CN101363452A - 保形通道式扩压器及其三维设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是保形通道式扩压器及其三维设计方法，其结构是周向周期性安置若干个保形设计的三维主通道，各主通道内后段设有分流叶片，相邻主通道间则形成整体的扩压器主叶片。设计方法是用一条中心线上若干位置处与当点切线垂直的截面外轮廓构成主通道，中心线扭转进行保形设计；沿程截面面积分布采用上凸型分布，主通道的沿程截面采用可削弱横向流动的气动优化形状；扩压器通道后段设置的分流叶片直接截取并减薄主叶片得到；设置分流叶片的周向位置。优点：改善扩压器内流动，减小流动损失，消除了现有扩压器分段部分的流动脱离和掺混损失；减小扩压减速流动过程中的损失；减少低能流体在角区的堆积；约束气流沿着叶片的走势流动，保持流动的顺畅。
Description
技术领域
本发明涉及的是离心或斜流压气机的静子扩压器，特别是一种保形通道式扩压器及其三维设计方法，可以改善扩压器内流动，减小流动损失，从而使压气机能达到更高的效率和压比，属于径流式压气机技术领域。
背景技术
在广泛应用于中、小以及微型涡轮发动机的离心/斜流压气机级中的静止部件扩压器内，气流减速扩压将动能最大可能地转化为压力能。由于扩压器上游及自身内部流动附面层增长以及流体微团从扩压器分段部分脱离和掺混(附图1)都会导致扩压过程效率低下，从而使其成为涡轮机械设计主要问题之一。
离心/斜流压气机扩压器内流动的本质可看作是管道流动，扩压过快会导致较大的滞止压力损失，而另一方面如果扩压过慢流体将要通过较长的通道而使得摩擦损失增加，扩压器内流动的扩压程度需小心控制，而影响流动扩压程度的主要因素是流通截面的面积分布。现在离心/斜流压气机广为采用的叶片式扩压器结构上分为径向叶片段、转弯段以及轴向叶片段，这样的结构使得扩压器进口至出口的面积分布变化不连续不顺畅增加了流动损失。
扩压器通道内流动状态受通道截面形状的影响，如：矩形截面管流中角区会存在横向流动形成旋涡流动增加流动损失、减小有效流动面积，而圆形截面管流中横向流动则大为减弱。因此，离心/斜流压气机扩压器叶片通道流通截面形状的优化设计也将可以提高扩压器的效率。
发明内容
本发明旨在克服现有叶片式扩压器存在的上述不足，提出了着眼于通道设计的保形通道式扩压器，有效地控制扩压器通道的扩压程度，消除流体在分段部位脱离和掺混引起的损失，减小通流截面上的横向流动，从而实现高效率的扩压效果。
本发明的技术解决方案：保形通道式扩压器的结构是周向周期性安置的若干个三维主通道及该主通道内后段设置的分流叶片所组成，相邻主通道间则形成扩压器的主叶片。
保形通道式扩压器的三维设计方法：用一条中心线上若干位置处与当点切线垂直的截面外轮廓构成主通道，中心线扭转根据扩压器进出口条件进行保形设计；沿程截面面积分布采用上凸型分布，上凸型面积分布的扩压器通道内流动先较快地减速；缓慢地减速扩压并进入转弯段；主通道的沿程截面采用可削弱横向流动的气动优化形状；扩压器通道后段设置的分流叶片直接截取并减薄主叶片得到；保证分流叶叶片两侧通道的质量流量相等为目标设置分流叶片的周向位置。
本发明的优点：改善扩压器内流动，减小损失，从而使离心/斜流压气机级能达到更高的效率和压比。本发明的保形通道式扩压器的通道从进口至轴向出口结构上无分段，从而消除了现有径向转轴向的离心/斜流压气机扩压器分段部分的流动脱离和掺混的损失；连续顺畅的上凸型流通截面积分布可有效减小扩压减速流动过程中的损失；流通截面采用气动优化的任意形状抑制扩压器通道截面角区的二次流，减少低能流体在角区的堆积；同时，在后段设置的分流叶片将有效地约束气流沿着叶片的走势流动，保持流动的顺畅。
附图说明
附图1是现有典型叶片式扩压器分段部分流动示意图。
附图2是保形通道式扩压器结构示意图。
附图3是保形通道式扩压器流动示意图。
附图4是保形通道式扩压器单通道进口示意图。
附图5是保形通道式扩压器单通道出口示意图。
附图6是保形通道式扩压器单通道沿程截面示意图。
图中的1是表示径向叶片；2是表示轴向叶片；3是表示扩压器进口气流；4是表示扩压器出口气流；5是表示气流脱离径向叶片后进入轴向叶片前在分段部分中的流动；6是表示三维主通道；7是表示主叶片；8是表示分流叶片；9是表示圆柱、圆锥等回转面；10是表示单个三维主通道的进口截面；11是表示扩压器出口轮缘与轮毂边形成的圆环；12是表示单个三维主通道的出口截面；13是表示单个主通道沿程的任一截面。
