，第二管道42将经压缩气体引到第二压缩机级28和中间冷却器18的第二级44中，之后将气体引到第三压缩机级30。在第三级30压缩气体之后，经压缩气体经由压缩机排放口 46排放。在所说明的实施例中，经压缩气体从第三级压缩机30弓丨到排放口 46，而无中间冷却步骤(例如，经过第三中间冷却器级)。然而，压缩机系统10的其它实施例可包含第三中间冷却器级或类似装置，其经配置以在经压缩气体退出第三压缩机级30时冷却经压缩气体。此外，额外管道可耦合到排放口 46以有效地导引经压缩气体以用于所需应用(例如，干燥应用)。图2是图1的压缩机系统10内的第一压缩机级26的示范性实施例的横截面图。然而，第一压缩机级26的组件仅说明压缩机级26、28和30中的任一者，且可能事实上指示单级压缩机系统10中的组件。如图2中说明，第一压缩机级26可包含叶轮48、密封组合件50、轴承组合件52、轴承组合件52内的两个轴承54，以及小齿轮轴56，还有其它装置。大体上，密封组合件50和轴承组合件52驻留在变速箱24内。两个轴承54为小齿轮轴56提供支撑，小齿轮轴56驱动叶轮48的旋转。在某些实施例中，由图1的驱动单元14驱动的驱动轴58可用以使大齿轮60围绕中心轴线62旋转。大齿轮60可经由小齿轮啮合件64与第一压缩机级26的小齿轮轴56啮合。事实上，大齿轮60也可经由小齿轮啮合件64与同第二和第三压缩机级28、30相关联的另一小齿轮轴啮合。大齿轮60围绕中心轴线62的旋转可致使小齿轮轴56围绕第一级轴线66旋转，从而致使叶轮48围绕第一级轴线66旋转。如上文论述，气体可进入压缩机入口 32，如箭头34说明。叶轮48的旋转致使气体被压缩且在径向引导，如箭头68说明。在经压缩气体经由卷轴70退出时，经压缩气体被弓I导经过扩散器72，扩散器72将来自叶轮48的高速流体流转换成高压流(例如，将动力位差转换为压位差)。图3是说明图1的压缩机系统10的某些组件的分解图。特定来说，图3说明从压缩机入口 32移除的第一压缩机级26的入口组合件74以及具有围绕扩散器48在径向上定位的可拆卸叶片76的扩散器72，如所说明，扩散器48附接到小齿轮轴56。另外，还说明轴承组合件52的轴承54。如上描述，在小齿轮轴56致使扩散器48旋转时，经由入口组合件74进入的气体将由扩散器48压缩且经由第一压缩机级26的第一管道38排放。在经由第一管道38排放之前，经压缩气体被引导经过扩散器72。图4是经配置以输出加压流体流的离心压缩机系统10组件的透视图。具体来说，离心压缩机系统10包含具有多个翼片78的叶轮48。在叶轮48被外部源(例如，电动机、内燃机等)驱动以旋转时，进入翼片78的可压缩流体朝向围绕叶轮48安置的扩散器72加速。在某些实施例中，护罩(未图示)定位为直接邻近于扩散器72，且用以将来自叶轮48的流体流引导到扩散器72。扩散器72经配置以将来自叶轮48的高速流体流转换为高压流(例如，将动力位差转换为压位差)。在本实施例中，扩散器72包含扩散器叶片76，其以环形配置耦合到板80。叶片76经配置以增加扩散器效率。如下文详细论述，每一叶片76包含前缘区段、后缘区段以及在前缘区段与后缘区段之间延伸的恒定厚度区段，进而形成非机翼型叶片76。叶片76的性质经配置以建立尤其匹配从叶轮48排出的流体流的三维布置。通过使三维非机翼型叶片76的轮廓符合叶轮退出流，扩散器72的效率与二维叶栅扩散器相比可增加。另外，涌流和扼流损失与三维机翼型扩散器相比可减少。图5是扩散器72的局部轴向视图，展示从叶轮48排出的流体流。如所说明，每一叶片76包含前缘82和后缘84。如下文详细论述，来自叶轮48的流体流从前缘82流到后缘84，进而将动压力(S卩，流速)转换为静压力(即，加压流体)。在本实施例中，每一叶片76的前缘82被定向为相对于板80的圆周轴线88成角度86。圆周轴线88沿环形板80的弯曲而行。因此，O度角度86将导致前缘82大体上与板80的弯曲相切而定向。在某些实施例中，角度86可大约在O到60度、5到55度、10到50度、15到45度、15到40度、15到35度或约10到30度之间。在本实施例中，每一叶片76的角度86可在大约17到24度之间变化。然而，替代配置可采用相对于圆周轴线88具有不同定向的叶片76。如所说明，流体流90在圆周方向88和径向方向92上退出叶轮48。具体来说，流体流90被定向为相对于圆周轴线88成角度94。