CN102927053B - 周向槽机匣处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于离心压气机的周向槽机匣处理方法，该方法综合考虑了离心压气机的结构特点和内部流动情况，在扩压器通道中易发生失速的位置沿轮盖侧周向开槽，为扩压器顶部区域的低速流体提供了一个回流通道，将低动能流体团抽吸进入处理槽内并沿处理槽周向和流向输运，在这一过程中，仅有部分流体重新注入主流，低动能流体区域的面积缩小并且流速也有提高，改善了扩压器顶部通道的流动状况，减弱了顶部通道的堵塞，大幅度提高了压气机的稳定工作范围，同时峰值效率和压比也有所提高。

Description

周向槽机匣处理方法

技术领域

本发明涉及一种离心压气机机匣处理方法，特别涉及一种周向槽机匣处理方法。

背景技术

离心压气机具有体积小、单级压比高和结构简单等优点，被越来越多的应用于许多领域。近年来，伴随着人们对于微小型能量转换系统的需求和兴趣的不断提升，高转速、高压比、高效率、宽工况、小型化已经成为离心压气机发展的重要趋势之一，并对其性能提出了日益苛刻的要求。当今压气机高转速、高负荷的发展趋势给压气机的稳定运行及其扩稳技术提出了新的挑战，特别是以旋转失速、喘振为代表的非定常流动失稳现象是危及压气机稳定运行的关键因素。在压气机的实际运行过程中，当流量达到性能曲线上的最小流量值后，若继续减小流量，压气机内部流动会发生突然的变化，流道内部出现失速团，流动进入失稳状态，旋转失速发生。旋转失速进一步向深度的发展，压缩系统会发生喘振，导致压缩系统中出现负流量的区域。

旋转失速的发生会使叶轮叶片承受长时间的振动应力，导致叶片寿命的降低，而喘振发生时，叶轮叶片和机匣都将承受很大的瞬时力作用，会引起更大的破坏，因此，为了确保压气机安全稳定的运行，必须尽量避免旋转失速和喘振这两种流动失稳现象。目前，一般的做法是让压气机在远离失速点的状态下工作，也就是在设计阶段就要考虑到一定的失速裕度。但是，典型压气机的高效和高参数运行区域通常临近压气机的流动失稳边界，预留一定失速裕度的做法对压气机的性能来说是一种极大的浪费。因此，对于实际应用中的压气机，通常希望其稳定工作范围尽可能宽，以使得压气机尽量在接近高效和高参数运行区域工作。而拓宽压气机的稳定工作范围，推迟气流失速的发生，对于提高压气机的性能和可靠性具有十分重要的意义，也成为压气机设计专家们致力解决的关键问题之一。

作为一种压气机内部流动失稳的被动控制策略，采用机匣处理（CasingTreatments）将有助于削弱顶部间隙泄漏流对压气机的负面影响，提高压气机的失速裕度。一种广泛应用的机匣处理形式为周向槽机匣处理，传统的周向槽机匣处理往往针对压气机转子进行，但在扩大压气机稳定工作裕度的同时常会引起效率的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够在大幅度提高压气机稳定工作范围的同时，保证效率、峰值效率和压比也有所提高的离心压气机的周向槽机匣处理方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1）首先，对轮盖侧没有开槽的压气机进行建模，并对其内部流场进行数值模拟和流动分析，确定压气机内占主导的流场结构及其流动特征，明确压气机流道内易于发生失速的区域；

2）其次，根据步骤1）确定的压气机流道内易于发生失速的区域沿压气机轮盖侧不同子午位置开设单个周向槽并对其进行建模和数值模拟，比较不同位置周向槽机匣扩稳效果及其对压气机效率的影响，确定最佳的开槽位置；

3）然后，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置固定周向槽槽深，改变周向槽槽宽，对不同宽度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽宽对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽宽；

4）进一步，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置及步骤3）得到的最佳槽宽，固定周向槽槽宽，改变周向槽槽深，对不同深度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽深对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽深；

5）最后，根据步骤2）、3）、4）确定的周向槽位置、周向槽的槽深和槽宽，由周向槽位置向外侧延伸开设相同的周向槽，确定槽齿宽即相邻槽的间距，改变周向槽数目，对不同槽数的周向槽机匣进行建模和数值模拟，比较周向槽数目对机匣扩稳效果和压气机效率的影响，确定最佳的周向槽数目。

所述的最佳开槽位置、最佳槽深、最佳槽宽及最佳周向槽数目由以下指标确定：

综合失速裕度改进量（ΔSM）: $\mathrm{\ΔSM}=\frac{{\left(Q_{m,\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}{Q_{m,\mathrm{stall}}}\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}-1$

设计点/峰值点效率变化（Δη_des/peak）:

式中：Q_m及ε_tot分别为质量流量和总压比，下标stall、des和peak分别代表失速点、设计点和峰值效率点，带有下标solid的参数为实壁机匣压气机参数，未带下标的参数为处理机匣压气机参数。

本发明提供的周向槽机匣处理方法中，周向处理槽的存在为扩压器顶部区域的低速流体提供了一个回流通道，将低动能流体团抽吸进入处理槽内并沿处理槽周向和流向输运，在这一过程中，仅有部分流体重新注入主流，低动能流体区域的面积缩小并且流速也有提高，改善了扩压器顶部通道的流动状况，减弱了顶部通道的堵塞，达到扩大压气机稳定工作范围的目的。

本机匣处理方法可以方便的实现加工，并且通过选择合适的开槽位置、处理槽几何参数和处理槽数目，能够在不损失压气机效率的前提下获得较大的失速裕度改进，因此对于改善压气机性能具有一定的意义，具有很高的社会效益及推广价值。

