CN100374733C - 一种径向单列叶片扩压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离心压气机技术中的一种径向单列叶片扩压器。其技术特征是：对应于不同工况的冲角变化范围，在叶片进口的前半部分，具有沿气流流动方向开割的连通叶型背面与腹面的不同型式的通流槽缝结构。利用通过槽缝缝隙气流的射吹或抽吸，对缝后叶型表面的边界层流态实施有效控制，使其在很大的工况变化范围内保持良好的绕流状态，大幅度改善了离心压气机的变工况性能——提高效率、扩大高效率区与稳定工作区的流量变化范围。与通过前缘部分叶片转动改变叶片进口角适应冲角变化的现有技术可调径向单列叶片扩压器方案相比，本发明与其性能相近，但因免去了复杂的电/液/气控机械调节装置，因而具有结构简单，制造成本低，安全可靠(故障率低)、使用维修方便，安装空间小的优点，故本发明很适宜替代可调径向单列叶片扩压器予以应用。本发明既可独立地用于径向单列叶片扩压器，也可作为组成之一应用于组成双列或多列径向串置叶片扩压器中的任意一列单列叶片扩压器。

Description

一种径向单列叶片扩压器

技术领域

本发明涉及离心压气机技术中的径向单列叶片扩压器。

背景技术

离心压气机中的径向叶片扩压器结构主要有无叶扩压器和叶片扩压器两种基本型式。与无叶扩压器相比，叶片扩压器的主要优点是：设计工况下的压气机级的等熵效率较高(约高3～5％)、径向尺寸较小和在叶轮出口气流绝对流出角较小的情况下仍能高效率工作；其缺点是：对工况变化的适应性差。这是因为当工况变化时，叶片进口的气流流入角就相应发生变化。这样，当实际运行工况偏离设计工况时，会使叶片进口处的气流角α₃与叶片构造的叶片进口几何角α_3A出现方向上的不一致而形成冲角 ${\stackrel{\·}{1}}_3={\mathrm{\α}}_{3A}-{\mathrm{\α}}_3$ (图1)，从而引起气流与叶片头部的“撞击”，产生“撞击损失”。一般，工况变化偏离设计工况的程度越大(也即冲角越大)，“撞击损失”就越大。“撞击损失”实质上是一种因冲角增生的边界层流动损失。在大冲角情况下，叶片头部附近叶型表面上的边界层内的气体流动会承受不住沿流动方向存在的很高正压梯度的阻力作用而出现流动分离。正值大冲角产生的叶型腹面表面流动分离(图2)，使扩压器叶栅中的气体流动出现“旋转脱离”或“喘振”现象，致使压气机不能正常稳定工作。负值大冲角产生的叶型背面表面流动分离(图3)，则导致扩压器叶栅流道中的有效通流面积因分离脱流区的挤占而急剧减少，出现“分离堵塞”现象，流经扩压器的气流无法再靠扩压器叶片流道几何面积的扩张正常实施减速扩压，致使叶片扩压器中的流动损失剧增、压气机增压压力与效率大幅度下降。因此，大冲角是诱发叶片扩压器中气流产生严重分离流动的最敏感和最重要的因素，其结果是使装有叶片扩压器的离心压气机的变工况性能变差——在等转速条件下压比和效率随流量变化的特性曲线陡峭，高效率区与稳定工作区的流量范围狭窄。

为了改善装有径向单列叶片扩压器的离心压气机的变工况性能，扩大其高效率区及稳定工作区的流量范围，现有技术采用的方案如下：

(一)可变扩压器结构

■扩压器叶片进口几何角度调节：通过电控(或液、气压控制)的机械调节装置，根据工况变化的需要，转动扩压器叶片(改变叶片在扩压器叶栅中的安装角)，使叶片的进口几何角和进口通流截面积发生改变，致使叶片扩压器的进口气流始终保持以“最佳冲角”的状态流入，彻底消除了“冲角损失”带来的不利影响，大幅度地扩大了高效率区及稳定工作区的流量范围。该技术方案的缺点是结构复杂，制造与维修成本高，装置占位空间大，存在发生故障隐患。该方案的代表性结构可参见朱大鑫编著·《涡轮增压与涡轮增压器》·北京·机械工业出版社·1992·第444～446页的介绍。

