專利名稱：帶可變角度導流器的渦輪機的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及諸如離心與混流泵、鼓風機及壓縮機等渦輪機，并具體涉及具有可變角度導流器的渦輪機。
當傳統的離心與混流泵在低于泵的設計流量的流量上工作時，會在諸如葉輪與擴散器等處出現氣流分離而導致壓力上升率降低而在管道系統中產生諸如稱作“喘振”現象的不穩定性而使工作不能進行。
解決這些問題的傳統方法為提供旁通管道系統(鼓風機與壓縮機的排出管)，從而當泵的低流量威肋到泵的工作的穩定性時，便可打開一條旁通管來維持對泵的流量以維持穩定的工作并減少對設備的流量。
然而，按照這一方法，必須事先估計在泵的工作中導致不穩定性的流量，并在達到這一流量時采取步驟來打開旁通管的閥門。因此，按照這一方法，除非精確地知道導致不穩定性的流量，便不能精確地控制整個流體系統。此外，為了適當地控制整個流體系統，有必要準確地知道渦輪機在泵的各種轉速上的工作特性。因此，如果工作中包含泵的轉速的連續改變，這種控制技術便不能跟上泵工作的變化狀況。
再者，即使通過啟動旁通管上的閥門而避免了不穩定性點，泵本身的工作狀況并不改變而使泵低效率地工作，從而出現能量消耗中的浪費。此外，這種方法需要裝設旁通管與閥門，從而提高了系統的成本。
本發明是鑒于現有技術中的這些問題而作出的，其目的為提供一種具有可變角度擴散器葉片的渦輪機，這種渦輪機能通過防止由設備在低于設計流量的流量上工作而導致的不穩定現象而在廣范圍的流量上工作。
這一目的是在包括下述部件的渦輪機中達到的一個葉輪，用于將能量提供給一種流體介質并將該流體介質送至一個擴散器；設置在一個擴散器上的具有可變角度葉片的擴散器葉片，用于提高該流體介質的流體壓力；一個轉動器，用于驅動所述擴散器葉片；一個流量檢測器，用于檢測進口流量，其中擴散器葉片的工作角度是根據進口流量與擴散器葉片角之間的預定關系從流量檢測器檢測到的進口流量中確定的，并操作一個控制器來驅動該轉動器將所述擴散器葉片定位在所述工作角度上。
按照該渦輪機，葉輪可在低于設計流量的流量上將流體介質驅入擴散器中。渦輪機檢測到達渦輪機的進口流量，并根據進口流量與擴散器葉片角之間的預定關系在擴散器葉片上確定與設置最佳葉片角。因此，該設備即使在低于設備的設計流量的流量上也能工作。
本發明的這一特征是基于下述考慮的。


圖1示出靠近渦輪機(壓縮機)的葉輪出口的流體流。流出葉輪2的流的流向是用標記為A(在設計流量上)、B(在低流量上)及C(在高流量上)的三個箭頭表示的。從這一圖中可清楚地看出，在設計流量以外的流量上，相對于擴散器葉片的朝向，存在著流體流的導向偏差。在高流量C上，流體流在擴散器3的擴散器葉片3a的壓力面上具有負的入射角；而在低流量上，它在擴散器葉片3a的吸力面上具有正的入射角。這一條件產生氣流分離，從而引發圖2中所示的狀況，即擴散器損耗在高于與低于設計流量的流量上都會增加。當流量太低時，便開始不穩定，如果流量仍繼續降低，便會出現喘振。喘振在管道系統中誘發流體壓力的極大變化，終于導致泵不能工作。
這一問題可通過使擴散器的葉片角可變化而加以解決，并且如果將葉片角調整到適應葉輪的出口流的流角，例如圖1中箭頭B，則即使到達極低的流量，也能減少擴散器損耗，如圖2中的虛線所示。因此，避免了不穩定性的發生，從而使泵能在低流量上平穩地工作并改進泵的整體性能，如圖3中虛線所示。
