一种紧凑式低转速两级离心压气机

1.本发明属于流体机械技术领域，涉及一种紧凑式低转速两级离心压气机。


背景技术：

2.在能源动力、航空航天以及石油化工等领域，离心压缩机因其具有可靠性高、体积小、质量轻等特点而被广泛使用。然而随着空气压缩系统对于高压比、高效率的要求，单级离心式压缩机已经远远无法满足，两级离心压缩机相较于单级压缩机而言，则有着压比更高，体积更紧凑的特点，逐渐开始被用于燃料电池等空气压缩系统之中。两级式离心压缩机基本由低压机压气机、高压机压气机以及两级间连接管道组成。
3.目前，对于高压比、小流量离心压缩机而言，通过提高转动部件的转速满足高压比的要求，转速基本在5万转/分钟甚至10万转/分钟以上，这便对叶轮和轴的强度有着较高的要求。同时转动部件的高转速也使得轴承的选取存在着困难，普通的滑动轴承已经无法给此种高转速的轴提供支撑，需要使用空气轴承亦或是磁力轴承，使得压缩机的机械结构异常复杂以及制造成本陡增。
4.因此，期望一种压缩机的结构，可以在相对较低的转速条件下，摆脱昂贵以及复杂的轴承限制，实现高压比，并且保证紧凑式的设计，从而适应各种工作场合的需要。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供了一种紧凑式低转速两级离心压气机，并同时具有体积小、压比高的特点。
6.为了达到上述的目的，本发明所述的紧凑式低转速两级离心压气机包括蜗壳壳体、进气管道、第一级盖板、第一级叶轮、第一级蜗壳、两级间连接弯管、第二级盖板、第二级叶轮以及第二级蜗壳；
7.第一级叶轮位于第一级盖板内部所形成的圆柱形空腔内，进气管道与第一级盖板相连接，且进气管道与第一级叶轮的流体通道相连通，第一级盖板的外周面与蜗壳壳体相接，第一级叶轮的外周面与第一级蜗壳内部的空间相连通，第一级蜗壳的端部轴向弯折后与两级间连接弯管的入口相接；
8.两级间连接弯管的出口与第二级叶轮的进口相连通，两级间连接弯管与第二级盖板相接，第二级叶轮位于第二级盖板内部所形成的圆柱形空腔内，第二级叶轮的外周面与第二级蜗壳内部的空间相连通；
9.沿气体流动方向，第一级蜗壳过流断面的横截面积逐渐增大，第二级蜗壳过流断面的横截面积逐渐增大，第一级蜗壳及第二级蜗壳过流断面横截面积的变化规律由对数螺线控制；
10.进气管道经第一级叶轮、第一级蜗壳、两级间连接弯管、第二级叶轮与第二级蜗壳相连通。
11.第一级叶轮为子午收缩和流道扩张结构，第二级叶轮为等厚度和流道扩张结构。
12.第一级蜗壳及第二级蜗壳为非对称蜗壳，第一级蜗壳及第二级蜗壳的横截面由部分椭圆与矩形构成。
13.第一级蜗壳及第二级蜗壳上均设置有无叶扩压段，无叶扩压段与第一级蜗壳及第二级蜗壳以相切圆弧的方式连接。
14.第一级蜗壳和第二级蜗壳的过流断面由矩形以及部分椭圆构成；
15.在回转角为0度到180度时，第一级蜗壳及第二级蜗壳的过流断面为保持轴向高度不变、径向长度逐渐增大的椭圆结构，在回转角为180度到360度时，第一级蜗壳和第二级蜗壳椭圆截面为保持半长轴与半短轴之比不变的椭圆结构。
16.第一级蜗壳及第二级蜗壳均具有靠近接近蜗壳进口的蜗舌。
17.两级间连接弯管扩张段为椭圆截面，两级间连接弯管的弯曲段为圆形截面。
18.第二级蜗壳的扩张管为椭圆结构。
19.两级间连接弯管的位置贴近蜗舌。
20.本发明具有以下有益效果：
21.本发明所述的紧凑式低转速两级离心压气机在具体操作时，气体在低压级和高压级根据压比的分配原理依次进行升压；低压级包括进气管道、第一级叶轮、第一级蜗壳以及两级间连接弯管，气体经过高度前弯式叶轮做功后具有较大的速度头，在第一级蜗壳以及两级间连接弯管进行扩压，并且对于两级间连接弯管的形状进行控制，减少弯折时气体分离损失；低压级中较短的无叶扩压段以及蜗舌，减少了气体在无叶扩压段中的旋转，因此减少了蜗壳之中的摩擦损失，提高了低压级的效率；高压级包括第二级叶轮以及第二级蜗壳，气体从两级间连接弯管流出并进入第二级叶轮中被叶轮带动做功，此后则在无叶扩压段以及第二级蜗壳之中进行扩压，接近第二级蜗壳出口处的管道为扩张状，气体在此段扩张管内继续进行扩压；低压级和高压级均有着三段式的扩压结构，保证叶轮出口气体的速度可以高效的转化为所需要的压力；由于采取两级压缩的方式，叶轮以及整机压气机的径向尺寸可以在很大程度上缩小，在保证低转速的条件下实现部件之间结构的紧凑。
附图说明
22.图1为本发明双级空压机的简化剖视图；
23.图2为第一级叶轮3(左)和第二级叶轮7(右)的截面图；
