具有非线性叶片前缘的离心压缩机叶轮及相关联的设计方法与流程

本文中公开的主题涉及压缩机的改进，并且更具体地涉及离心压缩机。

背景技术：

离心压缩机将由驱动器如电动机、燃气涡轮、蒸汽涡轮等提供的机械能转换成压力能用于升高由压缩机处理的气体的压力。压缩机基本上包括旋转地收纳转子和隔板的壳。转子可包括一个或更多个叶轮，其由原动机驱动旋转。叶轮设有叶片，其具有大致轴向的入口区段和大致径向的出口区段。流动通道由叶片和由叶轮的背板或盘界定。在一些压缩机中，叶轮设有与背板或盘相对的护罩，叶片在背板或盘与护罩之间延伸。气体沿轴向进入各个叶轮的流动通道，由叶轮的叶片加速，并且沿径向或在子午面中以混合径向轴向方式离开叶轮。加速气体由各个叶轮输送穿过沿周向布置的扩散器，其中，气体的动能至少部分地转换成压力能，增大了气体压力。

由于总体上涉及压缩机的各种类型的耗散现象，故由原动机提供且由压缩机吸收的能量不可完全转换成有用的压力能，即，呈流体中的压力增大。

技术实现要素：

根据一个方面，本公开关于一种离心压缩机叶轮，其具有多个叶片，该多个叶片在前缘处开始的区域中具有三维非直纹曲面部分。更具体而言，各个叶片具有在子午面中非线性的前缘，以及至少在邻近前缘的区域中具有双曲率的吸入侧和压力侧两者上的叶片表面。

本文中公开的主题的一些实施例提供用于一种压缩机叶轮，其包括气体入口、气体出口，以及具有从其延伸的多个叶片的盘。各个叶片具有在叶轮入口处的前缘、叶轮出口处的后缘、沿盘在前缘与后缘之间延伸的叶片基部、在前缘与后缘之间延伸的与盘相对的叶片末端、压力侧以及吸入侧。各个叶片的前缘在子午面中具有弯曲的非线性轮廓。在前缘处开始并且朝后缘移动，各个叶片具有在叶片基部处的第一金属角分布、在叶片末端处的第二金属角分布，以及在叶片基部与叶片末端之间的中间位置处的至少第三金属角分布。第三金属角分布选择为随所述前缘的非线性轮廓而变。在前缘处开始的至少叶片部分因此设有双曲率。

前缘的非线性轮廓可为凸形的，并且第三金属角分布选择成使得在中间位置中，叶片具有双曲率，其中至少在邻近前缘的区域中，凸形表面在吸入侧上，并且凹形表面在压力侧上。

根据其它实施例，叶轮的叶片可均具有前缘，其具有在子午面中为凹形的非线性轮廓，其中第三金属角分布选择成以使在所述中间位置中，叶片具有双曲率，其中至少在邻近前缘的区域中，凸形表面在压力侧上，并且凹形表面在吸入侧上。

根据又一个方面，本公开关于一种离心压缩机，其包括如此处在上面阐述的至少一个叶轮。

本公开还关于一种用于设计具有多个叶轮叶片的压缩机叶轮的方法，其包括以下步骤：

在所述叶片的子午面中限定沿叶轮盘的叶片基部轮廓，以及叶片末端轮廓；

限定在叶片基部轮廓与叶片末端轮廓之间延伸的叶片的压力侧表面和吸入侧表面，所述压力侧表面和所述吸入侧表面在后缘与非线性前缘之间延伸，该非线性前缘在子午面中弯曲；

从前缘开始朝后缘，向各个叶片给予叶片基部处的第一金属角分布、叶片末端处的第二金属角分布，以及叶片基部与叶片末端之间的中间位置处的至少第三金属角分布，其中所述第三金属角分布选择为随所述前缘的非线性轮廓而变，邻近前缘的叶片部分具有双曲率。

特征和实施例在此处在下面公开，并且在形成本描述的组成部分的所附权利要求中进一步阐述。以上简要描述阐述了本发明的各种实施例的特征，以便以下详细描述可被更好理解，并且以便可更好认识到对本领域的当前贡献。当然，存在将在下文中描述并且将在所附权利要求中阐述的本发明的其它特征。在该方面，在详细阐释本发明的若干实施例之前，理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造的细节和构件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且以各种方式实践和执行。另外，将理解的是，本文中使用的措词和用语出于描述目的，并且不应当认作是限制性的。