■叶片扩压器与无叶扩压器状态互相转换调节：根据工况变化的需要，使叶片在压气的扩压器部位伸出或缩进，呈现有叶状态或无叶状态两种扩压器形态的转换，从而兼顾了无叶扩压器与叶片扩压器的性能特性的优点，使压气机具有高效率和宽广的流量范围。该方案为了不变更叶片扩压器的基本结构和抑制成本而采用简易的薄壁型可变结构。为此，采用了环状膜片以气压驱动扩压器叶片的结构。将配置多片叶片的板与环状膜片连结，通过带狭缝的罩盖驱动。在环状膜片的退位处设置了弹簧，通过将叶片板压向压气机罩壳的护罩一侧，使其成为有叶状态。与此相反，在退位部位加上负压，则呈无叶状态。详见丹下浩史等·《车辆增压器用带可变扩压器压气机的开发》·上海·国外内燃机·2005年第3期·第16～18页的论文内容。该方案与叶片角度可调方案相比，其优点是结构简单、价廉、操作方便；缺点是效率较低，高效率区及稳定工作区流量范围相对较狭窄。

(二)控制边界层的措施

■在叶片上顺沿气流流动方向开割槽缝连通叶型的腹面和背面形成开缝叶片是现代航空技术普遍采用的一种控制机翼边界层流体分离的措施。采用开(参见L·普朗特等著·《流体力学概论》·北京·科学出版社·1984·第246页)；

■美国专利US5383764A公开了一种具有叶片扩压器的扩散泵，所用叶片扩压器为轴向单列叶片扩压器，工作介质为液体，扩压器叶片上具有顺流动方向开割的连通叶型腹面与背面的通流槽缝，以提高泵的变工况效率与扩大稳定工作的流量范围。该轴向叶片扩压器开缝叶片的作用原理与前述开缝机翼(前缘缝翼)相同，效果也一样。它所采用的槽缝进口在叶型腹面侧、出口在叶型背面侧的槽缝结构型式适用于控制大正冲角绕流情况的流动分离(应注意：在本发明涉及的径向单列叶片扩压器情况，这种槽缝结构型式只能有效地控制大负冲角绕流的流动分离，与其截然不同)。

采用开缝叶片控制边界层流动分离措施，可在扩压器叶片固定不动的状态下，获得与转动叶片改变叶片进口几何角的可调叶片扩压器方案相近的性能，但结构简单、成本低、不需调控、无调节故障、安全可靠、维修使用方便。美国专利US5383764A的缺陷与不足是未对开缝叶片控制边界层流动分离的机理针对不同工况的变化产生的冲角对叶片扩压器叶栅绕流的不同影响进行深入细致地研究，并据此给出在不同的变工况情形下对槽缝结构型式、槽缝数量、槽缝形状尺寸以及槽缝在扩压器叶片中配置位置的合理择用方案，以更有效地实施边界层流动分离控制。

本发明的目的在于在径向单列叶片扩压器叶栅中开发应用开缝叶片控制边界层流动分离的技术，使叶片固定不动的径向单列开缝叶片扩压器的性能在全工况范围内达到与叶片进口几何角度变化可调的径向单列叶片扩压器相近的水平，以实现用结构简单固定不动的开缝叶片扩压器对结构复杂的转动叶片可调叶片扩压器的应用替代，从而为离心压气机提供一种结构简单、成本低、使用方便可靠、能在全工况范围内获得良好性能的径向单列叶片扩压器。

发明内容

为了降低和弱化大冲角绕流在现有技术结构径向单列叶片扩压器叶栅流道内诱生严重分离流动的影响程度，本发明提供了一种可使离心压气机变工况性能获得大幅度改善的叶片扩压器新结构。本发明的技术核心是对现有技术结构径向单列叶片扩压器叶型表面上的气体流动采用了下述边界层流动控制措施——在叶片进口前缘附近的叶片前半部分，沿气流流动方向开割连通叶型腹面与背面的通流槽缝，利用通过槽缝缝隙气流的射吹或抽吸对叶型表面的边界层流态加以控制，从而可有效地抑止、限制或推迟大冲角绕流时位于槽缝后面的大部分叶片型面上的边界层分离流动的发生与发展。