如将了解，角度94可基于叶轮配置、叶轮旋转速度和/或通过离心压缩机系统10的流动速率以及其它因素而变化。在本配置中，叶片76的角度86经特定配置以匹配来自叶轮48的流体流90的方向。如将了解，前缘角度86与流体流角度94之间的差可被界定为入射角。本实施例的叶片76经配置以大体上减少入射角，进而增加离心压缩机系统10的效率。如先前论述，叶片76以大体上环形布置围绕板80安置。叶片76之间沿着圆周方向88的间距96可经配置以提供速率位差到压位差的有效转换。在本配置中，叶片76之间的间距96大体上相等。然而，替代实施例可采用不均匀的翼片间距。每一叶片76包含压力表面98和吸力表面100。如将了解，在流体从前缘82流到后缘84时，在邻近于压力表面98处引起高压力区，且在邻近于吸力表面100处引起较低压力区。这些压力区影响来自叶轮48的流场，从而与无叶片的扩散器相比增加了流动稳定性和效率。在本实施例中，每一三维非机翼型叶片76经特定配置以匹配叶轮48的流动性质，从而在涌流和扼流状况内使效率增加且损失减小。图6是离心压缩机扩散器72的经向视图，展示扩散器叶片轮廓。每一叶片76沿着轴向方向102在板80与护罩(未图示)之间延伸，从而形成跨度104。具体来说，跨度104由护罩侧上的叶片尖端106和板侧上的叶片根部108界定。如下文详细论述，弦长度经配置以沿着叶片76的跨度104变化。弦长度是在沿着叶片76的特定轴向位置处在前缘82与后缘84之间的距离。举例来说，叶片尖端106的弦长度110可与叶片根部108的弦长度112不同。叶片76的一个轴向位置(即，沿着轴向方向102的位置)的弦长度可基于所述特定轴向位置处的流体流特性来选择。举例来说，计算机建模可确定来自叶轮48的流体速率在轴向方向102上变化。因此，每一轴向位置的弦长度可经特定选择以对应于入射流体速率。以此方式，叶片76的效率与其中弦长度沿着叶片76的跨度104保持大体上恒定的配置相比可增加。另外，前缘82和/或后缘84的圆周位置(即，沿着圆周方向88的位置)可经配置以沿着叶片76的跨度104而变化。如所说明，参考线114沿着轴向方向102从叶片尖端106的前缘82延伸到板80。前缘82沿着跨度104的圆周位置从参考线114偏移了一段可变距离116。换句话说，前缘82在圆周方向88上是可变的而不是恒定的。此配置建立了叶轮48与叶片76的前缘82之间沿着跨度104的可变距离。举例来说，基于来自叶轮48的流体流的计算机模拟，可为沿着跨度104的每一轴向位置选择特定距离116。以此方式，叶片76的效率与采用恒定距离116的配置相比可增加。在本实施例中，距离116随着距叶片尖端106的距离增加而增加。替代实施例可采用其它前缘轮廓，包含其中前缘82是沿着朝向叶轮48的方向延伸经过参考线114的布置。类似地，后缘84的圆周位置可经配置以沿着叶片76的跨度104而变化。如所说明，参考线118沿着轴向方向102从叶片根部108的后缘84延伸远离板80。后缘84沿着跨度104的圆周位置从参考线118偏移一段可变距离120。换句话说，后缘84在圆周方向88上是可变的而不是恒定的。此配置建立了叶轮48与叶片76的后缘84之间沿着跨度104的可变距离。举例来说，基于对来自叶轮48的流体流的计算机模拟，可为沿着跨度104的每一轴向位置选择特定距离120。以此方式，叶片76的效率与采用恒定距离120的配置相比可增加。在本实施例中，距离120随着距叶片根部108的距离增加而增加。替代实施例可采用其它后缘轮廓，包含其中后缘84是沿着远离叶轮48的方向延伸经过参考线118的布置。在另外实施例中，前缘82的径向位置和/或后缘84的径向位置可沿着扩散器叶片76的跨度104而变化。图7是沿着图6的线7-7截取的扩散器叶片轮廓的俯视图。如所说明，叶片76包含锥形前缘区段122、恒定厚度区段124以及锥形后缘区段126。恒定厚度区段124的厚度128在前缘区段122与后缘区段126之间大体上恒定。由于恒定厚度区段124，叶片76的轮廓与传统的机翼不符合。换句话说，叶片76可不被视为机翼型扩散器叶片。然而，类似于机翼型扩散器叶片，叶片76的参数可经特定配置以符合来自特定叶轮48的三维流体流，进而有效地将流体速率转换为流体压力。举例来说，如先前论述，叶片76的一个轴向位置(即，沿着轴向方向102的位置)的弦长度可基于所述轴向位置处的流动性质来选择。