就此而言，本领域技术人员将认识到，本公开所基于的构想可容易用作用于设计其它结构、方法和/或系统用于执行本发明的若干目的的基础。因此，重要的是，权利要求认作是包括此类等同构造(在它们并未脱离本发明的精神和范围的程度上)。

附图说明

本发明的公开实施例和其伴随的优点中的许多个的更完整的认识将容易获得，因为它们在连同附图考虑时，通过参照以下详细描述而变得更好理解，在该附图中：

图1示出了多级离心压缩机的纵向区段，其中可使用根据本公开的叶轮；

图1A示出了图1的压缩机的叶轮叶片的放大；

图2示出了图1的离心压缩机的叶轮的透视图；

图3示出了子午面中的叶片的投影的示意图；

图4示出了垂直于轴向方向的平面上的叶片弧线(在给定跨度位置处)的投影；

图5和6示出了代表沿子午线方向的叶片金属角和叶片厚度的分布(参照图3的叶片)的图表；

图7示出了根据本公开的三维叶片的透视图；

图8概略地示出了在叶片末端与叶片基部之间的三个不同位置的叶片的截面图；

图9示出了用于根据图7的叶片的、在分别根据现有技术和本公开的设计中的、沿叶片的子午坐标的中间跨度处的金属角分布的图表；

图10示出了现有技术的叶轮和根据本公开的叶轮的多变效率对流动系数的图表；

图11示出了又一个实施例中的根据本公开的三维叶片的透视图；

图12示出了用于如图11中所示的叶片的、分别在根据现有技术和本公开的设计中的、沿叶片的子午坐标的中间跨度处的金属角分布的图表。

具体实施方式

示例性实施例的以下详细描述参照了附图。不同图中的相同附图标记识别相同或类似的元件。此外，图不一定按比例绘制。另外，以下详细描述不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。

说明书各处提到"一个实施例"或"实施例"或"一些实施例"意思是连同实施例描述的特定特征、结构或特点包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，在说明书各处的各种位置出现短语"在一个实施例中"或"在实施例中"或"在一些实施例中"不一定是指相同(多个)实施例。此外，特定特征、结构或特点可在一个或更多个实施例中以任何适合的方式组合。

图1和1A示出了总体标为100的多级离心压缩机的示例性实施例，其中可实施本文中公开的主题。图1示出了根据包含压缩机的旋转轴线A-A的平面的截面视图，并且图1A示出了一个压缩机级的放大。

压缩机100具有设有入口歧管2和出口歧管3的外壳1。若干构件布置在壳1内，其限定多个压缩机级。

更具体而言，壳1收纳压缩机转子。压缩机转子包括转子轴5。转子轴5可由两个端部轴承6,7支承。压缩机转子还包括至少一个叶轮。在一些实施例中，如图1中所示，压缩机转子包括多个叶轮9，一个叶轮用于各个压缩机级。所述叶轮9布置在两个轴承6,7之间。

第一叶轮9的入口9A与入口仓室11流体连通，其中待压缩的气体输送穿过入口歧管2。在一些实施例中，气流沿径向进入入口仓室11，并且接着输送穿过一组可动入口导叶13，并且沿大致轴向方向进入第一叶轮9。

根据图1的示例性实施例，最后叶轮9的出口9B与蜗壳15流体连通，蜗壳15收集压缩气体，并且将其朝出口歧管3输送。

静止隔板17布置在各对按顺序布置的叶轮9之间。隔板17可形成为单独的沿轴向布置的构件。在其它实施例中，隔板17可形成为两个大致对称的半部。各个隔板17限定扩散器18和返回通道19，返回通道19从相应的上游叶轮9的径向出口延伸至相应的下游叶轮9的入口。在扩散器18中，气流减慢，并且从叶轮传递至气体的动能转换成压力能，因此增大了气体压力。

返回通道19使压缩气态流从上游叶轮的出口朝下游叶轮的入口返回。在一些实施例中，固定叶片20可布置在扩散器18中。在一些实施例中，固定叶片21可设在返回通道19中，用于除去流的切向分量，同时将压缩气体从上游叶轮再引导至下游叶轮。

如其中示出压缩机100的若干压缩机级中的一个的放大的图1A中和其中以轴侧投影视图示出示例性叶轮的图2中最佳所示，各个叶轮9包括限定毂部分23A的盘23。所述毂部分23A具有开孔23B，转子轴5延伸穿过开孔23B。盘23有时也总体称为毂。多个叶片25从盘23延伸并且限定流动通道，气体流动穿过该流动通道并且由叶片25加速。各个叶片具有前缘25L和后缘25T，它们分别布置在叶片的入口和出口处。在一些实施例中，叶轮9可开启。在其它实施例中，叶轮可由布置成与盘23相对的护罩27闭合，叶片25在盘23与护罩27之间延伸。

