CN111734683A - 一种抑制叶尖泄漏涡的方法及离心压气机 - Google Patents

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向鑫
陆惟煜
张志广
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/667—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by influencing the flow pattern, e.g. suppression of turbulence

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Abstract

本发明公开了一种抑制叶尖泄漏涡的方法，在叶片前缘叶尖前方的腔壁上固定涡流发生器，涡流发生器与叶轮上叶片分离式安装，利用腔壁与叶片旋转的相对运动，来实现涡流发生器对叶片叶尖流动的周期性激励作用，实现非定常的控制效果；且利用涡流发生器产生与主叶片叶尖泄漏涡反向运动的漩涡，使其与叶尖泄漏涡发生耦合，以抑制或大幅度削弱泄露涡，有效减少叶尖气流的泄漏量，并将上述方法应用至离心压气机。

Description

一种抑制叶尖泄漏涡的方法及离心压气机
技术领域
本发明涉及叶轮机技术领域，具体涉及一种抑制叶尖泄漏涡的方法及离心压气机。
背景技术
对于叶轮机装置而言，叶尖与腔壁存在间隙，叶尖间隙的存在易产生了泄露涡，进而导致叶尖气流泄露，导致叶轮机装置效率降低。
以离心压气机为例，其广泛运用于军用和民用领域，如导弹和无人机的推进系统、飞机辅助动力装置、分布式能源动力系统、车用涡轮增压器等。离心压气机的叶尖气流的马赫数较高，加之端壁附面层、叶尖泄漏流以及主流的相互影响，会形成复杂的涡系结构。即使部分涡系形成于叶根或叶中区域，也会因为离心压气机子午流道曲率、较大的离心力等原因发展到叶尖，因此对叶尖流场施加控制和改善可以显著改善压气机整体的性能并且提高其稳定工作范围。
对此，非定常激励的控制手段可以对流场施加一定频率的激励，利用流场的不稳定性并使激励与之耦合，改变流场的拟序机构使之更加有序，从而防止旋转失速喘振等现象的发生，扩大稳定裕度。由于非定常激励注入的能量小，因此它对主流的影响也要小，实现扩稳的同时还可以减小对效率的影响，某些工况下还能提高效率。
目前应用较多的是非定常射流或非定常抽吸的方式，尽管采用这种激励方式获得了比较大的收益，但是为了实现这种控制方式，需要复杂的管路结构、控制阀门，有时还需要额外的气源等，这不仅增加了动力装置的重量和成本，使用起来也较为复杂，需要改进。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明第一方面提供了一种抑制叶尖泄漏涡的方法，在叶片前缘叶尖前方的腔壁上固定涡流发生器，利用涡流发生器产生与叶尖泄漏涡方向相反的漩涡，以抑制气流泄漏量。
涡流发生器与叶轮上叶片分离式安装，利用腔壁与叶片旋转的相对运动，来实现涡流发生器对叶片叶尖流动的周期性激励作用，实现非定常的控制效果；且利用涡流发生器产生与主叶片叶尖泄漏涡反向运动的漩涡，使其与叶尖泄漏涡发生耦合，以抑制或大幅度削弱泄露涡，有效减少叶尖气流的泄漏量。
本申请文件第二方面提供一种离心压气机，包括机匣及内部设置的叶轮，叶轮上设置有若干叶片，还包括涡流发生器，其固定在叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上，利用涡流发生器产生与叶尖泄漏涡方向相反的漩涡，以抑制气流泄漏量。
本方案将抑制叶尖泄露涡的方法应用至离心压气机，具体而言，在叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上固定涡流发生器，利用机匣与叶片旋转的相对运动，来实现涡流发生器对压气机叶尖流动的周期性激励作用，实现非定常的控制效果；利用本外涡流发生器产生的漩涡与泄漏涡发生耦合，以抑制或大幅度削弱泄露涡，有效减少叶尖气流的泄漏量，从而提高离心压气机的稳定工作范围，结构简单，效果显著。
进一步，叶片包括主叶片及分流叶片，在主叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上固定涡流发生器，长短叶片间隔布置可有效改善叶轮内流场分布，配合涡流发生器，进一步提高离心压气机的稳定工作范围。
进一步，涡流发生器为多个，沿周向，在机匣腔壁等距安装，提高非定常激励效果，减少叶尖泄漏量。
进一步，涡流发生器的数量为N1，主叶片的数量为N2，N1/N2为0.4-0.6，进一步抑制或削弱泄露涡的强度，提高非定常激励效果，减少叶尖泄漏量。
进一步，涡流发生器的厚度T1与主叶片厚度T2的比值为0.5-1.2，便于产生漩涡以抑制或削弱泄露涡的强度，减少叶尖泄漏量。
进一步，涡流发生器为矩形，其长边B与短边A的比值为0.3-0.5；
或涡流发生器为三角形，其与腔壁接触的边为安装边D，其朝向主叶片的边为径向边C，安装边D与径向边C长度的比值为0.3-0.5，安装边D与径向边C的夹角A2为70°-110°。
优化涡流发生器的结构，便于更好地产生漩涡，以抑制或削弱泄露涡的强度，减少叶尖泄漏量。
当然也可根据情况选用其他形状的涡流发生器。
进一步，长边B或安装边D的长度与主叶片3前缘叶高H1之间的比值为0.2-0.5，提高非定常激励效果。
进一步，长边B或安装边D上点与主叶片前缘面的垂直距离D1与主叶片前缘叶高H1的比值为0.2-0.5，提高非定常激励效果。
进一步，涡流发生器的安装角A1为-50°～40°，本方案中采用改变涡流发生器安装角的方式，以使气流经过涡流发生器时产生与泄露涡旋转方向相反的漩涡。
