专利名称：压缩机工况区域稳定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离心式压缩机的工况区域稳定装置。该离心式压缩机包括一个进气通道，一个叶轮和一个出气区，叶轮设置在进气通道和出气区之间，并且通过叶轮的旋转将介质从进气通道输送到出气区，叶轮沿其轴线从进口直径到出口直径其外廓形状随围绕它的侧壁形状而变化，该工况区域稳定装置包括一个从进气通道延伸到轮廓壁的一个通气室，该通气室通过一个连接开口与进气通道中的主气流相通，并通过一个位于叶轮前缘和叶轮后缘之间的轮廓内壁处的连接开口与主气流相通。
当前增压发动机的发展趋势是向高中压发展，即使在低速时也是如此。而利用现有普通压缩机时，发动机的工况区域会非常接近喘振线，并在噪声区移动，部分超过喘振线。
为了改进这类马达的控制设备，压缩机所具有的特性应具有宽的工作区域和宽的高效率区。
为用现有设备来满足上述要求，在压缩机的进气通道中采用工况区域稳定(RS)级是非常有效的可行方法。
这种通气室形式的工况区域稳定装置是早已公知的。它们在作用在叶轮上的气流冲角是不正确的区域内运转。
这种工况区域稳定装置允许压缩机在这种临界工况点区域得以稳定工作，这是通过利用环形空间的缓冲容积来补偿这种扰动而实现的。如果扰动明显，在环形槽和循环空间之间发生环流。在喘振线区域内，叶轮受到具有越来越小的冲角的气流作用，此外叶轮中的压力也在上升。结果气流团被送回压缩机进气口。在叶轮前缘处吸入的气流比压缩机总体上送走的还多。导致这个工况点冲角的改善，而喘振线则向小流量偏移。叶轮前缘气流达到声速会引起阻塞极限。但在这时，由于压力的下降，且空气经由旁通管道送入叶轮，阻塞极限将向右偏移。工况区域稳定装置这两方面的作用就是或多或少地超出运行区域。理想的冲角及其调整是没有任何作用的。
利用连在不同轴向区域的旁通管路补偿压力和通过旁通管路平衡压力的技术是公知的，具体可参见DE-PS1428077。这种技术由于H·D·Henssler的概论文章的说明而得到进一步的发展(见Kühnle，Kopp&Kausch，VGBKraftwerkstechnik特刊1977年第57期第3号)。
有关工况区域稳定的最新装置的现有技术见EP-A348674，EP-B229519和GB-OS2220447。EP-B229519和GB-OS2220447公开了一种从气体进口直接导入前缘背面的旁通管路。通过通气室的流体用叶轮前缘前面经一开口到通气室的压差进行调节，该开口在下文中称为开口1。或用从通气室到叶处的一个开口的压差进行调节，该开口在下文中称为开口2。
其缺点是通气室的流动状态未同叶轮前缘前面的气体进口的流动状态直接联系。这样，只有槽用作调节的基本控制点。宽的槽或许能明显偏移阻塞极限，而在最佳工况区会明显降低效率。因此，这种结构受到可容许的效率下降的限制。
这些不利的性能在EP-A348674中是这样避免的，即其进、出口两者都几乎垂直于主气流。这样旁通管道就不会直接受到气流冲击。这就产生了由旁通管道进出口处的压差形成的旁通气流。
这种结构的缺点在于旁通管道两端都位于叶轮前面。这意味着旁通管道的压差在任何情况下都很小，因此这种结构仅在叶轮前面产生非常大的压力梯度时才有效。
然而，所希望的是稳定应尽早开始，因为这样稳定特性才能扩展到大排量区域。对于驱动发动机的正常工况点来说，这意味着在低速范围有较高的效率或较大范围的运转储备(在较高速范围的储备)。
现有装置的另一个缺点在于该工况稳定装置必须与压缩机类型相适应。压缩机叶片结构的差别，外形的变化以及扰动或喘振区域的位置和强度，造成至今还不能给出一个设计工况稳定装置的清楚的技术规则。至今也不能可靠地预测是否完全达到了一个工况稳定区域，并用它度量给定的压缩机中，尤其是离心式压缩机中的稳定程度。根据目前的技术状况，非常希望用很少数量的参数就能满足要求。