24.图3为第一级叶轮3的剖视图；
25.图4为第一级蜗壳4(左)和第二级蜗壳(右)过流截面分布图；
26.图5为第一级蜗壳4中无叶扩压段9结构示意图；
27.图6为两级间连接弯管5和蜗舌10相对位置图；
28.图7为两级间连接弯管5结构示意图。
29.其中，1为进气管道、2为第一级盖板、3为第一级叶轮、4为第一级蜗壳、5为两级间连接弯管、6为第二级盖板、7为第二级叶轮、8为第二级蜗壳、9为无叶扩压段、10为蜗舌、11为两级间连接弯管扩张段、12为两级间连接弯管弯曲段、13为第二级蜗壳扩压管。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
31.参考图1至图7，本发明所述的紧凑式低转速两级离心压气机包括依次设置的进气管道1、第一级盖板2、第一级叶轮3、第一级蜗壳4、两级间连接弯管5、第二级盖板6、第二级叶轮7及第二级蜗壳8；其中，进气管道1与第一级盖板2相接，第一级盖板2内部为具有柱状的空腔，第一级叶轮3位于上述的柱状空腔内，所述柱状空腔同时与第一级蜗壳4相连通，第一级盖板2与第一级蜗壳4相接；第一级蜗壳4上具有无叶扩压段9以及蜗舌10；第一级蜗壳4的出口与两级间连接弯管5的进口相接，两级间连接弯管扩张段11的横截面积随着管道的轴向延伸而线性增加，经过两级间连接弯管弯曲段12，气体流动方向经过两级间连接弯管5后相反；两级间连接弯管5与第二级盖板6相接，两级间连接弯管5的出口与第二级叶轮7的进口相连通，第二级叶轮7位于第二级盖板6内部形成的柱状空腔内，所述柱状空腔与第二级蜗壳8相连通，第二级盖板6与第二级蜗壳8相接；第二级蜗壳8具有无叶扩压段9、蜗舌10以及靠近整机出口具有扩压作用的第二级蜗壳扩压管13。
32.在工作状况下，气体经过进气管道1进入第一级叶轮3的流道中，然后经无叶扩压段9进行扩压后进入第一级蜗壳4继续扩压，气体从低压级流出后进入两级间连接弯管扩张段11中进行扩压，再经由两级间连接弯管弯曲段12实现气体流向的改变，随后气体流入高压级进入第二级叶轮7的流道内，同样经无叶扩压段9进行扩压后进入第二级蜗壳8继续扩压，最后气体则经由第二级蜗壳扩压管13进行扩压并在第二级蜗壳8的出口排出。
33.进一步，第一级叶轮3为子午面收缩和流道扩张结构，叶片的压力面与所述相邻叶片的吸力面出口内切圆直径与进口内切圆直径的比值a，其中，1≤a≤1.3，第一级叶轮3的进口宽度与出口宽度的比值为b，其中，1≤b≤1.8。
34.进一步，第二级叶轮7为等高叶片和流道扩张结构，叶片的压力面与所述相邻叶片的吸力面出口内切圆直径与进口内切圆直径的比值c，其中，1≤c≤1.2。
35.进一步，第一级蜗壳4横截面由矩形与3/4椭圆组成，矩形的长与部分椭圆的半长轴相等，矩形的宽与部分椭圆半短轴相等，矩形的长与宽都与椭圆相切，第一级蜗壳4的0度截面面积与360度截面面积之比为d，其中，10≤d≤16。
36.进一步，第二级蜗壳8横截面由矩形与3/4椭圆组成，具有更小的轴向高度，第二级蜗壳8的0度截面面积与360度截面面积之比为e，其中，10≤e≤17。
37.进一步，第一级蜗壳4和第二级蜗壳8的矩形长边的长度由对数螺旋线进行控制。
38.进一步，无叶扩压段9径向长度与第一级叶轮3的半径比值为f，其中，0.01≤f≤0.03。
39.进一步，两级间连接弯管扩张段11横截面为椭圆形，管道沿轴向延伸时，椭圆截面半长轴长度不变，半短轴逐渐增加，两级间连接弯管扩张段11出口的横截面积与进口的横截面积之比为g，其中，1.5≤g≤2。
40.进一步，蜗舌10极为贴近两级叶轮的出口，蜗舌1010所在位置的半径与第一级叶轮3半径的比值为h，其中，1.03≤h≤1.06。
41.在工作时，第一级叶轮3和第二级叶轮7均由电机驱动转动，在低压级中，气体进入第一级叶轮3内部流道，叶片对气体做功，使得气体的压力以及速度升高，再经过第一级蜗壳4将气体的速度头逐渐转化为压力，并通过第一级蜗壳4的出口实现气体从周向方向向轴向方向转变，随后气体经由两级间连接弯管5扩压后进入高压级；气体进入第二级叶轮7内部流道，经过叶片做功之后，进入第二级蜗壳8进行扩压，并通过第二级蜗壳扩压管13出口
排出。
42.仅通过示例的方式提供上文所描述的实施例，在不脱离由本发明所附权利要求限定范围情况下，各种改动和修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。