利用槽缝缝隙气流控制叶型表面边界层流动分离的机理如下：因大冲角绕流而在叶片扩压器叶栅叶片进口前缘附近的背面或腹面产生的边界层低速流动或分离流动，可以利用扩压器叶片流道中的高速主流气流-或者用分流出的一小部分高速主气流，使其流经槽缝缝隙对槽缝出口侧叶型表面上的边界层低速(或分离)气流进行射吹；或者用它在通流槽缝出口侧叶型表面附近高速流过时产生的引射抽吸作用，将通流槽缝进口侧叶型表面上的边界层低速(或分离)气流经过槽缝抽吸到槽缝出口侧的叶型表面，使边界层低速(或分离)气流与高速主气流相混合，大大提高了流向槽缝后面叶型表面气流的速度，从而大幅度增强了槽缝后叶片型面上的边界层抗流动分离的能力，显著降低了大冲角绕流叶片扩压器叶栅时产生的流动损失，提高变工况效率，扩大了稳定工作的工况范围。

显然，实施本发明的技术关键是确定与槽缝有关的下列参数——槽缝数量、槽缝本身的几何形状和尺寸、以及槽缝在扩压器叶片中的配置位置。对于一个几何形状尺寸已知的现有技术结构的径向单列叶片扩压器叶栅(其叶片进口几何角α_3A通常与设计工况的进口气流角α₃相一致，即冲角 ${\stackrel{\·}{1}}_3\≈0$ )，这些参数可根据由非设计工况的常用工况范围所确定的扩压器叶片进口冲角的变化范围和欲对叶型表面边界层流动实施控制的力度要求予以确定。具体实施原则如下：

●沿气流方向开割通流槽缝的方式——槽缝进、出口位置侧叶型表面的选择，应依对扩压器叶栅常用工况相应冲角范围实施控制的要求确定。通常存在下述两种基本情况：

①槽缝进口在叶型背面侧而出口在腹面侧的情况(图4)

当气流以较大的正冲角流入叶片扩压器叶栅时，在叶片前缘附近的叶片进口部分，叶型背面侧的气流是边界层厚度很薄的高速气流，但在叶型腹面侧是边界层厚度很厚的边界层低速或流动分离的气流。这时，槽缝中的气流是由背面侧流向腹面侧的高速气流分流。它对槽缝出口位置前的叶型腹面上形成的厚边界层低速(或分离)气流在槽缝出口位置进行射吹并与之混合，使流向槽缝出口位置后的叶型腹面侧的气流速度获得显著提高、边界层厚度变薄。

与正冲角的情况不同，当气流以较大负冲角绕流扩压器叶栅时，叶片进口部分的叶型背面侧的气流是厚边界层的低速或流动分离气流，而叶型腹面侧是高速气流。由于腹面侧高速气流的引射抽吸作用，使背面侧的一部分边界层低速或流动分离气流沿槽缝流向腹面侧，并在槽缝出口位置与腹面侧的高速气流混合后流向槽缝出口位置后的叶型腹面。这时，槽缝进口位置前背面侧的低动能边界层流体因部分被抽吸转移到腹面侧，使流向槽缝进口位置后背面侧的流体动能显著增加、边界层厚度减薄。

显然，这种开割通流槽缝的方法是靠重新分配气流中的能量的办法去影响边界层，不论冲角正负均能显著弱化大冲角产生的不利影响。鉴于在边界层控制方式上，“射吹”较“抽吸”效果更佳。因此，本开割槽缝方式更适合应用于正值大冲角绕流扩压器叶栅的情况——它能有效抑制、弱化和延迟槽缝出口位置后叶型腹面上边界层分离流动的发生与发展，推迟“喘振现象”的出现。

②槽缝进口在叶型腹面侧而出口在叶型背面侧的情况(图5)