这些缺点导致了本发明任务的提出，即提供一种离心式压缩机的工况区域稳定装置，它可以扩宽其工作区域，而又不损失效率。
着眼于本说明书开始部分叙述的那种类型的工况区域稳定装置，这一任务是通过在现有的工况区域稳定装置的进气通道中设置了一个进气环，它限制主气流并复盖通气室，相对主气流大于一个距离来解决的。
按照上述特征，流体通过在进口区域起旁通管道作用的通气室，在内壁处实际垂直于主气流，这样在所述开口处的附加涡流及有关缺点都减至最小。由于进气环的作用，这个区域更强烈地与叶轮前面的主气流的流动状态直接联系。通气室或循环室的另一端在叶轮前缘的后面开口进入叶轮。这就意味着工况区域稳定装置在高压差下运行，这样就对通气室进出口之间的压力变化产生比按照EP-OS348674的结构敏感得多的作用。控制效果也更显著。通过与叶轮气流的连通，在这种结构中有可能采用大的压差。由于稳定的运行状态，本发明使得在最佳运行范围内，通气室压力差有可能通过结构调整为零，这样在这一工作区，通气室不起任何作用，也没有任何效率损失。
根据上述研究，由于采用这种结构，通过优化进口流道，本发明还可使压缩机能适用于新的运行条件。为此目的，该结构设置了一个进气环，它通过进口流动状态的变化来影响通气室的压力差。其结果是对具体的应用场合，工况区域稳定装置有可能单简优化，即进气环内径的大小，能够调整通气室的流动状态。随着进气环内径逐渐变小，通气室内的流动状态就更密切地与叶轮前缘前面的流动状态或流体压力相适应。
本发明的解决方案的特征还包括有进气环可更换和调整;
进气直径是叶轮后缘直径的0.64到1.2倍，最佳范围在0.7到0.9之间;
将流体导向叶轮的环形槽具有径向方向20°到30°之间的冲角;
环形槽的宽度是叶轮后缘宽度的0.55到0.7倍;
具有至少另一个环形槽，其宽度相当叶轮后缘宽度的四分之一;
从叶轮的后缘算起的环形槽的距离所确定的轴向位置，是叶轮后缘直径的0.15至0.3倍;
进口槽的位置是在距叶轮后端的距离处，该距离是叶轮后缘直径的0.36至0.6倍;
进口槽的宽度与环形槽的宽度之比为1至1.1;
通气室的横截面积与环形槽的径向面积之比为3.5至4.5之间;
通气室的内径约为叶轮后缘直径的0.8倍;
环形槽的宽度是叶轮后缘直径的0.03至0.05倍。
环形槽的面积与叶轮后缘直径的平方之比是0.106至0.151倍轮毂比之间，该轮毂比是叶轮进口直径与它的后缘直径之比;
通气室的容积是叶轮后缘直径三次方的0.06至0.23倍之间;
支撑轮廓环的筋板的端面是倒圆的。
本发明的解决方案的进一步的优点和措施将在从属权利要求中阐述。
本发明的优点和特征，通过结合附图对实施例的描述将能更清楚地理解。
其中
图1是具有工况区域稳定装置的离心式压缩机的部分截面图;
图2是具有另一种工况区域稳定装置的离心式压缩机的部分截面图;
图3是具有结构上作了改进的形状的另一种工况区域稳定装置的离心式压缩机的部分截面图;
图4是另一个实施例的又一个部分截面图;
图5是具有另一种环形槽的实施例的部分截面图。
图6是具有改进的进气环的实施例的部分截面图。
图1是以部分截面图表示的一种离心式压缩机，它包括具有叶轮49的压缩机壳体1，叶轮从图1的左边向右边输送被压缩的气体介质。主气流从进气通道11进入叶轮49，并从后缘46流入扩压器44部分，进气通道11中设有部分由圆锥形轮廓构成的进气环10。
在壳体内壁上设置了一个具有通气腔31的旁通管道，该通气腔经由进口槽22与进气通道相连，并经由一个在叶轮轮廓区域内的环形槽38与主气流相通。进口槽22终止了进气部分，并且其整个开口宽度24设置在叶轮前缘2的前方。槽的深度径向延伸，直达进气环10的的内径16，并且从进气通道11的内径16到壳体内表面是被连接筋板32隔断的。