如所说明，可基于叶片76的尖端106处的来自叶轮48的流来配置叶片尖端106的弦长度110。类似地，锥形前缘区段122的长度130可基于对应轴向位置处的流动性质来选择。如所说明，锥形前缘区段122在恒定厚度区段124与前缘82之间建立一个收敛的几何形状。如将了解，对于锥形前缘区段122的基底132的给定厚度128，长度130可界定前缘82与恒定厚度区段124之间的斜率。举例来说，较长的前缘区段122可提供从前缘82到恒定厚度区段124的较逐渐的转变，而较短区段122可提供较突然的转变。另外，恒定厚度区段124的长度134和锥形后缘区段126的长度136可基于特定轴向位置处的流动性质来选择。类似于前缘区段122，后缘区段126的长度136可界定后缘84与基底138之间的斜率。换句话说，调整后缘区段126的长度136可提供后缘84周围的所需流动性质。如所说明，锥形后缘区段126在恒定厚度区段124与后缘84之间建立一个收敛几何形状。恒定厚度区段124的长度134可得自选择所需的弦长度110、所需的前缘区段长度130和所需的后缘区段长度136。具体来说，在已选择了长度130和136之后弦长度110的余数界定恒定厚度区段124的长度134。在某些配置中，恒定厚度区段124的长度134可大于弦长度110的大约50%、55%、60%、65%、70%、75%或更多。如下文详细论述，对于整个跨度104上的每一横截面轮廓，恒定厚度区段124的长度134与弦长度110之间的比率可大体上相等。此外，前缘82和/或后缘84可在锥形前缘区段122和/或锥形后缘区段126的尖端处包含弯曲轮廓。具体来说，前缘82的尖端可包含具有经配置以引导前缘84周围的流体流的曲率半径140的弯曲轮廓。如将了解，曲率半径140可影响锥形前缘区段122的斜率。举例来说，对于给定长度130，较大的曲率半径140可在前缘82与基底132之间建立较小的斜率，而较小的曲率半径140可建立较大斜率。类似地，可基于后缘84处的所计算的流动性质来选择后缘84的尖端的曲率半径142。在某些配置中，前缘82的曲率半径140可大于后缘84的曲率半径142。因此，锥形后缘区段126的长度136可大于锥形前缘区段122的长度130。可影响通过扩散器72的流体流的另一叶片性质是叶片76的曲度。如所说明，拱弧线144从前缘82延伸到后缘84，且界定叶片轮廓的中心(即，压力表面98与吸力表面100之间的中心线)。拱弧线144说明叶片76的弯曲轮廓。具体来说，前缘拱弧切线146从前缘82延伸且在前缘82处与拱弧线144相切。类似地，后缘拱弧切线148从后缘84延伸且在后缘84处与拱弧线144相切。外倾角150形成于切线146与切线148之间的相交处。如所说明，叶片76的曲率越大，外倾角150越大。因此，外倾角150提供对叶片76的曲率或曲度的有效测量。外倾角150可基于来自叶轮48的流动性质来选择以提供从动力位差到压位差的有效转换。举例来说，外倾角150可大于大约O度、5度、10度、15度、20度、25度、30度或更多度。外倾角150、前缘82的曲率半径140、后缘84的曲率半径142、锥形前缘区段122的长度130、恒定厚度区段124的长度134、锥形后缘区段126的长度136和/或弦长度110可沿着叶片76的跨度104而变化。具体来说，以上参数中的每一者可基于对应轴向位置处的所计算的流动性质来针对每一轴向横截面进行特定选择。以此方式，可构造三维叶片76 ( S卩，具有可变的横截面几何形状的叶片76)，其与二维叶片(即，具有恒定横截面几何形状的叶片)相比提供增加的效率。另外，如下文详细论述，采用这些叶片76的扩散器72可在整个宽范围的操作流动速率上维持效率。图8是沿着图6的线8-8截取的扩散器叶片76的横截面。类似于先前论述的轮廓，本叶片区段包含锥形前缘区段122、恒定厚度区段124和锥形后缘区段126。然而，这些区段的配置已经更改以符合对应于本区段的轴向位置处的流动性质。举例来说，本区段的弦长度152可与叶片尖端106的弦长度110不同。类似地，恒定厚度区段124的厚度154可与图7的区段的厚度128不同。此外，锥形前缘区段122的长度156、恒定厚度区段124的长度158和/或锥形后缘区段126的长度160可基于当前轴向位置处的流动性质而变化。然而，恒定厚度区段124的长度158与弦长度152的比率可大体上等于长度134与弦长度110的比率。