专利名称：自由转子的稳定作用的制作方法
在那些压缩载荷在较宽范围内变化的应用场合中，在使用离心气体压缩机的过程中出现的其中一个主要问题是使气流稳定地流过所述压缩机。压缩机进口、叶轮和扩散器通道必须具有一定的尺寸，以便能提供所需的最大容积流动速率。在离心冷冻压缩机中，载荷通常是在一较大范围内变化，因此压缩机可能会在这样一个较低的流动速率下进行工作，以致对于有效工作来说，它们的进口和扩散器都太大。当以较低的容积流动速率通过这样一种压缩机时，气流就变得不稳定。当容积流动速率从一稳定范围开始减小时，就会进入一略微不稳定的流动范围。在该范围内，在所述叶轮和扩散器内的气流就会沿着流道的整个长度方向离开壁面，并且在扩散器通道内会出现局部回流现象，从而产生噪声，并降低压缩机的工作效率。当质量流量进一步减小时，压缩机就遇到称为是喘振现象，即在压缩机内发生周期性的、全部的回流，从而破坏了该机器有效工作的能力。
已有各种技术被用来增大压缩机的喘振和扼流极限之间的范围。
已经采用一些位于压缩机进口内的导向叶片来改变流动方向和进气量，这是因为藉助一叶轮所作的功是与叶轮出口和叶轮进口处的气体速度的平方差成正比的。进口导向叶片可以提高效率，这是因为它们可以给予叶轮进口处的气体朝着旋转的方向一个旋流，从而可以减小速度差。压缩机的提升能力也被减小，但是对于通常的空气调节应用来说，这是不成问题的，这是因为当载荷减小时，所需的提升量也逐渐降低。有时候，与这些导向叶片机械连接的是可动的扩散器结构，以便当进口流量降低时，节流住扩散器通道。
正如美国专利5,437,529所证明的那样，可以将自由转子(自由旋转的转子)用作该装置的一部分，所述装置可以动态地控制诸如压缩机之类的涡轮机内的旋转失速(stall)和喘振。该专利的装置具有限制性，即它的效率是取决于自由旋转转子的旋转速度，而该旋转速度又与容积流动速率成正比。因此，当压缩机在压缩机图的低流量区域(流量小于设计流量的区域)内工作时，自由转子减速，并且其效率降低。遗憾的是，当压缩机在设计条件下运转时，要在所述低流量区域内获得给定量的效率，将使得自由转子的速度较高。较高的自由转子速度增加了制造成本，并增大了越过自由转子的压力损失，从而降低了它的实际应用性(practicalimplementation)。
美国专利5,437,529中所描述的自由转子的效率以φ(tanγ2)表示，其中φ是流动系数(压缩机进口处的气体轴向速度分量与叶轮尖端速度的比值)，γ是用于自由转子叶片的叶片安装角(stagger angle)。由于压缩机质量流量降低，φ减小，因此，自由转子的效率也减小。
本发明旨在抑制压缩系统内的喘振，其中在压缩系统进口处的旋流是变化的，以适应变化的载荷。所述系统包括一转子，所述转子不提供旋转的气体并且被安装从而使它可以在一气流中自由正常旋转。所述转子位于压缩机进口的上游，诸如进口导向叶片之类的可变旋流装置的下游。对于某些不需要附加反馈的系统来说，旋转失速的抑制就成为另一个益处。
有几种压缩机使用了可变的进口旋流，以降低压缩机质量流量。例如藉助可旋转的进口导向叶片可以产生可变的进口旋流，以改变它们的叶片安装角。如果自由转子安装在这种进口导向叶片和压缩机进口之间，自由转子的运转特性就会显著变化。除了自由转子的叶片安装角和压缩机的质量流量之外，自由转子的效率也是进口气流旋流角的函数。本文中描述的所使用的自由转子的效率可以表示为φ(tanγ-tanα)2，其中α是进口旋流角(沿着压缩机旋转方向测量为正)。因此，如果自由转子被设计得γ为负(即，各叶片的叶片安装角与压缩机旋转的方向是相反的)，当进口旋流(即，α)增大时，自由转子效率增大。
