CN112412884A - 粗糙度扩稳方法、扩稳结构和粗糙度扩稳离心压气机 - Google Patents

粗糙度扩稳方法、扩稳结构和粗糙度扩稳离心压气机 Download PDF

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胡晨星
杨策
符丽
杜亚东
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Abstract

本发明公开了一种改变粗糙度实现离心压气机无叶扩压器扩稳的方法，该方法在离心压气机无叶扩压器轮毂侧进行全周向工艺粗糙处理。本发明还提供了离心压气机无叶扩压器的粗糙度扩稳结构，以及具有该粗糙度扩稳结构的离心压气机。使用本发明能够令流动角度减小和局部回流的趋势得到抑制，且对应位置边界层内的湍动能处于较高的幅值，均能抑制轮毂上的分离流动，从而抑制无叶扩压器进入失速状态，改善无叶扩压器的流动状况，提高无叶扩压器乃至整个离心压气机的稳定工作范围，进而改善压气机的运行性能。

Description

粗糙度扩稳方法、扩稳结构和粗糙度扩稳离心压气机
技术领域
本发明涉及离心压气机领域，尤其涉及一种改变粗糙度实现离心压气机无叶扩压器扩稳的方法、粗糙度扩稳结构以及具有该粗糙度扩稳结构的离心压气机。
背景技术
扩压器是离心压气机的重要组成部分，是指与叶轮出口相连接的环形通道。扩压器可分为有叶扩压器和无叶扩压器，该发明主要是针对无叶扩压器。正常工作情况下，气体经过高速旋转的叶轮，具有较高的速度，然后进入扩压器。随着面积增大，气体速度降低，压强增大，将动能转化为压力能，压力不断增大，这就是无叶扩压器的基本的工作原理。
气体在无叶扩压器中的流动是倾斜的，随着流量的不断减小，轮缘壁上的三维流动分离，产生旋转失速，对离心压气机的安全运行影响较大。人们对离心压气机失速现象进行了大量研究，通过主动控制抑制了失速，但同时也降低了离心压气机的工作性能。因此，需要在不影响工作性能的前提下抑制失速，提高稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种改变粗糙度实现离心压气机无叶扩压器扩稳的方案，能够大大地抑制边界层三维流动分离，抑制无叶扩压器进入失速状态，改善无叶扩压器的流动状况，提高无叶扩压器乃至整个离心压气机的稳定工作范围，进而改善压气机的运行性能。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
本发明首先提供了一种改变粗糙度实现离心压气机无叶扩压器扩稳的方法，在离心压气机无叶扩压器轮毂侧进行全周向工艺粗糙处理。
优选地，在无叶扩压器轮毂侧径向位置r/r2＝1.2～1.4区域内进行所述全周向工艺粗糙处理；其中，r为工艺粗糙处理位置与离心压气机轴线距离，r2为离心压气机叶轮出口半径。
优选地，所述工艺粗糙处理的表面粗糙度Ra选取范围为0.077～0.08mm。
优选地，所述工艺粗糙处理包括开槽、陷窝、叠加绊线中的一种或任意组合。
本发明还提供了一种离心压气机无叶扩压器的粗糙度扩稳结构，所述扩稳结构采用在离心压气机无叶扩压器轮毂侧加工全周向粗糙元实现。
优选地，粗糙元加工区域为无叶扩压器轮毂侧径向位置r/r2＝1.2～1.4区域；其中，r为工艺粗糙处理位置与离心压气机轴线距离，r2为离心压气机叶轮出口半径。
优选地，如权利要求5所述的粗糙度扩稳结构，其特征在于，所述粗糙元的表面粗糙度Ra大小范围为0.077～0.08mm。
优选地，如权利要求5所述的粗糙度扩稳结构，其特征在于，所述粗糙元的加工方式为开槽、陷窝或叠加绊线。
本发明还提供了一种具有粗糙度扩稳结构的离心压气机，该离心压气机无叶扩压器具有上述任意一种粗糙度扩稳结构。
有益效果：
(1)本发明在离心压气机无叶扩压器轮毂侧设置粗糙元，使得流动角度减小和局部回流的趋势得到抑制，且对应位置边界层内的湍动能处于较高的幅值，均能抑制轮毂上的分离流动。
(2)通过选择粗糙元的设置位置，能够避免动量的大量耗散，使得压升几乎不受粗糙壁面的影响，压力恢复系数相比全部光滑壁面扩压器压力系数差异很小。
(3)所采用的粗糙度大小，在雷诺数大于1.0×104时，对应的摩擦系数约为0.01。通过逐渐增大粗糙度值发现，当摩擦系数为0.01时，流动分离消失。依据合理的粗糙度值和粗糙度位置，对扩压器流动分离的高感受性与高敏感性区域进行干扰，改变系统的特征值，抑制失速的产生，加大压气机的稳定工作范围，提高无叶扩压器乃至整个压气机的工作性能。
附图说明
图1为带有工艺粗糙处理的离心压气机的结构示意图；
图2为图1中离心压气机的A-A示图；
图3为本发明径向工艺粗糙单个位置局部放大示意图；
其中，1-流道段，2-无叶扩压器段，3-粗糙元加工区域，4-轮毂壁面。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
