CN111120405A - 一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法，具体来说是一种基于非对称蜗壳将其来流位置沿轴向进行偏置的应用。针对非对称蜗壳初始形状，将蜗壳沿周向分为若干子午截面位置并获取截面形状，针对每一个截面形状将来流位置进行轴向偏置；采用相切的方式光滑过渡蜗壳截面与来流，连接所有截面形状并构建蜗壳螺旋管段结构；重构蜗壳扩压管段与隔舌结构并与原结构相一致，最终实现非对称蜗壳的偏心设计。本发明使用的非对称蜗壳的偏心设计结构可有效限制蜗壳内的射流运动并抑制二次流的发展，有利于改善蜗壳流场结构并提高气动性能；可有效降低加工成本。

Description

一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法
技术领域
本发明适用于压缩机、风机等离心叶轮机械技术领域，涉及一种非对称蜗壳及其设计方法，尤其涉及一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法，具体来说是针对非对称蜗壳的来流位置，将其沿轴向进行适当距离的偏置，通过对蜗壳螺旋管段的改进设计以及螺旋管段与扩散段、隔舌的三维结构重构实现新型轴向偏置非对称蜗壳的设计。
背景技术
如图1所示，对于压缩机、风机等现有离心叶轮机械而言，通常包括由内向外依次布置的离心叶轮100、扩压器200和蜗壳300等结构部件，蜗壳300主要用于汇集从叶轮和扩压器甩出的气体并对其进行导流。离心叶轮100、扩压器200在径向平面上是轴对称的，而蜗壳300在径向平面上则包括对称和非对称两种结构形式，其中，对称蜗壳的子午截面的截面积沿气流旋转方向保持不变，而非对称蜗壳的子午截面的截面积沿气流旋转方向则逐渐增大，其结构在整体上呈现为螺旋形，图2中示出的蜗壳300就是一种典型的非对称蜗壳。通常而言，对称蜗壳的气动效率较低，而非对称蜗壳则公认具有较高的气动效率，在离心叶轮机械中具有广泛应用。
在离心叶轮机械中，蜗壳作为关键的静部件，对整机的气动性能有重要影响，对蜗壳的气动结构进行改进，以追求更高的气动效率一直是为之努力的方向。虽然非对称蜗壳较之对称蜗壳具有较高的气动效率，然而现有非对称蜗壳也存在不足之处，主要表现在内部流动复杂，由于非对称的结构特点在周向会形成一个非均匀的压力场，蜗壳内部流动因射流现象导致的气动损失仍旧较大。因此，对非对称蜗壳结构进行适当形式的改进，可进一步提高整机的气动性能。此外，在非对称蜗壳的加工过程中，受制于加工工艺，一般情况下蜗壳需要被拆开加工，对加工精度与精确定位提出了更高的要求。为解决这一难题，对现有非对称蜗壳的结构形式进行改进是一种可行的方式，并且可有效规避这一难题。
发明内容
针对现有非对称蜗壳的上述缺陷及不足，为进一步提升非对称蜗壳的气动效率进而改善整机的气动性能，并在一定程度上解决蜗壳加工工艺问题，本发明的目的在于提供一种轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法，通过将现有非对称蜗壳的来流位置进行轴向偏置，将蜗壳内的射流运动限制在局部区域，从而抑制二次流的发展与传播，削弱局部区域的湍流强度，降低摩擦损失并改善流场，继而提高了蜗壳的气动性能，并可有效降低蜗壳的加工成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种轴向偏置的非对称蜗壳的设计方法，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：
SS1.选择一现有非对称蜗壳作为初始蜗壳结构，所述非对称蜗壳包括螺旋管段和扩压管段，其中，所述扩压管段形成在所述螺旋管段的周向出口处，所述扩压管段与所述螺旋管段的起点相交位置处形成为隔舌结构；所述螺旋管段的径向内缘位置设置一环形扩压器，所述环形扩压器包括平行且相对设置的上环形板和下环形板，所述环形扩压器形成为所述螺旋管段的径向进气口，所述上环形板与下环形板之间的轴向间距形成为所述螺旋管段的来流进口宽度；所述螺旋管段的沿周向分布的各子午截面，其轴向的上边缘线均过渡至与所述环形扩压器的上环形板相切，且均位于所述上环形板的下侧；
SS2.基于所述初始蜗壳结构，将其螺旋管段沿周向划分若干子午截面位置，提取各子午截面的初始特征型线，所述初始特征型线中包括径向进气口的特征型线；
SS3.针对每一子午截面的初始特征型线，在保持其来流进口宽度不变的前提下，首先将径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置，之后将偏置后的径向进气口型线与未经偏置处理的特征型线以相切的方式进行光滑过渡连接，从而形成每一子午截面的新特征型线；
