CN1015489B

CN1015489B - 多级离心压缩机

Info

Publication number: CN1015489B
Application number: CN89107871A
Authority: CN
Inventors: 小林博美; 西田秀夫; 三浦治雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1988-09-14
Filing date: 1989-09-14
Publication date: 1992-02-12
Also published as: CN1041992A; JPH0646035B2; DE68904020D1; EP0359514A2; EP0359514A3; US4938661A; DE68904020T2; JPH0278788A; EP0359514B1

Abstract

一种多级离心压缩机，具有一个可绕一轴线转动的轴，一系列离心转子固定在该轴上，其出口在它们的外圆上，连接各转子的流道形成从吸入侧到排出侧对流体进行多级压缩的通道，该流道包括一系列从各转子径向朝外布置的扩压器，每个转子和与之相连的扩压器组成一级，扩压器中至少有两个是导叶型扩压器，导叶的前缘在它们的进口端，以达到高效而少旋转脱流危险，导叶型扩压器中导叶前缘与转子出口半径之比沿流体通道从排出侧到吸入侧是增加的。

Description

本发明涉及具有同一轴线的多级压缩机，其中沿转子径向朝外设有扩压器。这种压缩机属于高压型，特别是那种出口设计工作压力至少为50大气压的高压压缩机。它们可用于例如在化学工业中喷注气体的压缩，油田空气的压缩及煤气管道输送。

迄今高压高速多级离心压缩机中，各级都布置在同一旋转轴线上，并采用无导叶扩压器。导叶式扩压器广泛用于单级或多级低压压缩机。在这些压缩机中，转子出口半径R与扩压器导叶前缘半径r之比r/R在所有级上都是定值。这种类型的多级离心压缩机在Takefumi著《通风机和压缩机》中作了讨论（由Asakura Shoten出版，1974年6月25日发行）。

导叶式扩压器尚未在高压压缩机中采用，因为具有导叶式扩压器的多级离心压缩机虽然最高效率较高，但其工作范围却较窄。随着流体在多级离心压缩机中被压缩，其体积流量变得越来越小，因而流道宽度是朝排出侧逐渐减小的。结果，后级转子的比转数小于前级转子的比转数。这样在多级离心压缩机后级的压力较高，而比转数却较小，这种现象称为“旋转脱流”它经常发生在末级侧。

无导叶扩压器中旋转脱流发生在某级压缩机流量减小，该级扩压器入口平均入流角α小于规定值时。在这种情况下，由于径向静压力升高，扩压器通道内边界层上会出现局部回流，并发展到主流。脱流区绕轴线低频旋转。

如果出现旋转脱流，由它引起的压力脉动随着流体压力的升高会变成强烈的主轴扰动力。因此产生高压级压缩机中主轴的剧振，驱动压缩机就变得很困难，因此它限制了压缩机的工作范围。

例如，图8所示的无导叶扩压器级中如在工况点C发生旋转脱流，稳定的驱动范围（SDR）的流量应大于Q_c。这意味着其工作范围较假定不发生旋转脱流时其稳定工作流量可能大于Q_a的情况窄。

Ferrara在美国机械工程学会（ASME）论述过高压离心压缩机因旋转脱流引起的振动问题（发表于1977年的77-DET-15）。

Turusaki在日本“透平机械”杂志1984年第12卷第6期323～332页更详细地叙述了旋转脱流。Nishida等人在日本机械工程学会1988年的报告第589～594页讨论了无导叶扩压器中旋转脱流产生的条件。

防止在无导叶扩压器中产生旋转脱流，通常是减小扩压器的轴向流道高度，如图9和10所示由h减小至h′，以抑制旋转脱流的出现。扩压器流道高度与转子出口高度之比逐渐减小，其径向速度从Cm增至Cm′。从而扩压器进口入流角α′比其较高扩压器通道时的入流角α大。这样就可通过加大进口入流角在同一流量下抑制旋转脱流的办法，如图11所示的那样加宽稳定驱动范围。可见，减小流道高度起到将旋转脱流发生点向喘振点转移的作用。如果扩压器流道高度比转子出口高度小许多，旋转脱流是可以避免的。但这会极大地减小扩压器流道高度，由于平均流速升高，扩压器中的摩擦损失也增加，其性能被降低。