经过与①完全相同的分析，可得如下结论：本开割槽缝方式与图4所示的开割方式一样，对大冲角(不论冲角是正还是负)绕流扩压器叶栅产生的不利影响均能实施有效控制。但本开割槽缝的方式更适合应用于负值大冲角绕流的情况，它能有效抑制、弱化和延迟槽缝位置后叶型背面上边界层分离流动的发生与发展，推延“分离堵塞现象”的出现。

除了上述两种开割槽缝的基本方式外，在同时要求大幅度推延“喘振现象”和“分离堵塞现象”发生的场合，采用将上述两种方式合二为一的复合方式(图6)，也应属一种值得考虑的选择。

●通流槽缝出口位置的选择

通流槽缝对缝后叶片表面上的气体流动应起优佳的导流与边界层流动控制作用，使其在很大的工况变化范围内都保持良好的绕流状态，从而保证扩压器和整个离心压气机的效率高、高效率区与稳定工作区的流量范围宽广。

为此，首先应使槽缝出口位置位于大冲角绕流该槽缝出口所在叶面时在叶面上出现的流动分离点的位置之前。由于分离点的位置随工况而变，因此，对于叶片扩压器叶栅，一般，只能近似地将通流槽缝的出口位置选择在叶片流道进口喉部截面与叶型表面交点的前方附近，如图4～图6所示。另外，槽缝出口位置应尽量靠近叶片前缘，以使缝后具有良好流态的叶片部分占据叶片总长的比例增大。若令S表示沿槽缝出口位置所在叶型表面度量的由槽缝出口宽度的中点至叶片进口前缘的型面弧线长度，L表示由叶片进口前缘至出口尾缘的该型面弧线总长，如图4和图5所示，则表征槽缝出口位置的参数S/L宜在(0.15～0.40)范围内选择。

●槽缝出口宽度尺寸的选择

槽缝出口宽度尺寸δ(图4～图6)主要应由欲对叶型表面边界层流动实施控制的力度要求确定。δ值越大，流过槽隙参与边界层控制的气体流量越大，对边界层控制的力度也越大。但过大的δ值会使参与控制的流量过大，导致高速主流动能损耗过大，扩压器效率降低；反之，过小的δ值，对边界层控制的力度则太小，不足以实现有效控制。一般，槽缝出口宽度尺寸宜在δ＝(0.008～0.03)L范围内选择。

●槽缝形状的选择

根据槽缝自进口至出口槽缝通道宽度的变化，三种槽缝形状——缝宽保持不变的平行直线(或曲线)壁槽缝、缝宽呈渐缩收敛状的斜直线(锥形)壁槽缝和流线形曲壁槽缝，本发明均可采用.但应用效果以缝宽呈渐缩收敛状的流线形曲壁槽缝最佳，锥形壁槽缝次之，平行壁槽缝最差。因此，实用中宜优先采用流线形曲壁槽缝(如说明书附图所示)和锥形壁槽缝，平行壁槽缝则尽量少用或不用

●槽缝数量的选择

现有技术结构径向单列叶片扩压器叶栅中的叶片所采用的叶型，其叶型厚度变化和中线弯度均较小。在无冲角和小冲角绕流的情况下，这种叶型的表面一般不会出现流动分离，只是在大冲角绕流情况下，在叶片进口部分附近的叶型表面上，才出现流动分离。因此，一般在叶片进口部分附近，沿流动方向只需开割一条如图4或图5所示的槽缝，就足可以对缝后叶面上的气体流动实施有效的控制。但在某些设计工况叶片进口气流角具有超常范围(即超出α₃≈α_3A＝15°～30°的设计推荐范围)的特殊情况，其叶型厚度变化和叶型中线弯度均较大。导致这种叶型即使在无冲角或小冲角绕流的情况下，在叶片中间部分附近叶型表面的某个部位(譬如最大弯度位置附近)，也会因气动载荷过大而出现流动分离。对于这种叶型，除在叶片进口部分附近开割一条通流槽缝外，还要在易出现流动分离的叶片中间部位再增加开割一条形如图4或图5所示的通流槽缝，以实施对叶面上气体流动的有效控制(图7和图8)。