SS4.将各子午截面的新特征型线，在周向上采用光滑曲面进行过渡连接，从而形成一新螺旋管段结构；
SS5.在保持所述初始蜗壳结构中的扩压管段以及隔舌结构不变的前提下，将步骤SS4中形成的新螺旋管段结构与扩压管段进行重构，最终形成一轴向偏置的非对称蜗壳。
优选地，步骤SS2中，将螺旋管段沿周向划分的子午截面位置的数量应不低于5个。
优选地，步骤SS3中，径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置时，偏置距离的设置应保证偏置后螺旋管段内的射流运动限制在局部区域且能抑制二次流的发展与传播。
优选地，步骤SS3中，径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置时，偏置距离至少为来流进口宽度的5％。
优选地，步骤SS3中，偏置后的径向进气口型线与未经偏置处理的特征型线，采用圆弧或样条曲线等以相切的方式进行光滑过渡连接。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于上述设计方法得到的轴向偏置的非对称蜗壳。
本发明的上述轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法，基于非对称蜗壳的初始结构，将非对称蜗壳中螺旋管段的径向进气口位置沿轴向进行一定距离的偏置，从而将螺旋管段内的射流运动限制在局部区域，从而抑制二次流的发展与传播，削弱局部区域的湍流强度，降低摩擦损失并改善流场，继而提高了蜗壳整体的气动性能，并可有效降低蜗壳的加工成本。
同现有技术相比，本发明的优点与积极效果是：本发明的轴向偏置的非对称蜗壳及其设计方法，通过对现有非对称蜗壳径向进气口的轴向位置进行偏置设计，有效地克服了加工工艺难题，使制造简单易行，便于非对称偏心蜗壳的推广应用，降低加工成本；通过数值计算，结果表明对于这种非对称蜗壳，来流轴向位置的偏置设计，可有效地将蜗壳内的射流运动限制在局部区域且能抑制二次流的发展与传播，削弱局部区域的湍流强度，降低摩擦损失并改善流场，提高了蜗壳与整机的气动性能。
附图说明
图1为现有离心叶轮机械三维结构示意图；
图2为现有非对称蜗壳的三维结构示意图；
图3为在现有非对称蜗壳的螺旋管段中划分多个子午截面的示意图；
图4为现有非对称蜗壳中螺旋管段的子午截面示意图；
图5为本发明的偏心设置的非对称蜗壳中螺旋管段的子午截面示意图；
图6为本发明的偏心设置的非对称蜗壳的三维结构示意图；
图7为现有非对称蜗壳中螺旋管段中各子午截面的流场分布示意图；
图8为本发明的偏心设置的非对称蜗壳中螺旋管段中各子午截面的流场分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的偏心设置的非对称蜗壳及其设计方法，其发明目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1～8以离心压缩机的非对称蜗壳为例对发明中提出的设计方法进行完整的描述。
图1示出了一现有离心叶轮机械，该离心叶轮机械包括由内向外依次布置的一离心叶轮100、一扩压器200和一非对称蜗壳300。其中，非对称蜗壳300用于汇集从离心叶轮100和扩压器200甩出的气体并对其进行导流。离心叶轮100、扩压器200在径向平面上是轴对称的，而非对称蜗壳300在径向平面上则是非对称的，其子午截面的截面积沿气流旋转方向则逐渐增大，其结构在整体上呈现为螺旋形，如图2所示。
如图2～4所示，现有典型的非对称蜗壳300，包括螺旋管段301和扩压管段302，其中，扩压管段302形成在螺旋管段301的周向出口处，扩压管段302与螺旋管段301的起点相交位置处形成为隔舌结构303；螺旋管段301的径向内缘位置设置一环形扩压器304，环形扩压器包括平行且相对设置的上环形板和下环形板，环形扩压器304形成为螺旋管段301的径向进气口，上环形板与下环形板之间的轴向间距形成为螺旋管段301的来流进口宽度；螺旋管段301的沿周向分布的各子午截面，其轴向的上边缘线均过渡至与环形扩压器304的上环形板相切，且均位于上环形板的下侧。
如图3所示，基于现有离心压缩机非对称蜗壳的初始结构，将其螺旋管段结构沿周向分成8个子午截面位置，沿螺旋进气的方向依次为截面1～截面8，其中截面1的周向角小于45°，截面8的周向角不超过360°，截面1～截面8在周向上的位置可以均匀分布，也可根据设计需要非均匀分布，提取截面1～截面8中各子午截面形状的初始特征型线如图4所示，初始特征型线中包括径向进气口的特征型线。
