专利名称：带可变角度导流器的涡轮机的制作方法
技术领域：
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。
本发明的另一特征为包括下述部件的一种涡轮机一个叶轮，用于将能量提供给一种流体介质并将所述流体介质送至一个扩散器；配置在所述叶轮上游的一块进口导流叶片；一个工作参数输入设备，用于输入达到所述涡轮机的规定工作状况所需的工作参数；一个计算处理器，用于从传感器测定的进口流量与压力头值中计算所述进口导流叶片的工作角度，以便达到所述规定的工作状况；以及一个第一驱动控制器，用于操作所述进口导流叶片，从而将所述进口导流叶片定位在所述计算处理器计算出的所述工作角度上。
本发明的这一特征是基于下述考虑的。
一旦限定了工作状况，便能相似地对待所有的涡轮机。图5为说明泵特性与系统阻力曲线之间的关系的曲线。一开始便假定泵在进口导流叶片角为零时的性能是已知的。
首先，用泵工作所需的流量Q与压力头值H计算流系数φ(＝4Q/πD22U22)及压力系数ψ(＝gH/U22)。
假定通过工作点(φ，ψ)与原点的曲线为一条二次曲线，(如果有一个固定的系统阻力，这可从ψ轴上的截距得出)，便可得出该曲线的系数。通过计算或其它方法得出该曲线与泵在零叶片角上的已知性能曲线的交点的坐标(φ’，ψ’)。
用下式从φ’的值中得出流量Q’的值。
Q’＝φ’πD22U2/4。
令叶轮的面积为A1，从下式给出叶轮处的进口轴向速度分量Cm1Cm1＝Q’/A1＝φ’πD22U2/4A1。
泵的压力头值H’是从叶轮处的端速U2与绝对速度的切向分量Cu2之积U2Cu2与叶轮处的速度U1与绝对速度的切向分量Cu1之积U1Cu1的差中以下式得出H’＝(U2Cu2-U1Cu1)/g这里，ψ’＝gH’/U22，因此得到ψ’＝(U2Cu2-U1Cu1)/U22。
由于进口导流叶片角为零，绝对速度的切向分量Cu1为零。因此，叶轮出口处的绝对速度的切向分量Cu2由下式给出Cu2＝U2ψ’。
根据当前的研究结果，得到绝对速度的切向分量Cu2只取决于流量，而与进口导流叶片角无关。
利用这些结果，工作参数的值由下式给出φ＝(U22φ’-U1Cu1)/U22＝φ’-U1Cu1/U22因此，绝对速度的切向分量Cu1由下式给出Cu1＝(ψ’-ψ)U22/U1。
满足工作参数的进口导流叶片角由下式给出α＝arctan(Cu1/Cm1)＝arctan(A1(φ’-φ)U2/(D22φ’U1))＝arctan(A1(φ’-φ)U2/D2D1rmsφ’)其中D1rms为叶轮进口处的根均方直径，并定义k＝A1/(D2D1rms)则可得到α1＝arclan(k(ψ’-ψ)/φ’)。
按照上面提出的涡轮机，通过输入诸如流量Q或压力头H的所要求条件，便可按照上述公式计算出最适当的进口导流叶片角，从而涡轮机的工作可呈现其最佳性能。
图1为存在于叶轮出口区中的流体流状况的示意图。
图2示出无量纲流量与扩散器损耗之间的关系。
图3示出无量纲流量与无量纲压力头系数之间的关系。
图4示出无量纲流量与扩散器叶片角之间的关系。
图5为说明泵的性能与泵的系统阻力曲线的曲线。
图6为单级离心压缩机的具有可变角度叶片的涡轮机的一个实施例的剖面图。
图7为图6中所示的致动器的详细局部侧视图。
图8为展示本发明的涡轮机的处理步骤的流程图。
图9为确定流量的逻辑流程图。
图10示出具有可变角度叶片的实施例的涡轮机的结果。
图11示出本发明的涡轮机中不同叶片角上的无量纲流量与无量纲压力头系数之间的关系(上部曲线)；以及不同叶片角上的无量纲流量与无量纲效率之间的关系(下部曲线)。
图12示出传统的涡轮机中不同叶片角上的无量纲流量与无量纲压力头系数之间的关系(上部曲线)；以及不同叶片角上的无量纲流量与无量纲效率之间的关系(下部曲线)。
下面参照图6至10提出本发明的具有可变角度叶片的涡轮机的一个实施例。