根據對擴散器葉片的效率的當前研究，葉輪出口區中的擴散器葉片的最佳角度相對于葉輪的無量綱進口流量是大致上線性的，如圖4中所示。已經證實，通過控制擴散器葉片角，直到零流量都能避免喘振現象。
對于泵而言，不同轉速上的流量與擴散器葉片角之間的關系可用一條直線(圖4中N1)來近似表示。對于壓縮機而言，不同轉速上的流量與擴散器角之間的關系取決于轉速。如圖4中所示，在不同的速度N2，…，N4上，由于氣體的可壓縮性而有各不相同的線性關系。這些線的斜率可用實驗結果或通過假設葉輪出口處的一定條件而計算出。
從這些結果中可以看出，如果能夠在工作狀態下找出泵的無量綱進口流量，則對于任何類型的渦輪機都能找出適應這一流量的一個最佳擴散器葉片角。
結果，通過利用無量綱原始進口流量并從中得出擴散器葉片角，并確定一個最佳擴散器葉片角及利用一個控制器來調整擴散器葉片角而將這一角度設定在擴散器葉片上，便有可能避免喘振的發作而提供渦輪機的平穩工作。
本發明的另一特征為包括下述部件的一種渦輪機一個葉輪，用于將能量提供給一種流體介質并將所述流體介質送至一個擴散器；配置在所述葉輪上游的一塊進口導流葉片；一個工作參數輸入設備，用于輸入達到所述渦輪機的規定工作狀況所需的工作參數；一個計算處理器，用于從傳感器測定的進口流量與壓力頭值中計算所述進口導流葉片的工作角度，以便達到所述規定的工作狀況；以及一個第一驅動控制器，用于操作所述進口導流葉片，從而將所述進口導流葉片定位在所述計算處理器計算出的所述工作角度上。
本發明的這一特征是基于下述考慮的。
一旦限定了工作狀況，便能相似地對待所有的渦輪機。圖5為說明泵特性與系統阻力曲線之間的關系的曲線。一開始便假定泵在進口導流葉片角為零時的性能是已知的。
首先，用泵工作所需的流量Q與壓力頭值H計算流系數φ(＝4Q/πD22U22)及壓力系數ψ(＝gH/U22)。
假定通過工作點(φ，ψ)與原點的曲線為一條二次曲線，(如果有一個固定的系統阻力，這可從ψ軸上的截距得出)，便可得出該曲線的系數。通過計算或其它方法得出該曲線與泵在零葉片角上的已知性能曲線的交點的坐標(φ’，ψ’)。
用下式從φ’的值中得出流量Q’的值。
Q’＝φ’πD22U2/4。
令葉輪的面積為A1，從下式給出葉輪處的進口軸向速度分量Cm1Cm1＝Q’/A1＝φ’πD22U2/4A1。
泵的壓力頭值H’是從葉輪處的端速U2與絕對速度的切向分量Cu2之積U2Cu2與葉輪處的速度U1與絕對速度的切向分量Cu1之積U1Cu1的差中以下式得出H’＝(U2Cu2-U1Cu1)/g這里，ψ’＝gH’/U22，因此得到ψ’＝(U2Cu2-U1Cu1)/U22。
由于進口導流葉片角為零，絕對速度的切向分量Cu1為零。因此，葉輪出口處的絕對速度的切向分量Cu2由下式給出Cu2＝U2ψ’。
根據當前的研究結果，得到絕對速度的切向分量Cu2只取決于流量，而與進口導流葉片角無關。
利用這些結果，工作參數的值由下式給出φ＝(U22φ’-U1Cu1)/U22＝φ’-U1Cu1/U22因此，絕對速度的切向分量Cu1由下式給出Cu1＝(ψ’-ψ)U22/U1。