本发明的目的在于抑制压缩系统内的喘振。
本发明的另一目的在于提供一种喘振抑制装置，当进口旋流增大时，所述装置的效率增大。将在下文中变得清楚的这些目的和其它目的将由本发明来实现。
基本上，至少一个自由转子位于一压缩机系统的压缩机进口和可变旋流装置之间。
图1是一对于各种最大进口旋流角而言的、自由转子效率对有关压缩机质量流量的曲线图，其中输入流的旋流是随着压缩机的质量流量而线性变化的；图2示出了对于一传统的离心冷却系统而言的、自由转子效率和进口导向叶片角(自垂直于叶轮轴线进行测量)对有关压缩机设计质量流量的曲线图，其中进口处的旋流不随质量流量线性变化；图3是一采用本发明第一实施例的离心压缩机系统的剖视图；以及图4是一采用本发明第二实施例的离心压缩机系统的剖视图。
在一种典型应用中，诸如在一深冷器内的离心压缩机中，当压缩机质量流量是设计质量流量的10％时，进口旋流角可以大到80°，或者更大。这个质量流量范围通常可以表示流动系数值在0.6(设计流量)和0.06(10％的设计流量)之间。如果假定进口旋流角是随着质量流量线性变化的(即，例如，假定进口导向叶片叶片安装角是压缩机质量流量的线性函数)，在图1中示出了对于不同的最大旋流角而言，自由转子效率随质量流量的变化情况。图1还示出了没有预旋流的自由转子的效率变化情况。正如从图1中可以看到的那样，预效率可以显著增强自由转子的效率。在一种典型应用中，诸如一离心深冷器，进口旋流角随质量流量的变化不是线性的。这可以影响自由转子的效率。图2示出了对于一典型的离心式深冷器应用的这种情况，示出了进口旋流随质量流量的变化情况和最终的自由转子效率的变化情况。进口旋流随压缩机质量流量的变化通常是高度非线性的，且进口旋流角明显可以更大，例如85°。同样，通过比较图1和图2的横坐标，可以注意到自由转子效率大得多。若以90°来表示导向叶片的封闭状态，从80°到85°表示将额定流动面积减半，并且tanα的值将从5左右变到11左右。在低质量流量的条件下(在最需要的场合)，自由转子效率的显著增大可以使人们将转子设计在额定设计条件下以低速旋转，从而可以减小压力损失，并可以降低制造成本。所述自由转子可以安装在一压缩机轴的延伸部分上，从而可以使自由转子轴承的速度较低，由此可以减少轴承的损耗。
进口导向叶片和压缩机进口之间包含所述自由转子将具有一附加益处，它可以使压缩机具有较小的轮毂对顶端直径之比。由于进口导向叶片增加了旋流从而使所述旋流角被固定在所有径向位置处，因此这不是一固体旋转。所以，在压缩机处就会有入射角失配现象。可以对自由转子的叶片几何形状进行设计，以减轻这种效应。
在图3中，标号10总地表示一离心深冷器的涡轮压缩机部分。具体地说，涡轮压缩机部分10包括一具有叶轮20的离心压缩机，如传统的那样，在上游位置具有诸个进口导向叶片22。本发明在各进口导向叶片22和至离心压缩机叶轮20的进口之间加设了一个或多个自由转子31和32。自由转子31和32可以自由旋转地支承在叶轮传动轴20-1的外伸部分上。如图所示，自由转子31和32分别通过适当的轴承33和34位于轴20-1上。在采用多个自由转子的情况中，其中一个转子可以相对于另一个转子反向旋转。