各个叶片25设有叶片末端25A，其沿护罩27在前缘25L与后缘25T之间延伸。各个叶片25还设有叶片基部或叶片根部25B，其沿盘23在前缘25L与后缘25T之间延伸。

各个叶片25具有吸入侧和压力侧，并且叶片的形状以此处在下面描述的方式分别从叶片25的中心线或弧线与盘23和护罩27的交点开始限定。图3示出了子午面(即，平面R-Z)中的普通叶片25的投影，其中R为径向方向，并且Z为轴向方向。L1为中心线(即，盘或毂23处的叶片轮廓的弧线)的子午面R-Z上的投影。L2为护罩27处的中心线(即，叶片轮廓的弧线)的同一子午面R-Z上的投影。

如果叶轮无护罩，即，开启，则线L2为叶片末端处的叶片轮廓的中心线的投影。

因此，线L1和L2为分别在盘和护罩处(即，在叶片基部和叶片末端处)的R-Z平面(子午面)中的叶片轮廓的投影。图3中还呈现了叶片的后缘25T和前缘25L的投影。

如上文提到的，如图中所示的示例性实施例中所示，叶轮9可为有护罩的。然而，在未示出的其它实施例中，叶轮9开启，并且护罩27未提供。在该情况中，线L2仅为子午面R-Z上的叶片末端25A处的弧线或中心线的投影。

这些线L1和L2为如下的用于设计叶片的吸入侧和压力侧的三维表面的起点。

从两条线L1和L2开始，限定叶片的吸入侧和压力侧的叶片25的相对表面的实际形状借助于两个附加参数确定，即，叶片厚度和叶片金属角。两个参数限定用于沿各条线L1和L2的多个位置。在一些实施例中，叶片金属角和叶片厚度可具有用于线L1和L2的不同值。

叶片金属角分布(即，在考虑的线L1或L2的各个点的金属角β)限定为线L1或L2的切线与子午方向(M)之间的角，如图4中所示，图4示出了叶轮的示意性正视图，并且L为考虑的普通中心线。箭头F指示了叶轮的旋转方向。常规地，角β的标记与叶轮的旋转方向一致。因此，在图4的实例中，角β为负的，因为其从子午方向M开始测量，并且与叶轮的旋转方向(箭头F)相反。按照数学公式，金属角β限定如下：

其中θ为切向坐标，即，沿切向方向的坐标，并且m为子午坐标，即，沿图3中的横坐标的坐标。

叶片的厚度(th)限定为在考虑的曲线L1或L2的各个点处从叶片的弧线(即，中心线)的、叶片的吸入侧表面与压力侧表面之间的距离。图5和6示意性地示出了用于示例性叶片的金属角(β)和厚度(th)的分布。在图5和6的图表的水平轴线上，绘制了沿子午方向的标准化坐标。坐标"0"指示前缘处的位置，并且坐标"1"指示叶片的后缘处的位置。

在图5的示例性图表中，在叶轮盘或毂处的沿曲线L1的金属角分布不同于在叶轮护罩或叶片末端处的沿曲线L2的金属角分布。沿盘或毂的金属角分布标为β_H，而沿护罩的金属角分布标为β_S。在其它实施例中，护罩和盘处的金属角分布可为相同的。根据当前技术，并未限定盘与护罩之间的中间位置处的金属角分布。

上文限定的参数的组合给出了叶片末端25A和叶片基部25B处的叶片的轮廓。用于限定叶片的压力侧和吸入侧的表面的下一个步骤现在为生成如上文限定的从叶片末端25A和叶片基部25B处的两个叶片轮廓开始的两个相对的直纹曲面。直纹曲面通过使叶片末端轮廓的各个点与叶片基部轮廓的对应点以直(笔直)线连接来生成。

叶片的几何形状并未完全限定，因为曲线L1和L2和对应的叶片末端和叶片基部轮廓通常转移，即，一个相对于另一个沿切向方向移位，使叶片末端轮廓和叶片基部轮廓一个相对于另一个围绕叶轮的旋转轴线旋转。因此，又一自由度可用于由两条曲线L1和L2的可能的切向位移给定的、叶片几何形状的完全限定。在当前技术的叶轮中，两条曲线L1和L2沿切向转移，即，一个相对于另一个围绕叶轮轴线旋转，因此使后缘25T相对于轴向方向倾斜(用于具有纯径向出口的叶轮)，保持其直(笔直)形状。后缘相对于轴向方向的倾斜，即，倾角，连同上文提到的参数限定叶片的整个几何形状。