针对每一子午截面的初始特征型线，在保持其来流进口宽度不变的前提下，将图4中径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置或平移，偏置距离的设置应保证偏置后螺旋管段内的射流运动限制在局部区域且能抑制二次流的发展与传播，优选地，偏置距离至少为来流进口宽度的5％。之后将偏置后新位置的径向来流进口结构与原始子午截面未偏置处理的特征型线进行连接，采用圆弧或样条曲线等方式以相切的方式进行光滑过渡，从而形成每一子午截面的新特征型线，如图5所示。
对于所有新设计子午截面的特征型线，在周向上采用光滑曲面进行光滑过渡连接并生成蜗壳的新的螺旋管段结构，新的螺旋管段结构仍然为非对称蜗壳结构，但是径向进气口已经进行了轴向偏置。
为适应轴向偏置后的蜗壳螺旋管段301’的结构变化，对初始蜗壳的扩压管段302’与隔舌结构303’进行重构并将其与初始结构保持一致，实现非对称蜗壳的偏心设计，如图6所示，最终形成一轴向偏置的非对称蜗壳300’。
通过数值计算并进行分析比较，结果表明现有的非对称蜗壳，其内部流动复杂，在周向会形成一个非均匀的压力场，蜗壳内部流动因射流现象导致的气动损失仍旧较大，如图7所示。而相比之下，对现有的非对称蜗壳，在来流轴向位置进行偏置设计后，可有效地将蜗壳内的射流运动限制在局部区域且能抑制二次流的发展与传播，如图8所示，从而削弱了局部区域的湍流强度，降低摩擦损失并改善流场，提高了蜗壳与整机的气动性能。
此外，需要说明的是，在非对称蜗壳的加工过程中，受制于加工工艺，一般情况下蜗壳需要被拆开加工，对加工精度与精确定位提出了更高的要求。而本本发明的上述对现有非对称蜗壳的结构形式进行改进是一种可行的方式，并且可有效规避这一难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种轴向偏置的非对称蜗壳的设计方法，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：
SS1.选择一现有非对称蜗壳作为初始蜗壳结构，所述非对称蜗壳包括螺旋管段和扩压管段，其中，所述扩压管段形成在所述螺旋管段的周向出口处，所述扩压管段与所述螺旋管段的起点相交位置处形成为隔舌结构；所述螺旋管段的径向内缘位置设置一环形扩压器，所述环形扩压器包括平行且相对设置的上环形板和下环形板，所述环形扩压器形成为所述螺旋管段的径向进气口，所述上环形板与下环形板之间的轴向间距形成为所述螺旋管段的来流进口宽度；所述螺旋管段的沿周向分布的各子午截面，其轴向的上边缘线均过渡至与所述环形扩压器的上环形板相切，且均位于所述上环形板的下侧；
SS2.基于所述初始蜗壳结构，将其螺旋管段沿周向划分若干子午截面位置，提取各子午截面的初始特征型线，所述初始特征型线中包括径向进气口的特征型线；
SS3.针对每一子午截面的初始特征型线，在保持其来流进口宽度不变的前提下，首先将径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置，之后将偏置后的径向进气口型线与未经偏置处理的特征型线以相切的方式进行光滑过渡连接，从而形成每一子午截面的新特征型线；
SS4.将各子午截面的新特征型线，在周向上采用光滑曲面进行过渡连接，从而形成一新螺旋管段结构；
SS5.在保持所述初始蜗壳结构中的扩压管段以及隔舌结构不变的前提下，将步骤SS4中形成的新螺旋管段结构与扩压管段进行重构，最终形成一轴向偏置的非对称蜗壳。
2.根据上述权利要求所述的设计方法，其特征在于，步骤SS2中，将螺旋管段沿周向划分的子午截面位置的数量应不低于5个。
3.根据上述权利要求所述的设计方法，其特征在于，步骤SS3中，径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置时，偏置距离的设置应保证偏置后螺旋管段内的射流运动限制在局部区域且能抑制二次流的发展与传播。
4.根据上述权利要求所述的设计方法，其特征在于，步骤SS3中，径向进气口的特征型线沿轴向整体向下进行偏置时，偏置距离至少为来流进口宽度的5％。
5.根据上述权利要求所述的设计方法，其特征在于，步骤SS3中，偏置后的径向进气口型线与未经偏置处理的特征型线，采用圆弧或样条曲线等以相切的方式进行光滑过渡连接。
6.一种基于上述任一项权利要求所述的设计方法得到的轴向偏置的非对称蜗壳。
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