与现有技术比较，本发明技术方案的有益效果为：
1、本发明采用涡流发生器与叶轮上叶片的安装方式，简化结构，以抑制或大幅度削弱泄露涡，可达到周期性、非定常的控制效果，有效减少叶尖气流的泄漏量，从而提高离心压气机的稳定工作范围。
2.本发明利用流动控制的非定常激励效应，对离心压气机原流场的影响较小，对离心压气机效率的影响较小甚至提高压气机效率。
3.本发明结构简单、安装方便、适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是离心压气机中涡流发生器安装结构图；
图2是离心压气机中涡流发生器位置示意图；
图3是离心压气机中涡流发生器位置示意图；
图4是离心压气机中涡流发生器形状示意图；
其中，附图标记为：
1、机匣；2、涡流发生器；3、主叶片；4、分流叶片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
以常用离心压气机为例
如图1所示，叶轮转动安装在机匣内，叶轮上叶片包括主叶片、分流叶片，间隔布置，在气流进入机匣腔口处，在主叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上固定涡流发生器，利用涡流发生器产生与叶尖泄漏涡方向相反的漩涡，以抑制气流泄漏量，以机匣与叶片旋转的相对运动来实现涡流发生器对压气机叶尖流动的周期性激励作用，实现非定常的控制效果。
其中涡流发生器数量、形状、安装位置及与主叶片的尺度关系如下：
1、以数量而言
涡流发生器的数量为N1，主叶片的数量为N2，N1/N2为0.4-0.6，在周向上，沿机匣腔壁等间距布置。
2、以形状而言
如图4所示，其一，涡流发生器为矩形，其长边B与短边A长度的比值为0.3-0.5，矩形体的厚度T1与主叶片厚度T2的比值为0.5-1.2。
优选，长边B的长度与主叶片3前缘叶高H1之间的比值为0.2-0.5。
其二，涡流发生器为三角形，其与腔壁接触的边为安装边D，其朝向主叶片的边为径向边C，安装边D与径向边C长度的比值为0.3-0.5，安装边D与径向边C的夹角A2为70°-110°，三角体的厚度T1与主叶片厚度T2的比值为0.5-1.2。
更佳地，安装边D的长度与主叶片3前缘叶高H1之间的比值为0.2-0.5。
3、以安装位置而言
其一，就安装角而言，涡流发生器的安装角A1为-50°～40°。
其二、以涡流发生器为矩形而言，以长边B为安装边，其上点与主叶片前缘面的垂直距离D1与主叶片前缘叶高H1的比值为0.2-0.5；以涡流发生器为三角形而言，其安装边D上点与主叶片前缘面的垂直距离D1与主叶片前缘叶高H1的比值为0.2-0.5。
实施例1
参见图1-图4，该离心压气机包括机匣1、主叶片3，分流叶片4，主叶片3、分流叶片4所处的叶轮设置在机匣1的内部，主叶片、分流叶片为15对，对应的涡流发生器为6-9个，将涡流发生器2固定于主叶片3前缘叶尖前，沿着机匣1内侧按周向等距布置。
主叶片3前缘叶高H1为10.0mm，主叶片3的厚度T2为1mm，选用涡流发生器2的厚度T1为0.5mm～1.2mm。
本实施例中，涡流发生器为矩形，其长边B的长度为2.0mm～5.0mm，短边A的长度为0.6mm～2.5mm；安装角A1为20°；涡流发生器2的安装距离D1与主叶片3前缘叶高H1的比值为0.1～0.5，安装距离D1为1.0mm～5.0mm。
在另一实施例中，涡流发生器为三角形，其安装边D的长度为2.0mm～5.0mm，径向边C的长度为0.6mm～2.5mm，径向边C与安装边D的角度A2为75°；安装角A1为25°。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种抑制叶尖泄漏涡的方法，其特征在于：在叶片前缘叶尖前方的腔壁上固定涡流发生器，利用涡流发生器产生与叶尖泄漏涡方向相反的漩涡，以抑制气流泄漏量。
2.一种离心压气机，包括机匣及内部设置的叶轮，叶轮上设置有若干叶片，其特征在于：还包括涡流发生器，其固定在叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上，利用涡流发生器产生与叶尖泄漏涡方向相反的漩涡，以抑制气流泄漏量。
3.如权利要求2所述的一种离心压气机，其特征在于：叶片包括主叶片及分流叶片，在主叶片前缘叶尖前方的机匣腔壁上固定涡流发生器。
4.如权利要求3所述的一种离心压气机，其特征在于：涡流发生器为多个，沿周向，在机匣腔壁等距安装。
5.如权利要求4所述的一种离心压气机，其特征在于：涡流发生器的数量为N1，主叶片的数量为N2，N1/N2为0.4-0.6。
6.如权利要求3所述的一种离心压气机，其特征在于：涡流发生器的厚度T1与主叶片厚度T2的比值为0.5-1.2。
7.如权利要求3所述的一种离心压气机，其特征在于：涡流发生器为矩形，其长边B与短边A的比值为0.3-0.5；
或涡流发生器为三角形，其与腔壁接触的边为安装边D，其朝向主叶片的边为径向边C，安装边D与径向边C长度的比值为0.3-0.5，安装边D与径向边C的夹角A2为70°-110°。
8.如权利要求7所述的一种离心压气机，其特征在于：长边B或安装边D的长度与主叶片3前缘叶高H1之间的比值为0.2-0.5。
9.如权利要求7所述的一种离心压气机，其特征在于：长边B或安装边D上点与主叶片前缘面的垂直距离D1与主叶片前缘叶高H1的比值为0.2-0.5。
10.如权利要求2所述的一种离心压气机，其特征在于：涡流发生器的安装角A1为-50°～40°。
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