所得的叶片表面仍是直纹曲面，即，它们特征为单个曲率。

根据本文中公开的主题，引入了又一自由度用于设计如此处在下面所述的叶轮叶片，以使叶片的吸入侧表面和压力侧表面的至少一部分具有双曲率，即，变为非直纹曲面部分。此外，根据本公开，叶片的前缘在子午面中具有非线性形状。

根据一些实施例，叶片的前缘在子午面中具有凸形形状，如图7中所示。以该方式，各个叶片的前缘LE朝气流从其进入叶轮的方向向上延伸。因此，获得了到来的气流的更好引导，这减小了流动损失，并且有益地影响了叶轮的效率。

在另一方面，由于子午面RZ中的前缘的凸形将减小限定在两个相邻叶片25之间的各个导叶的入口的截面，故根据本公开的又一个方面，叶片的金属角分布相对于现有技术的金属角分布修改，以便补偿前缘的凸形形状的影响。不同于现有技术的设计，沿前缘的金属角并未由分别在护罩和盘处的金属角值之间的线性内插确定。相反，中间跨度处的金属角修改，使得由前缘的凸形形状确定的导叶入口的截面的减小通过增大沿叶片跨度(即，在线L1与线L2之间)的中间位置处的金属角来补偿。更具体而言，中间跨度处(即，在护罩(叶片末端)与盘(叶片基部)之间的中间位置)的金属角修改，以使叶片在吸入侧上变为凸形并且在压力侧处变为凹形。

在图7中，示出了非线性前缘25L与在单个叶片25的整个形状上沿前缘的非线性金属角分布的组合的效果。吸入侧表面具有带双曲率的部分，其为凸形的，而相对压力侧表面对应地为凹形的。图8示出了盘、护罩和中间跨度处的叶片25的截面。在中间跨度区段中，绘制了两个轮廓：一个轮廓对应于现有技术设计，其中金属角由叶片的护罩处和盘处的金属角之间的线性内插确定；另一个轮廓对应于根据本公开的修改的设计，其中叶片采用具有双曲率的形状，并且金属角在中间跨度处"开启"。

图9示出了类似于图5的图表的图表，其中绘制了中间跨度处的金属角分布。水平轴线报告了标准化的子午坐标，并且垂直轴线报告了金属角值。曲线β_ML示出了根据现有技术设计的对应于中间跨度的轮廓的中间跨度处的金属角分布(由如前文所述的盘和护罩轮廓的连接获得)。曲线β_M代表根据本公开的中间跨度处的金属角分布。如图9中所示，对于从前缘开始的叶片的子午延伸的至少一部分，中间跨度处的金属角大于通常的现有技术设计("开启更大")，以补偿由前缘25L的非线性凸形形状引起的叶轮入口处的流动截面的减小。

图10示出了叶轮入口处的叶片的前缘的非线性设计和双曲率对叶轮的多变效率的影响。曲线C1和C2分别代表根据本公开和根据现有技术设计的叶轮的多变效率。效率报告在垂直轴线上，而流动系数报告在水平轴线上。当新颖设计特别在离设计点的一距离(流动系数100)处使用时，计算到改进的多变效率。

根据其它实施例，可使用相反途径，提供了前缘，其在子午面中为凹形的，而非直线的。在该情况下，前缘区域中的中间跨度处的金属角分布相对于现有技术减小("更闭合")。因此，叶片25将至少在邻近前缘的区域中变为三维弯曲，具有吸入侧上的凹入和压力侧上的凸出。由于前缘的凹形轮廓，故相邻叶片之间的导叶的截面的加宽效果将在该情况下由金属角的减小补偿。类似于图7，图11示意性地示出了叶片的形状，其具有凹形前缘以及中间跨度处的对应地修改的金属角分布。在图12中，相比于现有技术的金属角β_ML分布，修改的金属角β_M分布针对标准化子午坐标(Z)绘制。至少在前缘附近(即，邻近前缘)的区域中，金属角比在根据现有技术设计的、具有压力侧和吸入侧上的直纹曲面的叶片中更小。

尽管本文中描述的主题的公开实施例在附图中示出并且在上面结合若干示例性实施例详尽且详细地完全描述，但对本领域技术人员而言将认识到，许多改型、变化和省略是可能的，而不实质地脱离本文中阐述的新颖教导、原理和构思，以及所附权利要求中叙述的主题的优点。因此，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最宽解释来确定，以便涵盖所有此类改型、变化和省略。各种实施例的不同特征、结构和手段可不同地组合。