滿足工作參數的進口導流葉片角由下式給出α＝arctan(Cu1/Cm1)＝arctan(A1(φ’-φ)U2/(D22φ’U1))＝arctan(A1(φ’-φ)U2/D2D1rmsφ’)其中D1rms為葉輪進口處的根均方直徑，并定義k＝A1/(D2D1rms)則可得到α1＝arclan(k(ψ’-ψ)/φ’)。
按照上面提出的渦輪機，通過輸入諸如流量Q或壓力頭H的所要求條件，便可按照上述公式計算出最適當的進口導流葉片角，從而渦輪機的工作可呈現其最佳性能。
圖1為存在于葉輪出口區中的流體流狀況的示意圖。
圖2示出無量綱流量與擴散器損耗之間的關系。
圖3示出無量綱流量與無量綱壓力頭系數之間的關系。
圖4示出無量綱流量與擴散器葉片角之間的關系。
圖5為說明泵的性能與泵的系統阻力曲線的曲線。
圖6為單級離心壓縮機的具有可變角度葉片的渦輪機的一個實施例的剖面圖。
圖7為圖6中所示的致動器的詳細局部側視圖。
圖8為展示本發明的渦輪機的處理步驟的流程圖。
圖9為確定流量的邏輯流程圖。
圖10示出具有可變角度葉片的實施例的渦輪機的結果。
圖11示出本發明的渦輪機中不同葉片角上的無量綱流量與無量綱壓力頭系數之間的關系(上部曲線)；以及不同葉片角上的無量綱流量與無量綱效率之間的關系(下部曲線)。
圖12示出傳統的渦輪機中不同葉片角上的無量綱流量與無量綱壓力頭系數之間的關系(上部曲線)；以及不同葉片角上的無量綱流量與無量綱效率之間的關系(下部曲線)。
下面參照圖6至10提出本發明的具有可變角度葉片的渦輪機的一個實施例。
圖6與7示出可應用可變角度葉片的單級離心式渦輪機，其中圖6為渦輪機的剖面圖而圖7則為該設備的局部側視圖。渦輪機從一個吸入管1接受一個流體流，以及一個葉輪2將能量供給流體流以將其送至一個擴散器3來增高其壓力。加壓后的流從一個蝸室4排放到排出管5。在吸入管1中，沿周邊方向設置多個扇形進口導流葉片6，并通過傳動裝置7將它們可操作地連接在一個致動器8上。配置在葉輪2下游的擴散器3具有通過傳動裝置9可操作地連接在一個致動器10上的擴散器葉片3a。吸入管1上設有測定進口流量的流量傳感器11，而排出管5上則設有用于測定排放壓力(頭)的一個壓力傳感器12。設有用于操作致動器8、10的一個控制器13，而流量傳感器與壓力傳感器的輸出端則電連接在其上面。
圖8示出控制器13的配置的方框圖。如該圖中所示，具有可變角度葉片的渦輪機包括一個計算處理器部分U，包含用于測定渦輪機的轉速、進口流量與壓力頭的上升及為進口流量確定擴散器葉片3a的最佳角度的一個計算部分21，以及用于存儲進口導流葉片完全打開時事先確定的渦輪機的工作參數的一個存儲部分22；一個輸入設備23，用于輸入渦輪機的必要工作參數；一個第一驅動控制器24，用于控制進口導流葉片6的角度；一個第二驅動控制器25，用于控制擴散器葉片3a的角度；以及一個第三驅動控制器26，用于控制葉輪2的轉速，即渦輪機的轉速。
渦輪機是設計成這樣工作的，使得該設備能在輸入設備23所輸入的必要工作參數下工作。這是利用包含計算部分21與存儲部分22的計算處理器U達到的，從而可以確定進口導流葉片6的角度并操作進口導流葉片6而將葉片6定位在這樣確定的角度上，操作擴散器葉片3a使之設定在根據進口流量的一個適當角度上，并控制渦輪機的轉速以達到穩定地工作。下面說明擴散器葉片角的調整。
