CN101975190B - 一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，属于流体机械领域。微分导叶切片为整体片状结构，微分叶片数目与分布规律与导叶支架结构中的固定导叶相同，在其中的一支或多支微分叶片根部正中加工有贯通的弹片槽，可调导叶装置包括导叶支架、微分导叶切片、弹片和旋转环，其中导叶支架中的固定导叶、套筒、导流锥和支架中心轴一次加工成型，套筒尾部外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽，弹片固定在导叶支架上，微分导叶切片逐一穿过弹片槽并固定在导叶支架的中心轴上，旋转杆通过旋转杆推入槽推入限位槽中并套入旋转环；本发明实现了导叶沿叶高方向上的几何角非等角变化，获得了压气机叶轮全工况条件下的攻角匹配方法。

Description

一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置

技术领域

本发明涉及一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，用于改善压气机导叶与下游转轮之间气流角匹配特性，达到大幅拓宽压气机流量范围且改善压气机工况适应性的目的。属于流体机械领域。

背景技术

叶片式压气机是用于实现气体增压的装置，广泛应用于航空、航天、汽车、化工、电力行业。其核心部件为可高速转动的叶片式叶轮，可分为轴流式、径流式及混流式。在一定的高转速运转条件下，可通过压气机的最大气体质量流量称为堵塞流量；随着压比的提高，通过压气机的气体质量流量逐渐减小，进入压气机叶轮的气流攻角会逐渐增大，引起叶轮内部出现明显的流动分离和攻角损失。当通过压气机的气体流量减小到一定程度时，压气机叶轮内部会形成大尺度流动分离或轴向回流，引起压气机工作不稳定，继而导致压气机喘振，此时对应的通过压气机的气体质量流量称为喘振流量。堵塞流量和喘振流量的差称为压气机在某一固定转速下的流量范围。流量范围是压气机的一个重要性能指标，反映压气机适应变工况的能力，流量范围越宽，意味着压气机具有更好的工况适应性能。为拓宽压气机的流量范围，目前最常用的方法是在压气机叶轮前安置可动态调节的导叶装置，可根据压气机的实际工况调节导叶角度，从而对进入叶轮前的气流进行预旋并调节气流进入叶轮时的攻角以达到拓宽流量范围的目的。

对于目前所采用的可调导叶方法，尽管可在一定程度上实现攻角匹配和流量范围拓宽的目的，但是并不能达到理想的气流预旋效果。这是因为压气机变工况时(如转速发生变化)，叶片根部至顶部由于线速度的不同而导致气流所产生的攻角也不同。而目前所采用的可调导叶叶片为整体刚性结构，在进行旋转调节以适应压气机变工况特性时，即导叶改变气流角的幅度从根部到顶部基本相同。这就导致气流在进入叶轮时沿叶高方向无法同时实现整体最佳攻角状态，从而仍然无法避免或延迟叶轮内部部分区域的分离流动，因而对流量范围的扩展能力无法发挥至最佳状态。因而开发一种能沿叶高方向对气流进行非等变角旋流控制的导叶装置对于进一步提升压气机性能具有重要意义。

经国内外文献检索，未发现可用于实现叶轮进口气流在压气机变工况时可沿叶高方向进行非等变角控制的导流装置。

发明内容

本发明提供一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，可以有效的解决常规气流预旋无法同时兼顾叶根和叶尖的气流攻角问题，实现气流攻角沿径向的同步控制，获得极佳的扩稳效果。

一种叶片式压气机的微分导叶切片，微分导叶切片为整体片状结构，微分导叶切片上的叶片沿中心轴周向有4～10片沿周向均匀分布或非均匀分布，叶片的厚度为0.5mm～5mm，在其中的一片或多片叶片根部正中加工有贯通的弹片槽，弹片槽宽度不大于1mm，用于安装弹片。