本发明的目的是防止高压多级离心压缩机扩压器中产生旋转脱流，提供一种在宽的工作范围内可以稳定驱动的高效压缩机。

本发明采用至少两级导叶式扩压器，各级转子出口半径R与扩压器导叶前缘半径r之比r/R，从末级侧（排出侧）朝前级侧（吸入侧）是增加的。此外，在至少两级中比值r/R和h/R，其中h为扩压器轴向流道高度（导叶轴向高度），要进行选择，以满足下式：

h/R≤0.04

r/R≤1+3.3h/R。

按照这些原则设置导叶后，流体被导叶强制沿径向流动，几乎没有任何回流。也就是说，导叶式扩压器通过在无导叶扩压器开始出现回流部位的内侧设置导叶前缘，具有防止回流的作用。

因此，按照本发明，一方面提供了一种多级离心压缩机，它具有一个可绕一轴线转动的主轴，一系列固定在该主轴上的离心转子，其出口在它们的外圆上，连接各转子的管道形成了从该压缩机吸入侧到排出侧被所述各转子进行多级压缩的流体通道。所述管道包括一系列从所述各转子沿径向朝外布置的扩压器，各个转子和其相连的扩压器组成一级。所述扩压器中至少两个是导叶型，其中第一个的扩压器导叶前缘半径与转子出口半径之比比第二个的要大，第二个指的是沿所述通道离排出侧较第一个近的那个扩压器。

通常，至少有四个离心转子和至少四个导叶式扩压器。扩压器前缘半径与转子出口半径之比沿流体压缩通道从排出侧到吸入侧方向最好是逐级增加的。

本发明的高压压缩机中，在至少一级中设置导叶型扩压器较好，而在所有级上都设置导叶型扩压器则更好。导叶轴向高度与转子出口半径之比小于0.04，也可小于0.03。

为提高效率，每级导叶型扩压器最好满足：

r/R≤1+3.3h/R

其中h为导叶轴向高度，R为转子出口半径，r为扩压器导叶前缘半径。

除具有导叶型扩压器的各级以外，至少还可设置一级无导叶扩压器，它比各导叶扩压器离吸入侧更近。

本发明的压缩机设计工作排出压力典型地是至少为50大气压，且在许多情况至少为100大气压。

导叶型扩压器中，每级导叶出口半径与导叶进口半径之比最好不大于1.2。每个导叶的最大厚度最好在导叶弦长的5～12%范围内。每级导叶数典型地在10～30范围内，最好在12～20范围内。

通常，导叶在扩压器全轴向高度上延伸。

另一方面，本发明提供了一种多级离心压缩机，它具有一个可绕一轴线转动的主轴，一系列固定在该轴上的离心转子，其出口在它们的外圆上，连接各转子的管道形成了从该压缩机吸入侧到排出侧被所述各转子进行多级压缩的流体通道。所述管道包括一系列从所述各转子沿径向朝外布置的扩压器，每个转子和其相连的扩压器组成一级。所述扩压器中至少两个是导叶型的。每个导叶型扩压器和其相连的转子满足：

h/R≤0.04

和r/R≤1+3.3h/R

其中h为导叶的轴向高度，R为转子出口半径，r为扩压器导叶前缘半径。

下面结合附图的实施例以不受实施例限制方式给出的，其中：

图1是本发明的一种多级离心压缩机的轴向剖视图;

图2是图1所示压缩机一个级的具有代表性的径向剖视图;

图3是本发明的压缩机中的各转子及其导叶型扩压器的示意图;

图4是图1至图3所示压缩机的有关具体尺寸的图表;

图5是本发明的另一种实施例的轴向剖视图;

图6是图5所示实施例的类似于图4的图表;

图7是本发明的压缩机的再一种实施例的轴向剖视图;

图8至图11是解释普通多级离心压缩机特点的用图。

在图1至图3所示的高压多级离心压缩机中，旋转轴1安装在壳体3中，支承在轴承2上。离心转子4（第一级4a，第二级4b，第三级4c，第四级4d）由轴1带动。所有四级的转子出口半径R都相同，扩压器通道的轴向高度h随体积流量的变化而减小。每对相邻转子4的出口和进口用形成在壳体3中的通道5（第一级5a，第二级5b，第三级5c）顺序连接。前级（吸入侧）离心转子4a的进口与壳体3的进口6相连，末级（排出侧）离心转子4d的出口与壳体3的出口7相连。在上述通道5中，每级转子4a、4b、4c和4d的出口设有导叶型扩压器（第一级8a，第二级8b，第三级8c，第四级8d），每级转子4b，4c，4d的进口设有回流通道9（第一级9a，第二级9b，第三级9c）。