具体实施方式
对照附图2，其结构是由周向周期性安置的若干个三维主通道6及主通道内后段的分流叶片8组成，相邻主通道间则形成扩压器的主叶片7。分流叶片用以加强对气流贴合叶片流动的约束。
对照附图4，其结构是通道的进口由通道与进口处的圆柱或圆锥等回转面9相交形成。
对照附图5，其结构是通道的出口由扩压器出口轮缘与轮毂边形成的圆环11按主通道数分割所得的截面。
对照附图6，其结构是进口至出口间的通道法向截面形状为气动优化的形状。
所述的主通道是由进口至出口为不分段，且流通截面面积变化连续。主通道的出口是圆环段。
所述的主通道是由一条中心线上若干位置处与当点切线垂直的截面外轮廓构成，中心线扭转根据扩压器进出口条件以气流不脱离叶片的约束为原则设计，沿程截面面积采用连续顺畅的上凸型流分布有效减小流动损失。
流通截面的形状是在给定面积的条件下采用气动优化的形状有效抑制扩压器通道截面角区的二次流，减少低能流体在角区的堆积，且通道法向截面形状由进口至出口连续变化、光滑过渡。在设计流通截面形状时考虑结构、工艺的因素，选择气动性能优越、结构容易与其它部件匹配且工艺简单的截面形状。在结构的方面：如采用叶片与机匣分开的开放式通道时，其通道截面机匣处的边缘由机匣与截面所在平面相交确定，其余边缘由气动优化任意确定；如采用机匣与叶片、轮毂一体的封闭通道，则其通道截面形状是气动优化的任意形状。在加工工艺方面：采用机械加工的工艺进行生产时采用叶片与机匣分开的开放式通道，而采用铸造的工艺进行加工时可采用开放式通道截面或封闭式通道。
分流叶片前缘流向位置设置于气流开始偏离主叶片处，其周向位置以分流叶片两侧通道流量尽可能相等的原则确定。
离心/斜流压气机扩压器的进口条件由其上游的转子叶轮出口状态决定，扩压器的出口条件由下游部件的需求给定，因此对一特定的扩压器而言其进出口流动参数是确定的，也就是扩压器出口与进口的压力之比是确定量，扩压器设计的关键内容则就是控制流体压力在进口到出口的变化(即扩压度的分布)。由管道流动的基本原理可以知道通道内扩压度分布的决定性因素是通道面积分布，所以本发明的保形通道式扩压器通道的面积分布以性能最佳为目标严格控制，而扩压器的叶片却是由相邻通道的间接形成。通道内流动状态受通道截面形状的影响，如：矩形截面直管流中角区会存在横向流动形成旋涡流动增加流动损失、减小有效流动面积，而圆形截面直管流中横向流动则大为减弱，因此本发明的保形通道式扩压器主通道的沿程截面采用可以削弱横向流动的气动优化形状。通道下游周向宽度的增加、附面层的增长以及逆压力梯度作用会使得在扩压器的后段流动难免出现偏离叶片的约束甚至分离，为了改善这一情况本发明在扩压器通道的后段设置了分流叶片。
Claims (7)
1、保形通道式扩压器，其特征是周向周期性安置若干个保形设计的三维主通道，该主通道内后段设有分流叶片，相邻主通道间则形成整体的扩压器主叶片。
2、根据权利要求1所述的保形通道片式扩压器，其特征是所述的主通道的进口由主通道与主通道进口处的圆柱或圆锥等回转面相交形成。
3、根据权利要求1所述的保形通道片式扩压器，其特征是所述的主通道的出口由扩压器出口轮缘与轮毂边形成的圆环按主通道数分割所得的截面。
4、根据权利要求1所述的保形通道式扩压器，其特征是所述的主通道由进口至出口不分段流道，沿程流通截面形状是气动优化形状。
5、根据权利要求1所述的保形通道片式扩压器，其特征是所述的主通道是由一条中心线上若干位置处与当点切线垂直的截面外轮廓构成，中心线扭转沿程截面面积光顺、变化连续的分布。
6、根据权利要求1所述的保形通道式扩压器，其特征是所述的分流叶片周向设置于分流后两侧通道流量接近处。
7、保形通道式扩压器三维设计方法：其特征用一条中心线上若干位置处与当点切线垂直的截面外轮廓构成主通道，中心线扭转根据扩压器进出口条件进行保形设计；沿程截面面积分布采用上凸型分布，上凸型面积分布的扩压器通道内流动先较快地减速；缓慢地减速扩压并进入转弯段；主通道的沿程截面采用可削弱横向流动的气动优化形状；扩压器通道后段设置的分流叶片直接截取并减薄主叶片得到；保证分流叶叶片两侧通道的质量流量相等为目标设置分流叶片的周向位置。
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2008
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