换句话说，恒定厚度区段长度与弦长度比率可在叶片76的整个跨度104上保持大体上恒定。类似地，前缘82的曲率半径162、后缘84的曲率半径164和/或外倾角166可在所说明的区段与图7中所示的区段之间变化。举例来说，前缘82的曲率半径162可经特定选择以减少来自叶轮48的流体流与前缘82之间的入射角。如先前论述，来自叶轮48的流体流的角度可沿着轴向方向102变化。因为本实施例促进了对每一轴向位置(即，沿着轴向方向102的位置)处的曲率半径162的选择，所以入射角沿着叶片76的跨度104可大体上减少，进而与其中前缘82的曲率半径162在整个跨度104上保持大体上恒定的配置相比增加叶片76的效率。另外，因为来自叶轮48的流体流的速率可在轴向方向102上变化，所以调整曲率半径162和164、弦长度152、外倾角166或叶片76的每一轴向区段的其它参数可促进整个扩散器72的效率增加。图9是沿着图6的线9-9截取的扩散器叶片76的横截面。类似于图8的区段，本区段的轮廓经配置以匹配对应轴向位置处的流动性质。具体来说，本区段包含弦长度168、恒定厚度区段124的厚度170、前缘区段122的长度172、恒定厚度区段124的长度174以及后缘区段126的长度176，上述各参数可与图7和/或图8所示的区段的对应参数不同。另外，前缘82的曲率半径178、后缘84的曲率半径180和外倾角182也可针对当前轴向位置处的流动性质(例如，速率、入射角等)来特定配置。图10是沿着图6的 线10-10截取的扩散器叶片76的横截面。类似于图9的区段，本区段的轮廓经配置以匹配对应轴向位置处的流动性质。具体来说，本区段包含弦长度112、恒定厚度区段124的厚度184、前缘区段122的长度186、恒定厚度区段124的长度188以及后缘区段126的长度190，上述各参数可与图7、图8和/或图9所示的区段的对应参数不同。另外，前缘82的曲率半径192、后缘84的曲率半径194和外倾角196也可针对当前轴向位置处的流动性质(例如，速率、入射角等)来特定配置。在某些实施例中，每一轴向区段的轮廓可基于轴向平板到径向流动配置的二维变换来选择。此技术可涉及执行矩形坐标系中直线平板轮廓到曲线坐标系的径向平面中的保形变换，同时假定流是均匀的且在原始矩形坐标系内对准。在经变换的坐标系中，流表示对数螺旋形涡流。如果扩散器叶片76的前缘82和后缘84位于同一对数螺旋曲线上，那么扩散器叶片76不执行流的转向。可通过选择合适的外倾角来控制流的所需转向。矩形坐标系中的流均匀性的初始假设可经修改以涉及从叶轮48发出的实际不均匀的流场，进而改善计算的准确性。使用此技术，可选择前缘的曲率半径、后缘的曲率半径和/或外倾角以及其它参数，进而增加叶片76的效率。图11是可采用扩散器叶片76的实施例的离心压缩机系统10的效率对流动速率的曲线图。如所说明，水平轴198表示通过离心压缩机系统10的流动速率，垂直轴200表示效率(例如，等熵效率)，且曲线202表示离心压缩机系统10随着流动速率而变的效率。曲线202包含涌流区204、有效操作区206和扼流区208。如将了解，区206表示离心压缩机系统10的正常操作范围。当流动速率减小到低于有效范围时，离心压缩机系统10进入涌流区204，在涌流区204中经过扩散器叶片76的不足流体流会在离心压缩机系统10内引起失速流，进而减小压缩机效率。相反，当过量的流体流经过扩散器72时，扩散器72扼流，进而限制可经过叶片76的流体的量。如将了解，为了有效操作而配置叶片76包含增加有效操作区206内的效率以及减小涌流区204和扼流区208内的损失。如先前论述，三维机翼型叶片在有效操作区内提供高效率，但涌流和扼流区内的性能减小。相反，二维叶栅型扩散器使涌流和扼流区内的损失减小，但在有效操作区内具有减少的效率。本实施例通过使每一叶片76的轮廓匹配叶轮48的流动性质且包含恒定厚度区段124可使有效操作区206内的效率增加且涌流区204和扼流区208内的损失减小。举例来说，在某些实施例中，本叶片配置可提供与二维叶栅型扩散器大体上相等的涌流和扼流性能，同时将有效操作区内的效率增加大约1. 5%。扩散器叶片76通常制造为单件式扩散器。换句话说，扩散器叶片76和板80全部一体式磨制在一起。然而，使用如上描述的三维机翼型叶片76可能变为较难以使用常规五轴(例如，x、y、z、旋转和倾斜)加工技术来磨制。