注意到在叶片进口前半部分具有图4或图5槽缝开割方式的本发明径向单列叶片扩压器结构，实质上是一种以缝前叶片部分作为前列叶片、缝后部分作为后列叶片的现有技术径向串置双列叶片扩压器结构蜕化的特殊形式。同样，对图7或图8所示的叶片具有双槽的本发明径向单列叶片扩压器结构，则可认为它是一种现有技术径向串置三列叶片扩压器结构的蜕化，或将其视为是一种以中间槽缝为分界的由缝前部分的本发明结构径向单列叶片扩压器作为前列叶片扩压器与缝后部分作为后列径向单列叶片扩压器组合而成的现有技术径向串置双列叶片扩压器结构的蜕化。

将本发明径向单列叶片扩压器结构与现有技术径向串置双列叶片扩压器结构对比，无疑，本发明在缩小径向尺寸、结构简单、工艺性和制造成本方面的优势明显。因此，在性能基本接近的情况下，将本发明结构的径向单列叶片扩压器叶栅作为组成叶栅之一(或全部)，代替(置换)现有技术结构径向串置双列或多列叶栅中的相应叶栅组成(图9)，是一种值得推广应用的方案，即既可独立地用于径向单列叶片扩压器，也可实施应用于组成双列或多列径向串置叶片扩压器中的任意一列(或全部)单列叶片扩压器。本发明适用于机翼形、圆弧形、三角形和直线形等各种叶型形状结构的径向叶片扩压器。

附图说明

图1叶片进口处的气流角α₃与叶片构造形状(叶型)的叶片进口几何角α_3A出现方向上的不一致而形成冲角 ${\stackrel{\·}{1}}_3={\mathrm{\α}}_{3A}-{\mathrm{\α}}_3$ ；

图2正值大冲角产生的叶型腹面表面上的流动分离；

图3负值大冲角产生的叶型背面表面上的流动分离；

图4槽缝进口在叶型背面侧而出口在腹面侧的情况；

图5槽缝进口在叶型腹面侧而出口在叶型背面侧的情况；

图6将图4与图5两种开割槽缝方式合二为一的复合方式；

图7和图8叶片具有双槽的本发明径向单列叶片扩压器结构；

图9将本发明结构的径向单列叶片扩压器叶栅作为组成叶栅之一，置换现有技术结构径向串置双列叶栅中的相应叶栅组成；

图10本发明构造的径向单列叶片扩压器的结构示意图。

具体实施方式

图10为本发明构造的径向单列叶片扩压器的结构示意图。径向单列叶片扩压器由圆环形底板1和扩压器叶片2组成的圆环形叶栅共两部分构成。叶栅的叶片2固结在底板1上成为一体(整体精密铸造、钎焊、电火花或数控铣加工形成)。在叶栅的叶片2的进口前缘附近的叶片前半部分，具有一条连通叶片2的背面3和腹面4、且形状由背面3至腹面4呈渐缩收敛状的槽缝5，利用该通流槽缝5可对叶片扩压器叶栅绕流实施有效控制，改善离心压气机的变工况性能。图10示例采用的只是图4示出的一种槽缝开割方式。实用中，根据需要同样也可合理选择采用本发明介绍的其它槽缝开割方案。

Claims (2)

1.一种径向单列叶片扩压器，它由圆环形底板(1)和扩压器叶片(2)组成的圆环形叶栅所构成，其特征在于：对应不同工况的冲角变化范围，在叶片(2)进口的前半部分，具有顺沿气流流动方向开割的连通叶型背面(3)与腹面(4)的不同结构型式的通流槽缝(5)——槽缝进口在叶型背面(3)侧而出口在腹面(4)侧(大正冲角绕流情况)及槽缝进口在叶型腹面(4)侧而出口在背面(3)侧(大负冲角绕流情况)和槽缝进、出口同在叶型背面(3)侧和腹面(4)侧均有(正、负大冲角绕流兼有情况)。

2.按权利要求1所述的径向单列叶片扩压器，其特征在于：叶片(2)进口前缘部分附近的槽缝(5)的出口宽度中点至叶片(2)前缘沿槽缝(5)出口所在叶型表面(3或4)度量的弧长S，应在该叶型表面(3或4)总弧长L的(0.15～0.40)倍范围内；槽缝(5)的出口宽度(δ)应在L的(0.008～0.03)倍范围内。

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