图3和图4表示转子4的出口半径R，导叶型扩压器8的高度h和该扩压器导叶的前缘半径r的关系值。这些值满足下列关系式：

r/R＜1+3.3h/R （1）

在该壳体中，扩压器导叶的后缘半径未作明确规定。

下面说明该实施例的作用。

在这种多级离心压缩机中，流体在流向末级过程中受到压缩，其体积流量不断减小，因而扩压器通道高度h总地是变得越来越窄，但扩压器通道高度愈窄，扩压器内径区域产生的回流就愈甚。该通道高度h与回流发生半径r₁之间的关系可通过下列第（2）式近似计算出来：

r₁/R

1+3.3h/R （2）

换句话说，对于给定的通道高度h，回流开始出现的半径位置可以用上述等式求得。

如上所述，扩压器中的旋转脱流是在回流发展并形成在扩压器中旋转的回流带时产生的。因此，如果扩压器中的回流开始出现就被抑制，旋转脱流就可以避免了。

在导叶型扩压器中，如果导叶前缘半径r变小，由于从离心转子4流出的高速流体冲击导叶，会对噪声和导叶的强度产生不利影响。由于导叶的进口半径r在这个实施例中是朝前级（吸入侧）在满足上述关系式（1）的范围内增加的，与比值r/R取小的数值，并在所有级上固定不变的情况相比，对噪声和导叶强度是较有利的。

此外，导叶型扩压器8既可防止旋转脱流，又不采取无导叶型扩压器所要求的减小通道高度h的做法，扩压器通道长度还可缩短，摩擦损失也小。由于流动被导叶强制导向，以及入流角大，可以获得高效率。

因此，在这个实施例中，旋转脱流可在所有级中得到防止，获得一种可以达到高效率，并可在宽范围稳定工作的多级离心压缩机。

图5和图6所示的实施例是一种具有五级的多级离心压缩机，其中低压级侧和高压级侧之间的流体进行了中间冷却。用相同的序号表示图1和图2中表示过的相应零件。

具有相同出口半径R的高压级侧离心转子组11（第一级11a，第二级11b，第三级11c）以及具有相同出口半径R的低压级离心转子组10（第一级10a、第二级10b）固定在转轴1上。低压级侧组具有无导叶扩压器12（第一级12a，第二级12b）和回流通道13，高压级侧组具有导叶型扩压器14（第一级14a，第二级14b，第三级14c）和回流通道15。在低压级组采用无导叶扩压器，而在高压级侧组采用导叶型扩压器的理由如下。

这种多级离心压缩机的转子具有宽范围的比转速。由于低压级侧（前级侧）比转速大，且为了设计方便扩压器的入流角也大，旋转脱流难以发生。在低压力级上，即使产生了旋转脱流，对转轴的小扰动力也不会引起问题。

在这个实施例中，在旋转脱流会产生麻烦的高压级组中设置了导叶型扩压器，每个扩压器前缘半径比值按图6所示确定。

因此，在这个实施例中，扩压器中的旋转脱流可末级侧中得到防止，从而获得高效率和宽稳定驱动范围的压缩机特性。

图7所示又一种实施例，除了在低压级侧组采用了导叶型扩压器外，它与图5和图6所示的相同。扩压器导叶16的前缘半径r与离心转子出口半径R之比r/R为定值。高压级侧也采用了导叶型扩压器，扩压器导叶14（第一级14a，第二级14b）的前缘半径r与转子出口半径R之比r/R与扩压器导叶高度h与转子出口半径R之比h/R满足下列关系式：

r/R＜1+3.3h/R

而在这一组中比值r/R从末级侧到前级侧是增加的。

在这个实施例中，由于低压级侧组采用了具有恒定比值r/R的导叶型扩压器，以及所获得的高效率，这种压缩机可以非常有效地被驱动。

此外，在这种压缩机中通过使低压级侧组的扩压器前缘半径r与转子出口半径R之比取定值，并令该比值r/R与扩压器导叶高度h与转子出口半径R之比h/R满足下列关系式，还达到了高效工作：

