CN107061368A - 采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，属于叶轮机械技术领域。本发明的离心压气机包括蜗壳，离心叶轮和有叶扩压器。本发明中的有叶扩压器进口前缘位置以及叶片安装角在周向上是均匀分布的，而叶片稠度在周向上是非对称分布的，不同周向位置的稠度不相等。叶片稠度的改变通过改变流道对应的圆心角(相邻叶片前缘间距)来实现。本发明可以有效适应有叶扩压器下游周向压力畸变，降低有叶扩压器内部流场的非均匀性，有效改善离心压气机流动稳定性，拓宽离心压气机稳定工作范围。

Description

采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机

技术领域

本发明涉及一种采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

本发明所涉及的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，涉及车用、船用、航空用等各种用途增压器的离心压气机，以及航空、工业、发电等各种用途涡轴、涡桨发动机的离心压气机。

相比于已有的往复式活塞压气机，离心压气机等叶轮式压气机具有效率高、体积重量轻、运转平稳等优势。然而，离心压气机运行工况范围有限。在低流量工况下，由于大尺度流动分离等现象，离心压气机内部出现不稳定流动现象，造成失速甚至喘振等现象，将直接导致压气机压比和效率下降，缩短压气机寿命甚至在短时间内损坏压气机。

有叶扩压器是离心压气机在高压比需求下提高压气机效率的有效措施，其流道两侧采用固定背盘和机壳，中间是具有特定翼型的叶片。传统的有叶扩压器的稠度和叶片安装角通过设计点工况确定，在基于周向来流均匀的假设下保证设计点获得最优性能，能够有效的将叶轮出口气流的动能转化为静压。传统的有叶扩压器是轴对称的，其稠度以及安装角在周向方向上都是均匀分布的。而由于蜗壳等部件的存在，离心压气机内部流场往往是周向非均匀的，当压气机工作在小流量的时候，不均匀的流场导致有叶扩压器某些局部出现大尺度流动分离现象，造成流动损失，降低扩压器效率，产生局部流动不稳定；当流量进一步减小时，流动不稳定进一步恶化，导致更大尺度的流动分离甚至是气体回流，诱导压气机出现喘振现象。

发明内容

本发明目的是提出一种采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，对已有的离心压气机的结构作出改进，在保证采用有叶扩压器的离心压气机高压比高效率优点的同时，拓宽离心压气机的稳定工作范围，以有效降低离心压气机内部流场的非均匀性，抑制有叶扩压器内部流动分离，改善离心压气机气动稳定性。

本发明提出的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，包括机壳、离心叶轮、背盘和扩压器；所述的机壳与背盘相对固定，机壳外端形成蜗壳流道，所述的离心叶轮和扩压器同轴安装，离心叶轮由离心压气机旋转轴驱动，扩压器由多个扩压器叶片组成，多个扩压器叶片沿圆周固定在机壳或背盘上，相邻两个扩压器叶片之间形成流道，其特征在于扩压器叶片沿圆周安装的稠度S_i在周向可变，具体如下：

其中，i为流道序号，c为扩压器叶片的弦长，r为扩压器叶片前缘与离心压气机旋转轴中心之间的距离，即扩压器叶片的前缘半径，为与第i个流道相对应的圆心角， 为所有流道的圆心角的平均值，N为扩压器的流道数，k为计算参数，取值范围为1≤k≤50，本发明的一个实施例中，k取值为20，Δsp_i为第i个流道与相邻下游流道之间的静压差，sp_i为第i个流道出口的静压，sp_ave为N个流道出口静压的平均值，ε_i为修正参数，ε_i的取值范围为且满足本发明的一个实施例中，ε_i取值为0。

本发明提出的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，其优点是：本发明的离心压气机，由于所采用的有叶扩压器稠度和扩压器出口静压相关，且在周向可变，针对具体的流场细节进行设计，和实际的非均匀流场更加匹配，因此能够有效降低扩压器内部流场的非均匀性，更适应扩压器出口压力畸变(实际中常由于蜗壳导致)，改善有叶扩压器内部流场结构，使得流场更加均匀，提升有叶扩压器的性能，有效抑制了个别流道率先发生流动失稳而诱发压气机整体喘振，改善了离心压气机的流动稳定性。

附图说明

图1是本发明提出的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机的剖视图。

图2是图1所示的离心压气机中离心叶轮和扩压器的结构示意图。

图3是本发明一个实施例中扩压器出口静压周向分布。

图4是根据图3所示静压分布和本发明提出的方法所确定的流道对应圆心角周向分布。

图1-图4中，1是离心压气机进口，2是旋转轴，3是离心叶轮，4是扩压器，5是背盘，6是蜗壳流道，7是机壳，8是扩压器叶片，9是扩压器出口。c是叶片弦长，i是流道序号，r是扩压器叶片的前缘半径，是与第i个流道相对应的圆心角。