更具体来说，三维扩散器叶片72的较复杂轮廓与具有大体上均匀横截面轮廓的二维扩散器叶片相比相当难加工。因此，加工二维扩散器叶片仅需要直通压出，但这对于本文描述的三维扩散器叶片76可能无法实现。因此，三维扩散器叶片76可与扩散器板80分开加工，其中在扩散器叶片76和扩散器板80已个别加工之后个别扩散器叶片76才附接到扩散器板80。使用可拆卸叶片76不仅减少了加工三维形状的扩散器叶片76问题，而且减少或消除了倒角的存在，倒角是在两个加工表面(例如，扩散器叶片76和扩散器毂80)会合处产生的凹角。减少或消除倒角的存在出于空气动力学原因可为有利的。然而，扩散器叶片76和扩散器板80彼此分开加工导致扩散器叶片76分开地附接到扩散器板80。可拆卸扩散器叶片76可使用任何数目的合适扣紧技术来附接到扩散器板80。举例来说，图12是扩散器板80和扩散器叶片76的局部分解透视图，扩散器叶片76经配置以经由扣件210和定位销212附接到扩散器板80。如所说明，在某些实施例中，对于每一扩散器叶片76，扩散器板80可具有一个或多个扣件孔214，其一直延伸穿过扩散器板80。扣件210 (例如，螺钉、螺栓等等)可从扩散器板80的底侧216插入穿过相应的扣件孔214到达扩散器板80的顶侧218，从而将扩散器叶片76附接到扩散器板80。因此，在某些实施例中，扣件210可能未经配置以与扣件孔214内的螺纹配合。事实上，扣件210上的螺纹220的外径可大体上小于扣件孔214的内径，从而允许扣件210穿过相应的扣件孔214。然而，扣件210的螺纹220经配置以与延伸到扩散器叶片76的底侧224中的相应扣件孔222的内部螺纹配合。图13是图12的扩散器叶片76的仰视图。如所说明，扣件孔222延伸到扩散器叶片76的底侧224中。同样如所说明，一个或多个对准孔226可延伸到扩散器叶片76的底侧224中。在所说明的实施例中，对准孔226位于扣件孔222的分组的相反侧(例如，朝向扩散器叶片76的前缘82和朝向后缘84)上。然而，在其它实施例中，对准孔226可改为位于扣件孔222之间。实际上，扣件孔222和对准孔226可相对于彼此以任何模式来定位。现在返回到图12，对准孔226可经配置以与定位销212配合。另外，定位销212也可经配置以与扩散器板80的顶侧218中的对准孔228配合。然而，不同于扣件孔214，对准孔228未一直延伸穿过扩散器板80。事实上，对准孔228仅部分地延伸到扩散器板80的顶侧218中。因此，定位销212可用以使扩散器叶片76相对于扩散器板80对准。更具体来说，在某些实施例中，定位销212或对准孔226、228都将不会含有用于将扩散器叶片76直接附接到扩散器板80的螺纹。事实上，定位销212用以确保扩散器叶片76相对于扩散器板80保持在适当位置。在某些实施例中，定位销212可为光滑的圆柱形轴。然而，在其它实施例中，不同的几何形状可用于定位销212。另外，定位销212(以及本文描述的各种扣件)的形状可能并非全都彼此相同。举例来说，在某些实施例中，可朝向扩散器叶片76的前缘82使用较大的定位销212，而可朝向扩散器叶片76的后缘84使用较小的定位销212，或反之亦然，以确保扩散器叶片76的适当定向。大体上，扩散器板80中的扣件孔214和对准孔228与扩散器叶片76中的扣件孔222和对准孔226对准，从而促进扣件210和定位销212的插入。图14是图12的扩散器板80的仰视图。如所说明，对于每一扩散器叶片76，扩散器板80可具有一个或多个扣件孔214,其一直延伸穿过扩散器板80。另外,在某些实施例中，每一扣件孔214可与一个埋头扣件凹座230相关联，所述凹座接纳图12中说明的扣件210的相应头端232。因此，头端232可埋入凹座230中，与表面216齐平或低于表面216。延伸穿过扩散器板80和扩散器叶片76的扣件孔214、222的扣件210确保了扩散器叶片76保持直接附接到扩散器板80，而延伸穿过扩散器板80和扩散器叶片76的对准孔228、226的定位销212辅助了扩散器叶片76相对于扩散器板80的对准。举例来说，图15是图12的附接到扩散器板80的扩散器叶片76的侧视图，说明处于适当位置的扣件210和定位销212。应注意，虽然图12到15中说明为包含三个扣件210和两个定位销212，但对于每一扩散器叶片76可使用任何合适数目的扣件210和定位销212。