轮廓环26从进口槽22延伸到环形槽38。叶轮前缘2位于轮廓环的中心轴线位置。
轮廓环内径28相当于叶轮直径，留有必要的旋转间隙。轮廓环30的外径可以大于、小于或等于直径16。在图1所示的实施例中，它比直径16小。轮廓环通过筋板32保持在壳体的同心位置。该筋板是整体铸在压缩机壳体1上的，或在壳体中铣出的。压缩机壳体1和进气环10也可由单件制成。
在另一个实施例中连接筋32也可以与轮廓环26制成一体。此外，轮廓环26也可以与连接筋板32和另外一个外环27一起形成一个组装部件。当该部件用塑料制成的，这种组装置部件具有特殊的优点。
轮廓环26在其内径上有一个进气锥。该锥形的选取应使叶轮前缘2前面的直径28为圆筒形。轮廓环26在径向的形状由进口槽22和环形槽38的形状确定。
环形槽38配置在轮廓环26和截面42之间。截面42在形状上与叶轮外廓一致，直至扩压器断面44。扩压器侧前缘直径40比进气侧前缘直径28大。环形槽布置成与径向成20°至30°的冲角43。通常该冲角由垂直于与叶轮外廓一致的内轮廓线的切线的垂线确定。
环形槽38的前缘也可侧圆成半径为0-4毫米的圆角。这个圆角半径减少了锐边产生的噪声的发展。在上述两个前缘处圆角半径相等。
在环形槽38和扩压器断面44之间的断面42上可设置另一个环形槽138。这种实施例表示在图5中。该环形槽138的宽度明显小于环形槽38的宽度36。
工况区域的稳定是建立在通过由进气环10，压缩机壳体1和轮廓环26所形成的通气室31实现压力均衡，与通过由环形槽22和38所形成的连接开口33和45实现与主气流连通的基础上的。
进气环通过进气侧截面15限定了通气室。由于锥形环形槽10的作用，使主气流朝叶轮前缘方向加速。
进气环附壁流导致流动状态的变化，通过环形槽22还影响通气室31中的流动状态。通过决定环形槽22和38的尺寸以及相应的流动状况，可以确定连接开口33和45处的压力。另外，工况区域的稳定还必须与压缩机类型，环形槽在叶轮轮廓上面的位置，它的宽度和倾斜位置，以及通气室容积，进口的轮廓形状和确定速度线特征的进口槽的位置相适应。当压力差在设计工况区域内被确定为零时，通气室不起作用，在这个区域内离心式压缩机的特性不受影响，也就是没有效率损失。
如果压力相对于这种设定的理想情况发生偏差，那么它们将通过通气室得到平衡。这就导致了稳定工况区域向最佳工况的左边偏移，而且流量范围向最佳工况的右边偏移。两方面的变化使工作区域得到扩大。
由于工况区域稳定装置的运转模式基本上取决于进气通道的流动条件，通过更换进口环10就可以方便地得到优化。而用一个销子12和适当的结构安装起来的进口环是很容易更换的。
除中心装配外，固定轮廓环26的连接筋板32还起稳定轴向气流的作用。
在大型压缩机中，尤其在大轮毂比的压缩机中，相当宽的连接筋板引起了一个发出声音的尾流。尤其是从开口31到开口45的流动中，产生一种高而响的噪声频谱。在这种情况下，通过缩短通气室中的连接筋板(图2)就可显著得到改善，使得有更长的距离留给气流以消除连接筋板的尾流。
为了避免这些缺点，图2给出的结构是较好的。连接筋板不再和槽接触，并且板本身在扩压器一侧是倒圆的。
图3表示本发明的另一种结构。与图1相反，这里的环形槽38不是远远伸进通气室31，连接筋板32面向环形槽38的开口是圆形的。与图1所示的环形槽成一冲角43的理想结构相比，为了在系列生产中便于装配，槽的深度较小。借助插入轮廓环26将安装销13固定在壳内的一个孔中，用以防止转动。进入通气室的进口在开口45处象前面一样是倾斜的。朝向截面42，形成了一个径向接合面，这有助于轮廓环的装配。销13防止转动。
在图1到图3的实施例中，进气环10装在进气通道中，并用销12固定。另一种变型是图4所示的结构。插入件110直接用螺栓紧固在壳体上，并确定了通气室31的外径。这种新结构是为使压缩机适合用户的需要。