参见图1，离心压气机的叶轮通道通过流道段1连接无叶扩压器段2。r2区域为叶轮出口半径。叶轮出口就是无叶扩压器入口。图1左侧视图中，无叶扩压器段的左侧壁为轮缘壁面，右侧壁为轮毂壁面4。随着流量的减少，无叶扩压器入口处轮毂壁面处的回流到达叶轮出口，这种局部回流与叶轮排出的射流尾流之间相互作用，触发了不稳定流的产生；另一方面，无叶扩压器轮缘壁面上的回流较平稳的进入叶尖间隙空间，并沿着轮缘壁面向分离环位置上游移动，然后再次进入叶片通道，即如果回流在轮缘侧形成了稳定的循环流动将不会造成不稳定流动。这两种现象表明，无叶扩压器内的旋转失速是由轮毂上的三维分离流动引起的，而不是在轮缘侧。因此，需要重点抑制轮毂上的分离流动。
一方面，粗糙面可以抑制局部回流；另一方面，粗糙度引起的湍流会明显轮毂侧边界层中的湍流强度，导致远离壁面的高能流体向壁面转移。这两种现象共同作用，起到抑制三维分离流动的效果。因此可以通过在无叶扩压器的轮毂处加工粗糙面来抑制轮毂上的分离流动。
进一步地，分析一下粗糙面在轮毂内表面的具体设置位置。定义r2为离心压气机叶轮出口半径。由于无叶扩压器径向位置r/r2＝1.2(r为所指位置与离心压气机轴线距离)附近处主流没有直接受到进口区域壁面摩擦的影响，导致该区域的压升不受摩擦系数增大的影响，而受离心力和主流速度降低主导。另一方面，在扩压器进口区域，由于边界层薄，切向速度大，边界层内的动能在较大的摩擦力作用下大量耗散。此时r/r2＝1.2附近截面上的平均动能显著降低，动能转化为压力能的值很小。研究表明，在大多数情况下，叶轮出口的非对称流动，如“射流尾流结构”，可以等熵地均匀化到r/r2＝1.2径向位置处。但这种不均匀性会造扩压器入口区域出现过大的壁面摩擦损失。为了避免动量的大量耗散，在r/r2＝1.2上游区域最好不要增加壁面摩擦力。此外，r/r2＝1.2～1.4区域之间的压升几乎不受粗糙壁面的影响，在该区域进行设置粗糙元可以将旋转失速先兆对应的流量减小33％，压升降低小于1％。粗糙区域若继续向下游扩大，虽然能够进一步扩宽失速裕度，但同时也带来更大的压升损失。综上，将粗糙元设置到r/r2＝1.2～1.4区域的全周向可以有效的增大失速裕度，而不会带来大的压升损失。
试验表面，采用表面粗糙度Rs＝0.54～0.56mm的等效粗糙度(对应摩擦系数为0.01，Rs≈7Ra)可以实现扩稳效果。则可以将粗糙元加工为表面粗糙度Ra＝0.077～0.08mm。
基于上述分析，本发明提供了一种离心压气机无叶扩压器的扩稳方法，在离心压气机无叶扩压器轮毂侧径向位置r/r2＝1.2～1.4处，进行全周向工艺粗糙处理，表面粗糙度Ra大小为0.077～0.08mm；其中，r为工艺粗糙处理位置与离心压气机轴线距离，r2为离心压气机叶轮出口半径。
上述工艺粗糙处理包括开槽、陷窝、叠加绊线中的一种或任意组合。
基于上述方法能够实现离心压气机无叶扩压器的粗糙度扩稳结构。该扩稳结构可以应用于采用无叶扩压器的离心压气机，能够大大地抑制无叶扩压器边界层三维流动分离，抑制无叶扩压器进入失速状态，改善无叶扩压器的流动状况，提高整个离心压气机的稳定工作范围，进而改善离心压气机的运行性能。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种改变粗糙度实现离心压气机无叶扩压器扩稳的方法，其特征在于，在离心压气机无叶扩压器轮毂侧进行全周向工艺粗糙处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在无叶扩压器轮毂侧径向位置r/r2＝1.2～1.4区域内进行所述全周向工艺粗糙处理；其中，r为工艺粗糙处理位置与离心压气机轴线距离，r2为离心压气机叶轮出口半径。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺粗糙处理的表面粗糙度Ra选取范围为0.077～0.08mm。
4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述工艺粗糙处理包括开槽、陷窝、叠加绊线中的一种或任意组合。
5.一种离心压气机无叶扩压器的粗糙度扩稳结构，其特征在于，所述扩稳结构采用在离心压气机无叶扩压器轮毂侧加工全周向粗糙元实现。
6.如权利要求5所述的粗糙度扩稳结构，其特征在于，粗糙元加工区域为无叶扩压器轮毂侧径向位置r/r2＝1.2～1.4区域；其中，r为工艺粗糙处理位置与离心压气机轴线距离，r2为离心压气机叶轮出口半径。
7.如权利要求5所述的粗糙度扩稳结构，其特征在于，所述粗糙元的表面粗糙度Ra大小范围为0.077～0.08mm。
8.如权利要求5所述的粗糙度扩稳结构，其特征在于，所述粗糙元的加工方式为开槽、陷窝或叠加绊线。
9.一种具有粗糙度扩稳结构的离心压气机，其特征在于，该离心压气机无叶扩压器具有如权利要求5-8任意一项所述的粗糙度扩稳结构。
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