举例来说，在某些实施例中，每扩散器叶片76可最少使用一个扣件210和一个定位销212，其中所述一个扣件210将相应扩散器叶片76附接到扩散器板80，且所述一个定位销212辅助相应扩散器叶片76相对于扩散器板80的对准。然而，在其它实施例中，可使用多个扣件210和多个定位销212，如图12到15中说明。举例来说，在某些实施例中，可使用1、2、3、4、5或更多个扣件210和1、2、3、4、5或更多个定位销212。另外，在某些实施例中，可不使用与扩散器叶片76分开的定位销212。事实上，定位销212可集成到扩散器叶片76的主体中。换句话说，扩散器叶片76可包含从扩散器叶片76的底侧224延伸的定位销212。另外，在其它实施例中，定位销212可直接与扩散器板80集成(例如，从扩散器板80加工而成)。此外，扩散器板80与扩散器叶片76之间的表面可为平坦或不平坦的。换句话说，在某些实施例中，扩散器板80与扩散器叶片76之间的表面可包含楔配合区段以促进连接(例如，阳/阴、V形、u形
坐坐')
寸寸/ ο实际上，图12到15中说明的实施例并非可使用的唯一附接类型。举例来说，图16是扩散器板80和经配置以附接到扩散器板80的带突出部的扩散器叶片76的局部分解透视图。更具体来说，扩散器叶片76包含突出部234，其经配置以与扩散器板80的顶侧218中的凹槽236配合。突出部234也可称为凸缘或唇缘。在所说明的实施例中，突出部234和凹槽236都是椭圆形的。然而，在其它实施例中，突出部234和凹槽236可包含其它形状，例如矩形、圆形、三角形等等。与上文相对于图12到15描述的实施例相反，突出部234和凹槽236的形状使扩散器叶片76相对于扩散器板80对准，进而减少对多个扣件和/或定位销的任何需要。换句话说，突出部234和凹槽236提供沿着表面218的横向对准和保持。虽然图16中说明为对称的，但在其它实施例中，突出部234和凹槽236的形状可为不对称的，以确保扩散器叶片76关于扩散器板80的适当定向。换句话说，突出部234可不对称地成形，使得其仅在适当对准于一个可能的安装定向上时配合到凹槽236中。实际上，如图16说明，可使用单个扣件238来在轴向上将突出部234固持于扩散器板80中的相应凹槽236内。更具体来说，扩散器叶片76的突出部234可包含扣件孔240，其一直穿过突出部234。扣件238 (例如，螺钉、螺栓等等)可从突出部234的顶侧242插入穿过扣件孔240到达突出部234的底侧244。在某些实施例中，扣件238未经配置以与扣件孔240内的螺纹配合。事实上，扣件238上的螺纹246的外径可大体上小于扣件孔240的内径，从而允许扣件穿过扣件孔240。然而，扣件238的螺纹246经配置以与扣件孔248的内部螺纹配合，扣件孔248延伸到扩散器板80中但不是一直穿过扩散器板80。图17是图16的附接到扩散器板80的带突出部的扩散器叶片76的侧视图，说明扣件238将扩散器叶片76的突出部234固持于扩散器板80的凹槽236内的适当位置。突出部234和凹槽236的配合表面可为平坦或不平坦的(例如，弯曲或有角度，例如V形、u形等等)以产生楔配合以帮助将突出部234和凹槽236固持在一起。虽然图16和17中说明为包含仅一个扣件238，但实际上可使用多个扣件238来将扩散器叶片76的突出部234固持于扩散器板80的凹槽236内的适当位置。举例来说,所使用的扣件238的数目可变化，且可包含1、2、3、4、5或更多个扣件238。图16和17中说明的实施例可扩展到使用狭槽，扩散器叶片76的突出部234可滑动到其中。举例来说，图18是扩散器板80和具有凹入凹口 250 (例如，u形凹口)的带突出部的扩散器叶片76的局部分解透视图。因此，扩散器叶片76的突出部234经配置以滑动到由延伸部254(例如，u形延伸部或唇缘)界定的狭槽252中，所述延伸部从扩散器板80的顶侧218延伸到由凹槽236界定的体积中。当突出部234滑动到由延伸部254界定的狭槽252中时，突出部234的凹入凹口 250可对接延伸部254。举例来说，图19是图18的插入扩散器板80的凹槽236中的带突出部的扩散器叶片76的俯视图。一旦带突出部的扩散器叶片76已插入到扩散器板80的凹槽236中，如图18中的箭头256说明，带突出部的扩散器叶片76便可滑动到由延伸部254界定的狭槽252中，如箭头258说明。更具体来说，扩散器叶片76的突出部234可滑动到扩散器板80的延伸部254与凹槽236之间的狭槽252中，使得延伸部254辅助带突出部的扩散器叶片76相对于扩散器板80的轴向对准。