附图说明

图1是不同子午位置处理槽示意图。

其中，TE代表叶轮叶片尾缘，DLE和DTE分别代表扩压器叶片前缘和尾缘。

图2是有无机匣处理小尺寸离心压气机在85%设计转速（30,000rpm）时的流量效率特性曲线。

图3是有无机匣处理小尺寸离心压气机在85%设计转速（30,000rpm）时的流量压比特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

1）首先，对轮盖侧没有开槽的压气机进行建模，并对其内部流场进行数值模拟和流动分析，确定压气机内占主导的流场结构及其流动特征，明确压气机流道内易于发生失速的区域；

2）其次，根据步骤1）确定的压气机流道内易于发生失速的区域沿压气机轮盖侧不同子午位置开设单个周向槽并对其进行建模和数值模拟，比较不同位置周向槽机匣扩稳效果及其对压气机效率的影响，确定最佳的开槽位置；

3）然后，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置固定周向槽槽深，改变周向槽槽宽，对不同宽度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽宽对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽宽；

4）进一步，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置及步骤3）得到的最佳槽宽，固定周向槽槽宽，改变周向槽槽深，对不同深度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽深对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽深；

5）最后，根据步骤2）、3）、4）确定的周向槽位置、周向槽的槽深和槽宽，由周向槽位置向外侧延伸开设相同的周向槽，确定槽齿宽即相邻槽的间距，改变周向槽数目，对不同槽数的周向槽机匣进行建模和数值模拟，比较周向槽数目对机匣扩稳效果和压气机效率的影响，确定最佳的周向槽数目。

所述的最佳开槽位置、最佳槽深、最佳槽宽及最佳周向槽数目由以下指标确定：

综合失速裕度改进量（ΔSM）: $\mathrm{\ΔSM}=\frac{{\left(Q_{m,\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}{Q_{m,\mathrm{stall}}}\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}-1$

设计点/峰值点效率变化（Δη_des/peak）:

式中：Q_m及ε_tot分别为质量流量和总压比，下标stall、des和peak分别代表失速点、设计点和峰值效率点，带有下标solid的参数为实壁机匣压气机参数，未带下标的参数为处理机匣压气机参数。

根据上述周向槽机匣处理方法的设计过程对某高转速小尺寸离心压气机进行处理机匣设计，并用实验验证其作用效果。

该压气机的设计参数如表1所示。

表1小尺寸离心压气机设计参数

初步选择的处理槽槽深为2mm，槽宽为2.5mm，图1给出了不同子午位置处理槽示意图，通过对不同子午位置处理槽扩稳效果的对比分析，最终确定的处理槽前沿位置为R=84.75mm，即图中的3号处理槽。

对处理槽深度和宽度影响的研究发现：增大处理槽深度和宽度均有利于压气机失速裕度的提高，但会对压气机效率造成负面影响，因此，最终选择的处理槽深度和宽度分别为2mm和2.5mm。

最终确定的处理槽数目为3个，槽齿宽为1.5mm。

图2和图3为部分转速时有无机匣处理压气机效率、压比特性曲线，实验转速为30,000rpm，从图中可以看出，相比于实壁机匣压气机（SolidCasing），采用机匣处理后（Treated Casing），压气机稳定工作裕度有很大的提升，综合失速裕度改进量达到24.736%，同时，峰值效率提升1.729%，小流量侧压比也有明显提升。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明书而对本发明技术方案采取的任何等效的交换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种离心压气机周向槽机匣处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先，对轮盖侧没有开槽的压气机进行建模，并对其内部流场进行数值模拟和流动分析，确定压气机内占主导的流场结构及其流动特征，明确压气机流道内易于发生失速的区域；

2)其次，根据步骤1)确定的压气机流道内易于发生失速的区域沿压气机轮盖侧不同子午位置开设单个周向槽并对其进行建模和数值模拟，比较不同位置周向槽机匣扩稳效果及其对压气机效率的影响，确定最佳的开槽位置；

3)然后，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置固定周向槽槽深，改变周向槽槽宽，对不同宽度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽宽对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽宽；

4)进一步，根据压气机轮盖侧开设周向槽的最佳位置及步骤3)得到的最佳槽宽，固定周向槽槽宽，改变周向槽槽深，对不同深度的周向槽进行建模和数值模拟，比较槽深对周向槽机匣扩稳效果及压气机效率的影响，从而确定最佳的槽深；

5)最后，根据步骤2)、3)、4)确定的周向槽位置、周向槽的槽深和槽宽，由周向槽位置向外侧延伸开设相同的周向槽，确定槽齿宽即相邻槽的间距，改变周向槽数目，对不同槽数的周向槽机匣进行建模和数值模拟，比较周向槽数目对机匣扩稳效果和压气机效率的影响，确定最佳的周向槽数目

所述的最佳开槽位置、最佳槽深、最佳槽宽及最佳周向槽数目由以下指标确定：

综合失速裕度改进量(ΔSM): $\mathrm{\ΔSM}=\frac{{\left(Q_{m,\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}{Q_{m,\mathrm{stall}}}\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{tot},\mathrm{stall}}\right)}_{\mathrm{solid}}}-1$

设计点/峰值点效率变化(Δη_des/peak):

式中：Q_m及ε_tot分别为质量流量和总压比，下标stall、des和peak分别代表失速点、设计点和峰值效率点，带有下标solid的参数为实壁机匣压气机参数，未带下标的参数为处理机匣压气机参数。