图6与7示出可应用可变角度叶片的单级离心式涡轮机，其中图6为涡轮机的剖面图而图7则为该设备的局部侧视图。涡轮机从一个吸入管1接受一个流体流，以及一个叶轮2将能量供给流体流以将其送至一个扩散器3来增高其压力。加压后的流从一个蜗室4排放到排出管5。在吸入管1中，沿周边方向设置多个扇形进口导流叶片6，并通过传动装置7将它们可操作地连接在一个致动器8上。配置在叶轮2下游的扩散器3具有通过传动装置9可操作地连接在一个致动器10上的扩散器叶片3a。吸入管1上设有测定进口流量的流量传感器11，而排出管5上则设有用于测定排放压力(头)的一个压力传感器12。设有用于操作致动器8、10的一个控制器13，而流量传感器与压力传感器的输出端则电连接在其上面。
图8示出控制器13的配置的方框图。如该图中所示，具有可变角度叶片的涡轮机包括一个计算处理器部分U，包含用于测定涡轮机的转速、进口流量与压力头的上升及为进口流量确定扩散器叶片3a的最佳角度的一个计算部分21，以及用于存储进口导流叶片完全打开时事先确定的涡轮机的工作参数的一个存储部分22；一个输入设备23，用于输入涡轮机的必要工作参数；一个第一驱动控制器24，用于控制进口导流叶片6的角度；一个第二驱动控制器25，用于控制扩散器叶片3a的角度；以及一个第三驱动控制器26，用于控制叶轮2的转速，即涡轮机的转速。
涡轮机是设计成这样工作的，使得该设备能在输入设备23所输入的必要工作参数下工作。这是利用包含计算部分21与存储部分22的计算处理器U达到的，从而可以确定进口导流叶片6的角度并操作进口导流叶片6而将叶片6定位在这样确定的角度上，操作扩散器叶片3a使之设定在根据进口流量的一个适当角度上，并控制涡轮机的转速以达到稳定地工作。下面说明扩散器叶片角的调整。
图9为使涡轮机能在规定的工作状况下在其最大工作效率上工作并在工作系统中不引入喘振的流程图。这是通过将进口导流叶片6的角度设定在操作该设备来满足所要求的工作状况所需要的适当角度上，同时设定扩散器叶片3a来防止涡轮机中的喘振而达到的。进口导流叶片6的角度α是根据下述工作参数确定的叶轮2的转速N、所要求的流量Q及压力头H。
如果该涡轮机提供有可变转速的能力，预先将一个适当的速度输入到该设备中。在步骤1中，输入所要求的流量Q与压力头H；在步骤2中，计算流量系数φ、压力系数ψ。接着，在步骤3中，计算通过流量系数Q与压力系数ψ的一条二次曲线；在步骤4中，计算该曲线与在进口导流叶片零角度上的涡轮机的工作特性的交点φ’，ψ’；以及在步骤5中，按照下式计算进口导流叶片的角度α＝arctan(k(ψ’-ψ)/φ’)，其中k为一个常数。
在步骤6中，控制进口导流叶片6的角度；而在步骤7中，检验该值是否为零(即叶片完全打开)。如果角度不为零；则在步骤9中测定流量并计算参数φ”，ψ”。接着，在步骤10中，检验压力头是否适当，并且如果压力头值不适当，则在步骤11中计算α’；并在步骤12中计算量(α-α’)，而后控制步骤返回到步骤6。
如果步骤6中的角α为零且涡轮机末提供有转速改变能力，则控制步骤返回至1去重设工作参数。如果涡轮机提供有速度改变能力，则在步骤8中改变速度，并且控制步骤进行到步骤9。
在步骤10中，如果压力头值是适当的，则由步骤13以后的步骤控制扩散器叶片。在步骤13中，利用步骤9中测定的进口流量，从图10中所示的无量纲进口流量与扩散器叶片角之间的关系确定扩散器叶片角。在步骤14中，改变扩散器叶片角。测定扩散器叶片角改变后的流量与压力头值；并在步骤15中从测定的值计算φ”，ψ”的值。在步骤16，检验压力头H是否为适当的值，如果压力头值H不适当，则控制步骤返回至步骤11。
步骤13中所利用的图10中的曲线是在压缩器中得到的数据的概要，并在X轴上表示用设计流量除工作流量得出的无量纲流量，而在Y轴上则为扩散器叶片角。这一曲线示出通过在各流量与转速上改变扩散器叶片角而得到的压缩机的最稳定工作的扩散器叶片角。例如，流量的稳定性是用记录在配置在管道与泵壳中的压力传感器中的压力改变判断的。
图10示出在这一研究中的实验结果圆圈指在转动马赫数为1.21与进口导流叶片设定在零角度时的结果；而正方形则指转动马赫数为0.87且进口导流叶片设定在零角度上的结果；三角形指转动马赫数为0.87而进口导流叶片设定在60度上时的结果。