换句话说，延伸部254阻挡带突出部的扩散器叶片76在轴向上移动远离扩散器板80的表面。一旦带突出部的扩散器叶片76已经滑动到狭槽252中，穿过扩散器叶片76的突出部234的扣件孔240便将大体上与扩散器板80中的扣件孔248对准，使得扣件238可插入扣件孔240、248中，进而将带突出部的扩散器叶片76附接到扩散器板80。另外，凹槽236的侧面可阻挡带突出部的扩散器叶片76在大体径向方向上的移动，如箭头260、262说明。另外，一旦带突出部的扩散器叶片76已滑动到狭槽252中，嵌件264便可插入凹槽236中在带突出部的扩散器叶片76旁边的开放空间中。举例来说，图20是图18和19的扩散器板80和带突出部的扩散器叶片76的局部分解透视图，说明用于填充凹槽236中在带突出部的扩散器叶片76旁边的开放空间的嵌件264。如所说明，扣件266可插入穿过嵌件264中的扣件孔268且进入扩散器板80中的扣件孔270中以在凹槽236内在带突出部的扩散器叶片76旁边紧固嵌件264。因此，嵌件264可减少扩散器板80的表面218中的表面中断，进而改善空气动力学性能。上文相对于图12到19描述的实施例仅是示范性的且既定不是限制性的。举例来说，虽然说明为包含配合到扩散器板80的凹槽236中的带突出部的扩散器叶片76，但也可使用相反配置。换句话说，扩散器板80可包含从扩散器板80的表面延伸的突出部，其中所述突出部与扩散器叶片76的底部中的凹入凹槽配合。另外，可采用用于将可拆卸扩散器叶片76附接到扩散器板80的其它扣紧技术。举例来说，在某些实施例中，可拆卸扩散器叶片76可焊接或铜焊到扩散器板80。然而，在这些实施例中，焊接可能导致可拆卸扩散器叶片76与扩散器板80之间的倒角边缘。因此，可采用用于使焊接产生的倒角化最少的技术。举例来说，在某些实施例中，可拆卸扩散器叶片76可插入到扩散器板80中的凹入凹槽中，类似于上文所描述的，且焊接可在可拆卸扩散器叶片76与凹入凹槽之间的空间内完成，进而使焊接产生的倒角边缘最少。本文描述的可拆卸三维扩散器叶片76可显著减小扩散器72的加工过程的复杂性。举例来说，将三维扩散器叶片76设计为可拆卸扩散器叶片76使得每一个别扩散器叶片76能够与扩散器板80分开加工，而不是需要三维扩散器叶片76和扩散器板80被加工为单个扩散器72组件。因此，在加工过程期间经历的仅有复杂性是针对个别可拆卸三维扩散器叶片76的复杂性。另外，本文描述的附接技术使得可拆卸三维扩散器叶片76能够附接到扩散器板80，同时也减少扩散器叶片76与扩散器板80的对接边缘之间的倒角化的量。减少倒角化将增强扩散器72的空气动力学效率。虽然本发明可容许各种修改和替代形式，但已借助实例在图式中展示且已在本文中详细描述特定实施例。然而，应了解，本发明不希望限于所揭示的特定形式。事实上，本发明将涵盖落在如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代形式。
权利要求
1.一种系统，其包括 离心压缩机扩散器，其具有环形板和附接到所述环形板的多个可拆卸叶片，其中每一可拆卸叶片具有沿着所述可拆卸叶片的跨度变化的横截面轮廓。
2.根据权利要求1所述的系统，其中每一可拆卸叶片包括位于所述可拆卸叶片的底侧上的内螺纹扣件孔，所述环形板包括完全穿过所述环形板的无螺纹扣件孔，且所述系统包括延伸穿过所述无螺纹扣件孔且进入所述内螺纹扣件孔以将所述可拆卸叶片附接到所述环形板的外螺纹扣件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中每一可拆卸叶片与定位销相关联，所述定位销经配置以使所述可拆卸叶片相对于所述环形板对准。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述定位销与所述扩散器叶片的所述底侧成一体且从所述底侧延伸。
5.根据权利要求3所述的系统，其中每一扩散器叶片与两个或多个螺纹扣件和两个或多个定位销相关联。