r/R＜1+3.3h/R

在上述各实施例中，如果用增加各离心转子进出口间漏失流量的办法使流过各转子的流量的增加超过流过每一级的流量，构成仅在大流量侧工作的转子，还可更有效地防止旋转脱流。

本发明的两种多级压缩机的尺寸和设计工作条件见下表1和表2。两种压缩机与图1所示基本相同，表1中的压缩机有四级，而表2中的压缩机有三级。

表1

第一级第二级第三级第四级

转子出口半径R 85mm 85mm 75mm 75mm

导叶前缘半径r 93.5mm 91.8mm 78.5mm 77.5mm

导叶后缘半径r 107.5mm 105.5mm 90.3mm 98mm

导叶数 18 18 18 18

导叶轴向高度h 3.0mm 2.6mm 2.0mm 1.8mm

半径比 r/R 1.1 1.08 1.047 1.033

高度比 h/R 0.035 0.031 0.027 0.024

主轴转速：14370rpm

气体：二氧化碳

吸入压力/排出压力：45/140at

表2

第一级第二级第三级

转子出口半径R 145mm 145mm 145mm

导叶前缘半径r 155.2mm 152.3mm 149.4mm

导叶后缘半径r′ 178.4mm 175.1mm 171.8mm

导叶数 16 16 16

导叶轴向高度h 3.7mm 3.3mm 3.0mm

半径比 r/R 1.07 1.05 1.03

高度比 h/R 0.026 0.023 0.021

主轴转数：11600rpm

气体：乙烯

吸入压力/排出压力：65/122at

Claims

1、一种多级离心压缩机，具有一个可绕一轴线转动的轴，一系列离心转子固定在所述轴上，其出口在它们的外圆上，连接所述各转子的流道形成流体从该压缩机吸入侧被所述各转子多级压缩的通道，所述流道包括一系列从各转子径向朝外布置的扩压器，每个转子和与之相连的扩压器组成一级，所述扩压器中至少有两级是导叶型扩压器，导叶的前缘在它们的进口端，其特征在于：所述导叶型扩压器中第一个扩压器的导叶前缘半径与转子出口半径之比大于第二个扩压器的相同比值，所述第二个扩压器离排出侧较所述第一个扩压器近。

2、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：具有至少四个所述离心转子，和至少四个所述导叶型扩压器，其中所述扩压器导叶前缘半径与转子出口半径之比从排出侧到吸入侧沿流体压缩通道是逐级增加的。

3、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：至少一级的导叶轴向高度与转子出口半径之比小于0.04。

4、按照权利要求3所述的压缩机，其特征在于：具有导叶型扩压器的每一级中导叶的轴向高度与转子出口半径之比都小于0.04。

5、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：每级具有导叶型扩压器，它满足：

r/R≤1+3.3h/R其中h为导叶的轴向高度，R为转子出口半径，r为扩压器导叶前缘半径。

6、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：至少一级的导叶轴向高度与转子出口半径之比小于0.04，且其中每级具有导叶型扩压器它满足：

7、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：除具有导叶型扩压器的所述各级外，它还至少有一级具有无导叶扩压器，它比各导叶型扩压器更靠近吸入侧。

8、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：设计工作排出压力至少为50大气压。

9、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的导叶出口半径与导叶进口半径之比不超过1.2。

10、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的级的每一导叶最大厚度为该导叶弦长的5～12%。

11、按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的级导叶数为10～30。

12、一种多级离心压缩机，它具有一个可绕一轴线转动的轴，一系列离心转子固定在所述轴上，其出口在它们的外圆，连接所述各转子的流道形成流体从该压缩机吸入侧到排出侧被所述各转子多级压缩的通道，所述流道包括一系列从各转子径向朝外布置的扩压器，每个转子和与之相连的扩压器组成一级，所述扩压器中至少有两级是导叶型扩压器，导叶的前缘在它们的进口端，其特征在于：每一所述导叶型扩压器和与之相连的转子间满足下列关系式：

h/R≤0.04

且r/R≤1+3.3h/R其中h为导叶轴向高度，R为转子出口半径，r为扩压器导叶前缘半径。

13、按照权利要求12所述的压缩机，其特征在于：除具有导叶型扩压器的所述级外，至少还有一级具有无导叶扩压器，它比各导叶型扩压器更靠近吸入侧。

14、按照权利要求12所述的压缩机，其特征在于：其设计工作排出压力至少为50大气压。

15、按照权利要求12所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的级的导叶出口半径与导叶进口半径之比不超过1.2。

16、按照权利要求12所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的级的每一导叶的最大厚度为该导叶弦长的5～12%。

17、按照权利要求12所述的压缩机，其特征在于：每一所述具有导叶型扩压器的级导叶数为10～30。