图5表示另一种实施例。这里通气室几乎伸到叶轮后缘。为了更好地调整稳定工况区，在这种情况下提供了三个环形槽22，45和38。
图6所示的实施例4中，进口截面直径16小于轮廓环直径。这种实施例具有在进气通道可有较大加速的优点，并且开口33区域和通气室中的压差比有所改善。
如上所述，稳定工况区域的运转模式基本取决于环形槽22和38处以及通气室31本身中的流动状态。在连接开口处的流动状况明显受到环形槽影响。
通过调整整个系统，可以获得所需要的特性。并且按照本发明的情况，更着重于维持效率水平。从这一观点出发，调整工况区域稳定装置以移开阻塞极限，能提供最好的结果。就喘振线而言，一定规格压缩机的工作区域是通过轮毂比或压缩机轮廓变化来调整的，并且由于对于一定规格的压缩机来说，采用的是同一规格的排气装置，因此这种工况点稳定装置(RS)的尺寸可很方便地与出口面积或叶轮适应。
调整时基本要考虑以下几点1)通气室31区域尺寸的调整;
2)通过进气环或多或少地复盖吸入口内的通气室，进一步调整所述通气室内的流动状态;
3)叶轮上面的环形槽38的面积和位置;
4)叶轮上面的环形槽38的冲角43的角度。
下面给出优化的这些参数的结构特征。
进气口直径16是叶轮后缘直径48的0.64到1.2倍，最佳范围在0.7到0.9倍之间。
环形槽38的宽度36是叶轮后缘宽度50的0.55到0.7倍。
形成的环形槽宽度不大于叶轮后缘宽度50的四分之一。
由环形槽38和叶轮49后端之间的距离56所限定的轴向尺寸是叶轮后缘直径48的0.15到0.3倍。
进气槽22的轴向位置是在距叶轮后缘距离58处，所述距离58是叶轮后缘直径的0.3到0.6倍。
进口槽22的宽度24是环形槽38宽度36的1到1.1倍。
通气室31在径向的横截面积与环形槽38的面积之比在相应于环形槽区域直径40处的面积的3.5到4.5倍之间。
通气室31的内径30大约为叶轮后缘直径48的0.8倍。
环形槽38的宽度36是叶轮后缘直径48的0.03到0.05倍。
环形槽38的面积与叶轮后缘直径48的平方之比是轮毂比的0.106到0.151倍。轮毂比是由叶轮进口直径34与它出口直径48的比确定的，在例如0.64到0.74之间。
通气室31的容积是叶轮后缘直径48的三次方的0.06和0.23倍。
这些狭窄的比例范围清楚表明在设计具有工况区域稳定装置的离心式压缩机时，这些参数必须严格注意。已给定的调整范围表明，该范围几必须保持规定值。从具体实施例中获得的教导使我们可以获得一种离心式压缩机的工况区域稳定装置，它不会降低效率而且能扩大工作范围。
权利要求
1.一种离心式压缩机的工况区域稳定装置，该离心式压缩机包括一个进气通道(11)，一个叶轮(49)和一个出气区(46，44)，叶轮(49)设置在进气通道(11)和出气区(46，44)之间，并且通过叶轮的旋转将介质从进气通道(11)输送到出气区(46，44)，叶轮沿其轴线从进口直径(34)到出口直径(48)其外廓形状随围绕它的侧壁形状而变化，该工况区域稳定装置包括一个从进气通道(11)延伸到轮廓壁(47)的一个通气室(31)，该通气室通过一个连接开口(33)与进气通道(11)中的主气流(33)相通，并通过一个位于叶轮前缘(2)和叶轮后缘(46)之间的轮廓内壁(11)处的连接开口(45)与主气流相通，其特征在于在进气通道(11)中设置了一个进气环(10)，它限制主气流并复盖通气室(31)，相对主气流大于一个距离(15)。
2.按照权利要求1所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，进气环(10)可更换和调整。