一种包括上述微分导叶切片的可调导叶装置，还包括导叶支架、弹片、旋转杆和旋转环，外围设备为压气机机匣；其中导叶支架包括固定导叶、进气套管、导流锥和支架中心轴，进气套管尾部外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽，固定导叶、导流锥、支架中心轴以及进气套管为一次加工成型或独立加工后进行固定连接，固定导叶沿支架中心轴周向有4～10片沿周向均匀分布或非均匀分布，导流锥位于支架中心轴前端；其连接关系为：弹片固定在支架上，弹片依次穿过微分导叶切片根部的弹片槽并使微分导叶切片固定在导叶支架的中心轴上，将最后一片切片的旋转杆通过旋转杆推入槽推入限位槽中，在进气套管上对应位置套入旋转环，将进气套管与压气机机匣套接，完成可调导叶装置的安装。

固定导叶的等叶高截面形状可为等厚度板状或翼型前部形状，为翼型前部形状时叶片后端厚度应为翼型叶片的最大厚度，支架中心轴的半径尺寸范围为2mm和三分之一固定导叶直径之间；旋转杆长度大于微分叶片长度与进气套管厚度之和，其它参数与单个微分导叶切片相同；弹片为厚度小于1mm的高弹性材料薄片，其宽度应小于单个微分导叶切片上的弹片槽宽度，长度应大于所有微分导叶切片和旋转杆切片叠加后的总轴向长度5～10mm。

工作过程：转动旋转环时，旋转杆同步转动，牵引弹片变形从而同时带动导叶切片绕支架中心轴旋转实现导叶变形，其几何角变化近似等同于弹片的几何角变化。由于弹片为单端固定结构，因此距离旋转杆越近的微分导叶切片周向旋转角越大，从而实现导叶几何角沿轴向的平滑过渡；同时由于每一片微分导叶切片都绕中心轴旋转，微分导叶切片半径越大的区域周向转角越大，而越接近支架中心轴处则周向转角越小，从而实现了导叶几何角沿叶高方向的非等角变化控制。此外，通过改变弹片的径向位置，还可以调节旋转环的最大允许转动角从而调节微分导叶切片的几何角调节范围。

工作原理：根据压气机内部流动的三维流动分析发现，压气机叶轮进口的气流攻角沿叶高方向上的变化近似成线性递增的规律，基于此规律和扩稳的要求，通过旋转环和旋转杆连动实现叶片在轴向和径向两个自由度方向上的灵活调整，并维持导叶出口几何角沿径向的的线性变化，且变化幅度可以随意控制。采用这种方法，可以有效的解决常规气流预旋无法同时兼顾叶根和叶尖的气流攻角问题，实现气流攻角沿径向的同步控制，获得极佳的扩稳效果。

有益效果：本发明采用微分式叶片结构，实现了导叶沿叶高方向上的几何角非等角变化，获得了压气机叶轮全工况条件下的攻角匹配方法，填补了国内外压气机在进口可调预旋全叶高气流角匹配控制途径的空白；本发明的微分式叶片及其操纵机构结构简单，安装方面，成本较低，在对原有压气机性能不造成明显影响的前提下，将压气机的喘振线向小流量方向大幅推移，显著拓宽了压气机的流量范围，使得压气机的工况适应性得到显著改善；本发明可以广泛应用于离心、轴流压气机、风扇，尤其适用于车用涡轮增压器压气机；对于提高压气机的工作稳定性和可靠性具有重要的现实意义，尤其对车用涡轮增压器压气机的而言，应用价值尤为明显。

附图说明

图1为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构示意图；

图2为一种叶片式压气机的微分导叶切片结构示意图

图3为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构立体结构图(前端)；

图4为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构立体结构图(后端)。

图中：1-导叶支架，2-微分导叶切片，3-弹片槽，5-旋转杆，6-进气套管，7-导流锥，8-支架中心轴，9-限位槽，10-弹片，12-旋转杆推入槽，13-旋转环，14-机匣。

具体实施方式

如图2所示，一种叶片式压气机的微分导叶切片，微分导叶切片2为整体片状结构，微分导叶切片2上的叶片沿中心轴周向有8片沿周向均匀分布，叶片的厚度为3mm，在其中两片叶片根部正中加工有贯通的弹片槽3，弹片槽3宽度为0.9mm，用于安装弹片10。