如果没有自由转子31和32，至压缩机叶轮20的流量是藉助各进口导向叶片22来控制的，各进口导向叶片在控制流量的过程中起到阀的作用，并且同时对气流还能提供一旋转作用。给予气流的旋转作用将随着对应于减小流量的增大的进口导向叶片角而增大。假定各导向叶片22都被设置呈0°，与流动方向成一直线，它们就不能起到阀的作用，并且不能为气流提供旋转作用。自由转子31和32将达到这样一个速度，以致它们不能使流至压缩机叶轮20的进口的气流旋转，就象美国专利5,437,539中所揭示的装置那样。但是，在本发明中，当各进口导向叶片22朝着封闭的方向运动时，作用于气流的合成旋流将使气流冲击在自由转子31和32上，从而使它们加速，以适应新的流动方向。在自由转子的速度调节到新的平衡速度之后，自由转子就在平均的环状空间上、越过自由转子的时间平均流动角上不起作用。但是，对于诸如那些与喘振有关的不稳定振动来说，所述自由转子可以起作用以衰减掉这些振动，这与美国专利5,437,539中所描述的是类似的。
图4所示的实施例不同于图3所示的实施例，其不同之处在于自由转子131和132的支承方式。它们不象图3所示实施例中的那样被支承在一外伸轴上，轴120-1不与自由转子131和132共同作用。具体地说，它不象图3所示实施例中的那样，由轴承结构来内部支承，自由转子131和132是分别由适当的轴承133和134自由旋转地支承在外周缘处。除了自由转子131、132的支承方式有所不同之外，涡轮压缩机110的工作情况与涡轮压缩机10的工作情况是相同的。
虽然已藉助一具有诸个进口导向叶片的离心压缩机对本发明作了图示和描述，但是，本发明通常还可以应用于那些具有一作用于进口气流的旋流的涡轮压缩机。因此，应认为本发明的保护范围只能由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种压缩机装置，它包括一具有一进口的涡轮压缩机(10)；用来供给气流至所述进口的装置；用来有选择地提供一旋流给所述气流至所述进口的装置(22)；用来衰减所述气流内的变化的装置(32；32；131；132)；所述用于衰减的装置位于所述用来有选择地提供一旋流的装置和所述进口中间，从而可以将一更稳定的气流供给至所述进口。
2.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，所述衰减装置包括一自由转子。
3.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，所述速衰减装置包括至少两个旋转方向相反的自由转子。
4.如权利要求1所述的压缩机装置，其特征在于，所述涡轮压缩机是一离心压缩机，所述用来有选择地供给一旋流的装置包括各进口导向叶片。
5.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，所述衰减装置包括一自由转子。
6.如权利要求5所述的压缩机装置，其特征在于，所述自由转子由一轴承(33；34；133；134)旋转地支承。
7.如权利要求6所述的压缩机装置，其特征在于，所述轴承位于所述自由转子的内部。
8.如权利要求6所述的压缩机装置，其特征在于，所述轴承位于所述自由转子的外部。
9.如权利要求4所述的压缩机装置，其特征在于，所述衰减装置包括至少两个旋转方向相反的自由转子。
10.如权利要求9所述的压缩机装置，其特征在于，所述轴承位于所述自由转子内部。
11.如权利要求9所述的压缩机装置，其特征在于，所述轴承位于所述自由转子外部。
全文摘要
在一诸如离心压缩机之类的涡轮压缩机中,所述涡轮压缩机具有诸如进口导向叶片之类的旋流产生结构,一个或多个自由转子位于所述压缩机的旋流产生结构和进口中间。各自由转子由气流驱动,存储在其内的动能可以缓和在压缩机进口处可观察到的气流内的瞬态变化,从而可以使它更稳定地运转。
文档编号F04D29/44GK1203320SQ9811493
公开日1998年12月30日 申请日期1998年6月18日 优先权日1997年6月23日
发明者J·S·萨布尼斯, D·L·吉斯林 申请人:运载器有限公司