6.根据权利要求1所述的系统，其中每一扩散器叶片包括位于所述可拆卸叶片的底侧上的突出部，且突出部板经配置以紧固地配合于所述环形板的顶侧中的凹槽内。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述突出部包括完全延伸穿过所述突出部的无螺纹扣件孔，所述环形板包括所述凹槽中的内螺纹扣件孔，且所述系统包括延伸穿过所述无螺纹扣件孔且进入所述内螺纹扣件孔以将所述突出部附接到所述环形板的外螺纹扣件。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述突出部包括位于所述突出部的顶侧上的凹口，且所述环形板包括经配置以与所述突出部上的所述凹口配合的延伸部。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述突出部经配置以在沿着所述环形板的所述顶侧的方向上滑动到所述环形板的所述延伸部与所述凹槽之间的狭槽中。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述突出部和所述凹槽都是椭圆形的。
11.一种系统，其包括 可拆卸离心压缩机扩散器叶片，其中所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片包括沿着所述可拆卸叶片的跨度变化的横截面轮廓。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片包括第一螺纹扣件，所述第一螺纹扣件经配置以与第二螺纹扣件配合以将所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片附接到离心压缩机扩散器板。
13.根据权利要求12所述的系统，其包括定位销，所述定位销使所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片相对于所述离心压缩机扩散器板对准。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述定位销从所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片的底侧延伸，且所述定位销经配置以与所述离心压缩机扩散器板的无螺纹对准孔配合。
15.根据权利要求11所述的系统，其中所述可拆卸离心压缩机扩散器叶片包括突出部，所述突出部经配置以紧固地配合在离心压缩机扩散器板的凹槽内。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述突出部包括位于所述突出部的顶侧上的凹口，所述凹口经配置以与从所述离心压缩机扩散器板的延伸部配合，且所述突出部经配置以在沿着所述离心压缩机扩散器板的顶面的方向上滑动到所述离心压缩机扩散器板的所述延伸部与所述凹槽之间的狭槽中。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述突出部是椭圆形的，所述凹口是u形的，且所述延伸部是u形的。
18.—种系统,其包括 离心压缩机，其包括离心压缩机扩散器，所述离心压缩机扩散器具有附接到扩散器板的多个可拆卸扩散器叶片。
19.根据权利要求18所述的系统，其中每一可拆卸扩散器叶片通过一个或多个螺纹扣件附接到所述扩散器板。
20.根据权利要求18所述的系统，其中每一可拆卸扩散器叶片包括突出部，所述突出部经配置以配合在所述扩散器板的凹槽内。
全文摘要
一种系统包含附接到离心压缩机的扩散器板(80)的多个可拆卸三维扩散器叶片(76)。在某些实施例中，所述可拆卸三维扩散器板(76)可使用螺纹扣件(210)附接到所述扩散器板(80)。另外，可使用定位销(212)来使所述可拆卸三维扩散器叶片(76)相对于所述扩散器板(80)对准。在其它实施例中，所述可拆卸三维扩散器叶片(76)可包含突出部(234)，所述突出部(234)经配置以紧固地配合在所述扩散器板(80)中的凹槽(236)内。另外，所述可拆卸三维扩散器叶片(76)的所述突出部(234)可包含与从所述扩散器板(80)延伸的延伸部(254)配合的凹口(250)，其中所述突出部(234)可滑动到所述扩散器板(80)的所述延伸部(254)与所述凹槽(236)之间的狭槽(252)中。
文档编号F04D29/44GK103003575SQ201180035469
公开日2013年3月27日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年7月19日
发明者N·布莱尔, C·F·赫尔, D·N·奥尼尔 申请人:卡梅伦国际有限公司