3.按照权利要求1或2所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，进气直径(16)是叶轮后缘直径(48)的0.64到1.2倍，最佳范围在0.7到0.9之间。
4.按照权利要求1至3所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，将流体导向叶轮(49)的环形槽(38)具有径向方向20°到30°之间的冲角(43)。
5.按照权利要求1至4所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，环形槽(38)的宽度(36)是叶轮后缘宽度(50)的0.55到0.7倍。
6.按照权利要求1至5中至少一个权利要求所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，具有至少另一个环形槽(138)，其宽度相当叶轮后缘宽度(50)的四分之一。
7.按照权利要求1至6中至少一个权利要求所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于从叶轮(49)的后缘算起的环形槽(38)的距离(56)所确定的轴向位置，是叶轮后缘直径(48)的0.15至0.3倍。
8.按照权利要求1至7所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，进口槽(22)的位置是在距叶轮后端的距离(58)处，该距离是叶轮后缘直径(48)的0.36至0.6倍。
9.按照权利要求1至8所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，进口槽(22)的宽度与环形槽(38)的宽度之比为1至1.1。
10.按照权利要求1至9所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，通气室的横截面积与环形槽(38)的径向面积之比为3.5至4.5之间。
11.按照权利要求1至10所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，通气室(31)的内径(30)约为叶轮后缘直径(48)的0.8倍。
12.按照权利要求1至11所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，环形槽(38)的宽度(36)是叶轮后缘直径(48)的0.03至0.05倍。
13.按照权利要求1至12所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，环形槽(38)的面积与叶轮后缘直径的平方之比是0.106至0.151倍轮毂比之间，该轮毂比是叶轮进口(34)直径与它的后缘(48)直径之比。
14.按照权利要求1至13所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，通气室(31)的容积是叶轮后缘直径(48)三次方的0.06至0.23倍之间。
15.按照权利要求1至14所述的离心式压缩机的工况区域稳定装置，其特征在于，支撑轮廓环(26)的筋板的端面是倒圆的。
全文摘要
一种离心式压缩机，包括用于工况区域稳定的装置。它具有一个通气室，使得在叶轮和进气通道之间的压力得到均衡，进气通道具有一个进气环，它使对进气通道中的气流以这样的方式进行影响成为可能，即既实现工况区域的稳定，而又没有明显效率损失。通过进气环的改型，可使压缩机适应特殊用户的需要。
文档编号F04D29/42GK1070721SQ91109578
公开日1993年4月7日 申请日期1991年9月19日 优先权日1991年9月19日
发明者A·弗尔斯特, B·恩格斯, P·豪克 申请人:库恩尔·科普和科什有限公司