具体实施方式

本发明提出的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，其结构如图1所示，包括机壳7、离心叶轮3、背盘5和扩压器4。机壳7与背盘5相对固定，机壳7的外端形成蜗壳流道6。离心叶轮3和扩压器4同轴安装，离心叶轮3由离心压气机的旋转轴2驱动，扩压器4由多个扩压器叶片8组成，如图2中所示，多个扩压器叶片沿圆周固定在机壳7或背盘5上，相邻两个扩压器叶片之间形成流道，扩压器叶片沿圆周安装的稠度S_i为：

其中，i为流道序号，c为扩压器叶片的弦长，r为扩压器叶片前缘与离心压气机旋转轴中心之间的距离，即扩压器叶片前缘的半径，为与第i个流道相对应的圆心角， 为所有流道的圆心角的平均值，N为扩压器的流道数，k为计算参数，取值范围为1≤k≤50，本发明的一个实施例中，k取值为20，Δsp_i为第i个流道与相邻下游流道之间的静压差，sp_i为第i个流道出口的静压，可以通过压力测量实验或仿真得到，sp_ave为N个流道出口静压的平均值，ε_i为修正参数，ε_i的取值范围为且满足本发明的一个实施例中，ε_i取值为0。

以下结合附图，对本发明内容作进一步说明：

本发明提出的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，有叶扩压器叶片前缘位置，叶片高度，叶片形状以及叶片安装角在周向上无差别；稠度在周向方向上是非均匀分布的，不同周向位置的稠度不相等；叶片稠度的改变通过改变叶片流道对应圆心角(相邻叶片前缘间距)实现。而稠度在周向上的分布方式，和扩压器出口的静压分布相关，通过这种关联，所设计的采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机能够更好的适应内部非均匀流场，有效降低流场的非均匀性，抑制局部流动率先发生流动分离而导致的压气机提前失稳，能够有效提高压气机流动稳定性。

通过本发明的一个实施例来叙述扩压器稠度周向分布的确定方法，过程如下：

1)采用和常规轴对称有叶扩压器相同的方法，确定扩压器流道总数N，本发明实施例流道数为N＝16；

2)通过实验测量、仿真或者其他方式，获得常规轴对称扩压器出口周向静压分布。本发明实施例中扩压器出口静压周向分布如图3所示；

3)通过静压周向分布获得各流道出口的静压数值，总共N个，如图3中“+”标记所示，分别对应于不同流道i的出口静压，第i个流道的出口静压记为sp_i，其中i＝1,2,…,N，并把这N个出口静压的平均值记为sp_ave，即

4)根据公式确定各流道所对应的圆心角由于稠度所以确定了各流道所对应的圆心角在周向上的分布，也就确定了稠度在周向上的分布。在公式中，为所有流道的圆心角的平均值，即N为扩压器的流道数；k为计算参数，取值范围为1≤k≤50，本发明实施例中k取值为20；Δsp_i为第i个流道与相邻下游流道之间的静压差，即同时，对于每一个流道i所对应的圆心角通过修正参数ε_i进行调整，ε_i的取值范围为且满足本发明实施例中，对于每一个流道i，ε_i取值均为0。

5)通过步骤(4)即可确定各流道所对应的圆心角在周向上的分布，从而得到稠度在周向上的分布。本发明实施例中所得到的各流道所对应的圆心角在周向上的分布如图4所示。由于扩压器出口静压周向上的非均匀特性，所得到的各流道所对应的圆心角在周向上也是可变的，故而所得到的有叶扩压器叶片稠度是周向可变的非对称有叶扩压器。

Claims (1)

1.一种采用周向可变叶片稠度非对称有叶扩压器的离心压气机，包括机壳、离心叶轮、背盘和扩压器；所述的机壳与背盘相对固定，机壳两侧形成蜗壳流道，所述的离心叶轮和扩压器同轴安装，离心叶轮由离心压气机旋转轴驱动，扩压器由多个扩压器叶片组成，多个扩压器叶片沿圆周固定在机壳或背盘上，相邻两个扩压器叶片之间形成流道，其特征在于扩压器叶片沿圆周安装的稠度S_i为：

其中，i为流道序号，c为扩压器叶片的弦长，r为扩压器叶片前缘与离心压气机旋转轴中心之间的距离，即扩压器叶片前缘的半径，为与第i个流道相对应的圆心角， 为所有流道的圆心角的平均值，N为扩压器的流道数，k为计算参数，k的取值范围为1≤k≤50，Δsp_i为第i个流道与相邻下游流道之间的静压差，sp_i为第i个流道出口的静压，sp_ave为N个流道出口静压的平均值，ε_i为修正参数，ε_i的取值范围为且满足