圖9為使渦輪機能在規定的工作狀況下在其最大工作效率上工作并在工作系統中不引入喘振的流程圖。這是通過將進口導流葉片6的角度設定在操作該設備來滿足所要求的工作狀況所需要的適當角度上，同時設定擴散器葉片3a來防止渦輪機中的喘振而達到的。進口導流葉片6的角度α是根據下述工作參數確定的葉輪2的轉速N、所要求的流量Q及壓力頭H。
如果該渦輪機提供有可變轉速的能力，預先將一個適當的速度輸入到該設備中。在步驟1中，輸入所要求的流量Q與壓力頭H；在步驟2中，計算流量系數φ、壓力系數ψ。接著，在步驟3中，計算通過流量系數Q與壓力系數ψ的一條二次曲線；在步驟4中，計算該曲線與在進口導流葉片零角度上的渦輪機的工作特性的交點φ’，ψ’；以及在步驟5中，按照下式計算進口導流葉片的角度α＝arctan(k(ψ’-ψ)/φ’)，其中k為一個常數。
在步驟6中，控制進口導流葉片6的角度；而在步驟7中，檢驗該值是否為零(即葉片完全打開)。如果角度不為零；則在步驟9中測定流量并計算參數φ”，ψ”。接著，在步驟10中，檢驗壓力頭是否適當，并且如果壓力頭值不適當，則在步驟11中計算α’；并在步驟12中計算量(α-α’)，而后控制步驟返回到步驟6。
如果步驟6中的角α為零且渦輪機末提供有轉速改變能力，則控制步驟返回至1去重設工作參數。如果渦輪機提供有速度改變能力，則在步驟8中改變速度，并且控制步驟進行到步驟9。
在步驟10中，如果壓力頭值是適當的，則由步驟13以后的步驟控制擴散器葉片。在步驟13中，利用步驟9中測定的進口流量，從圖10中所示的無量綱進口流量與擴散器葉片角之間的關系確定擴散器葉片角。在步驟14中，改變擴散器葉片角。測定擴散器葉片角改變后的流量與壓力頭值；并在步驟15中從測定的值計算φ”，ψ”的值。在步驟16，檢驗壓力頭H是否為適當的值，如果壓力頭值H不適當，則控制步驟返回至步驟11。
步驟13中所利用的圖10中的曲線是在壓縮器中得到的數據的概要，并在X軸上表示用設計流量除工作流量得出的無量綱流量，而在Y軸上則為擴散器葉片角。這一曲線示出通過在各流量與轉速上改變擴散器葉片角而得到的壓縮機的最穩定工作的擴散器葉片角。例如，流量的穩定性是用記錄在配置在管道與泵殼中的壓力傳感器中的壓力改變判斷的。
圖10示出在這一研究中的實驗結果圓圈指在轉動馬赫數為1.21與進口導流葉片設定在零角度時的結果；而正方形則指轉動馬赫數為0.87且進口導流葉片設定在零角度上的結果；三角形指轉動馬赫數為0.87而進口導流葉片設定在60度上時的結果。
因此，可從看出渦輪機穩定工作的擴散器葉片角只依賴于流體流量，并且即使改變了進口導流葉片角，也能通過大致上沿直線調整擴散器葉片角而防止喘振。還能看出，直線的斜率取決于葉輪的端速的轉動馬赫數，即渦輪機的轉速。
圖11與12示出具有固定角度擴散器葉片的傳統渦輪機的整體性能特征(圖12)與設有可變角度擴散器葉片的本發明的渦輪機的性能特征(圖11)的比較。可以看出本渦輪機即使在接近關閉流量的低流量上也能平穩工作。
圖6至12中所提出的實施例是基于單個單元的計算處理器U的，但也可以為不同的計算需求設置獨立的計算處理器。另外，驅動控制器是分成第一、第二與第三驅動控制器的，但用一個控制器也能同樣完善地服務于這些功能。
權利要求