如图1、3、4所示，一种包括上述微分导叶切片的叶片式压气机的可调导叶装置，还包括导叶支架1、弹片10、旋转杆5和旋转环13，外围设备为压气机机匣14；其中导叶支架1包括固定导叶、进气套管6、导流锥7和支架中心轴8，进气套管6尾部外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽9，固定导叶、导流锥7、支架中心轴以及进气套管为一次加工成型，固定导叶沿支架中心轴8周向有8片沿周向均匀分布，导流锥7位于支架中心轴8前端，其连接关系为：弹片10固定在导叶支架1上，弹片10依次穿过微分导叶切片2根部的弹片槽3并使微分导叶切片固定在导叶支架1的中心轴8上，将最后一片切片的旋转杆5通过旋转杆推入槽12推入限位槽9中，在进气套管6上对应位置套入旋转环13，将进气套管6与压气机机匣14套接，完成可调导叶装置的安装。

操作过程如图1所示，转动旋转环13时，旋转杆5同步转动，牵引弹片10变形从而同时带动微分导叶切片2绕支架中心轴8旋转实现导叶变形，其几何角变化近似等同于弹片10的几何角变化。由于弹片10为单端固定结构，因此距离旋转杆5越近的微分导叶切片2周向旋转角越大，从而实现导叶几何角沿轴向的平滑过渡；同时由于每一片微分导叶切片2都绕中心轴8旋转，微分导叶切片2半径越大的区域周向转角越大，而越接近支架中心轴8处则周向转角越小，从而实现了导叶几何角沿叶高方向的非等角变化控制。此外，通过改变弹片10的径向位置，还可以调节旋转环13的最大允许转动角从而调节微分导叶切片2的几何角调节范围。

Claims (8)

1.一种叶片式压气机的微分导叶切片，其特征在于，微分导叶切片(2)为整体片状结构，微分导叶切片(2)上的叶片沿中心轴周向有4～10片沿周向均匀分布或非均匀分布，其中一片或两片以上的叶片根部正中加工有贯通的弹片槽(3)，用于安装弹片(10)。

2.如权利要求1所述的一种叶片式压气机的微分导叶切片，其特征在于，微分导叶切片(2)上的叶片的厚度为0.5mm～5mm，弹片槽宽度不大于1mm。

3.一种包括如权利要求1所述微分导叶切片的叶片式压气机的可调导叶装置，还包括导叶支架(1)、弹片(10)、旋转杆(5)和旋转环(13)，外围设备为压气机机匣(14)；其特征在于，导叶支架(1)包括固定导叶、进气套管(6)、导流锥(7)和支架中心轴(8)，进气套管(6)尾部外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽(9)，固定导叶、导流锥(7)、支架中心轴(8)以及进气套管(6)为一次加工成型或独立加工后进行固定连接，导流锥(7)位于支架中心轴(8)前端，其连接关系为：弹片(10)固定在导叶支架(1)上，弹片(10)依次穿过微分导叶切片(2)根部的弹片槽(3)使微分导叶切片(2)固定在导叶支架(1)的中心轴(8)上，将最后一片切片的旋转杆(5)通过旋转杆推入槽(12)推入限位槽(9)中，在进气套管(6)上对应位置套入旋转环(13)，将进气套管(6)与压气机机匣(14)套接。

4.如权利要求3所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，固定导叶沿支架中心轴(8)周向有4～10片沿周向均匀分布或非均匀分布。

5.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，固定导叶的等叶高截面形状为等厚度板状或翼型前部形状，为翼型前部形状时叶片后端厚度为翼型叶片的最大厚度。

6.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，支架中心轴(8)的半径尺寸范围为2mm和三分之一固定导叶直径之间。

7.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，旋转杆长度大于微分导叶切片(2)长度与进气套管(6)厚度之和，其它参数与单个微分导叶切片(2)相同。

8.如权利要求3所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，弹片(10)为厚度小于1mm的高弹性材料薄片，其宽度小于单个微分导叶切片(2)上的弹片槽(3)宽度，长度大于所有微分导叶切片(2)和旋转杆(5)切片叠加后的总轴向长度5～10mm。

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