因此，可从看出涡轮机稳定工作的扩散器叶片角只依赖于流体流量，并且即使改变了进口导流叶片角，也能通过大致上沿直线调整扩散器叶片角而防止喘振。还能看出，直线的斜率取决于叶轮的端速的转动马赫数，即涡轮机的转速。
图11与12示出具有固定角度扩散器叶片的传统涡轮机的整体性能特征(图12)与设有可变角度扩散器叶片的本发明的涡轮机的性能特征(图11)的比较。可以看出本涡轮机即使在接近关闭流量的低流量上也能平稳工作。
图6至12中所提出的实施例是基于单个单元的计算处理器U的，但也可以为不同的计算需求设置独立的计算处理器。另外，驱动控制器是分成第一、第二与第三驱动控制器的，但用一个控制器也能同样完善地服务于这些功能。
权利要求
1.一种具有可变角度导流装置的涡轮机，包括一个叶轮，用于将能量提供给一种流体介质并将所述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，用于增加所述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；其中所述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所述流量检测器所检测到的进口流量中确定的，并操作一个控制器来驱动所述转动器将所述扩散器叶片定位在所述工作角度上。
2.权利要求1中所提出的一种涡轮机，其中进口流量与扩散器叶片角之间的关系是大致上线性的。
3.权利要求2中所提出的一种涡轮机，其中所述关系的斜率是由所述叶轮的转速决定的。
4.权利要求1中所提出的一种涡轮机，其中当通过调整所述扩散器叶片的所述工作角度得不到特定的压力头值时，所述控制器便调整所述涡轮机的转速。
5.权利要求1至4中一项中所提出的一种涡轮机，其中所述机器在所述叶轮上游配置有可变角度进口导流叶片，当通过调整所述扩散器叶片的所述工作角度得不到特定的压力头值时，便将所述进口导流叶片调整到一个叶片角上。
6.一种具有可变角度导流装置的涡轮机，包括一个叶轮，用于将能量提供给一种流体介质并将所述流体介质送至一个扩散器；配置在所述叶轮上游的一个进口导流叶片；一个工作参数输入设备，用于输入达到所述涡轮机的规定的工作状况所需的工作参数；一个计算处理器，用于根据传感器测定的进口流量与压力头值计算所述进口导流叶片的工作角度，以便达到所述规定的工作状况；以及一个第一驱动控制器，用以操作所述进口导流叶片，以便将所述进口导流叶片定位在所述计算处理器计算出的所述工作角度上。
7.权利要求6中所提出的一种涡轮机，其中所述计算处理器根据由流量/压力系数定义的一条参照性能曲线与一条通过一个所要求的工作点的曲线的一个交点，结合所述要求的工作点上的流量/压力系数，确定所述进口导流叶片的所述工作角度。
8.权利要求5中所提出的一种涡轮机，其中所述扩散器上设置有可变角度扩散器叶片，及所述计算处理器根据进口流量与叶片角之间的预定关系确定所述可变角度扩散器叶片的叶片角，并操作一个第二驱动控制器来将所述扩散器叶片定位在所述叶片角上。
9.权利要求6中所提出的一种涡轮机，其中进口流量与扩散器叶片角之间的关系是大致上线性的。
10.权利要求7中所提出的一种涡轮机，其中所述关系的斜率是由所述叶轮的转速决定的。
11.权利要求5至8中一项中所提出的一种涡轮机，其中所述涡轮机上设置有一个第三驱动控制器来控制所述涡轮机的转速。
全文摘要
本发明提出的涡轮机能在低于设计流量的流量上稳定工作而不导致喘振。这是通过设置带可变角度叶片的扩散器而达到的。调整低流量上的叶片角而减小来自叶轮的出口流体流的扩散器损耗。由于叶轮的出口流的流角只是无量纲流量的函数而不依赖于叶轮进口处的流角，因此可以调整叶片角来达到涡轮机在低于设计流量的流量上稳定工作而不导致喘振。除了可变角度叶片之外，还设置了具有可变叶片角的进口导流叶片，使涡轮机能在所要求的流量与压力头压力上工作。
文档编号F04D27/02GK1115011SQ9510552
公开日1996年1月17日 申请日期1995年5月23日 优先权日1994年5月23日
发明者原田英臣, 武井和生 申请人:株式会社荏原制作所