1.一種具有可變角度導流裝置的渦輪機，包括一個葉輪，用于將能量提供給一種流體介質并將所述流體介質送至一個擴散器；設置在一個擴散器上的具有可變角度葉片的擴散器葉片，用于增加所述流體介質的流體壓力；一個轉動器，用于驅動所述擴散器葉片；一個流量檢測器，用于檢測進口流量；其中所述擴散器葉片的工作角度是根據進口流量與擴散器葉片角之間的預定關系從所述流量檢測器所檢測到的進口流量中確定的，并操作一個控制器來驅動所述轉動器將所述擴散器葉片定位在所述工作角度上。
2.權利要求1中所提出的一種渦輪機，其中進口流量與擴散器葉片角之間的關系是大致上線性的。
3.權利要求2中所提出的一種渦輪機，其中所述關系的斜率是由所述葉輪的轉速決定的。
4.權利要求1中所提出的一種渦輪機，其中當通過調整所述擴散器葉片的所述工作角度得不到特定的壓力頭值時，所述控制器便調整所述渦輪機的轉速。
5.權利要求1至4中一項中所提出的一種渦輪機，其中所述機器在所述葉輪上游配置有可變角度進口導流葉片，當通過調整所述擴散器葉片的所述工作角度得不到特定的壓力頭值時，便將所述進口導流葉片調整到一個葉片角上。
6.一種具有可變角度導流裝置的渦輪機，包括一個葉輪，用于將能量提供給一種流體介質并將所述流體介質送至一個擴散器；配置在所述葉輪上游的一個進口導流葉片；一個工作參數輸入設備，用于輸入達到所述渦輪機的規定的工作狀況所需的工作參數；一個計算處理器，用于根據傳感器測定的進口流量與壓力頭值計算所述進口導流葉片的工作角度，以便達到所述規定的工作狀況；以及一個第一驅動控制器，用以操作所述進口導流葉片，以便將所述進口導流葉片定位在所述計算處理器計算出的所述工作角度上。
7.權利要求6中所提出的一種渦輪機，其中所述計算處理器根據由流量/壓力系數定義的一條參照性能曲線與一條通過一個所要求的工作點的曲線的一個交點，結合所述要求的工作點上的流量/壓力系數，確定所述進口導流葉片的所述工作角度。
8.權利要求5中所提出的一種渦輪機，其中所述擴散器上設置有可變角度擴散器葉片，及所述計算處理器根據進口流量與葉片角之間的預定關系確定所述可變角度擴散器葉片的葉片角，并操作一個第二驅動控制器來將所述擴散器葉片定位在所述葉片角上。
9.權利要求6中所提出的一種渦輪機，其中進口流量與擴散器葉片角之間的關系是大致上線性的。
10.權利要求7中所提出的一種渦輪機，其中所述關系的斜率是由所述葉輪的轉速決定的。
11.權利要求5至8中一項中所提出的一種渦輪機，其中所述渦輪機上設置有一個第三驅動控制器來控制所述渦輪機的轉速。
全文摘要
本發明提出的渦輪機能在低于設計流量的流量上穩定工作而不導致喘振。這是通過設置帶可變角度葉片的擴散器而達到的。調整低流量上的葉片角而減小來自葉輪的出口流體流的擴散器損耗。由于葉輪的出口流的流角只是無量綱流量的函數而不依賴于葉輪進口處的流角，因此可以調整葉片角來達到渦輪機在低于設計流量的流量上穩定工作而不導致喘振。除了可變角度葉片之外，還設置了具有可變葉片角的進口導流葉片，使渦輪機能在所要求的流量與壓力頭壓力上工作。
文檔編號F04D27/02GK1115011SQ9510552
公開日1996年1月17日 申請日期1995年5月23日 優先權日1994年5月23日
發明者原田英臣, 武井和生 申請人:株式會社荏原制作所