CN112983847B - 具有非均匀叶尖间隙的离心压气机及叶尖间隙获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有非均匀叶尖间隙的离心压气机及叶尖间隙获取方法，该离心压气机包括蜗壳、轮盖和叶轮，蜗壳与轮盖围成安装腔，叶轮旋转设置在安装腔内，叶轮的轴线设置为偏心于轮盖，轮盖和叶轮之间形成周向非均匀的叶尖间隙，以对应叶轮周向非均匀的进气流量。该叶尖间隙获取方法包括确定测量点、标记测量数据、确定最小流量位置、计算叶尖间隙。本发明涉及叶轮机械技术领域，提供了一种具有非均匀叶尖间隙的离心压气机及叶尖间隙获取方法，根据其流量的周向差异，匹配形成周向非均匀的叶尖间隙分布，能有效抑制前缘溢流扰动沿周向的发展，延缓了溢流非定常扰动发展为失稳流动的进程，进而拓宽离心压气机的气动稳定性范围。

Description

具有非均匀叶尖间隙的离心压气机及叶尖间隙获取方法

技术领域

本发明涉及叶轮机械技术领域，更具体地，涉及一种具有非均匀叶尖间隙的离心压气机及叶尖间隙获取方法。

背景技术

目前，离心压气机广泛应用于工业、航空、电力等领域，其带有蜗壳装置，用于气体压缩。相比于容积式压气机，离心压气机属于速度型，具有效率高，体积小、流量大等特点。传统离心压气机的叶尖间隙(即离心叶轮叶尖与轮盖之间的距离)通过设计决定，选取合适的间隙尺寸以保证压气机效率，同时避免叶轮旋转时与轮盖发生碰磨。传统的叶尖间隙分布是轴对称的，叶尖与轮盖内壁之间的间隙尺寸在不同周向位置大小一致，即叶尖间隙是周向均匀的。然而，上述叶尖间隙均匀的离心压气机在低流量工况下，会逐步发展出失速甚至喘振等失稳现象，性能下降，严重时甚至会引发机械故障。

发明内容

本发明实施例提供了一种具有非均匀叶尖间隙的离心压气机，包括蜗壳、轮盖和叶轮，所述蜗壳与所述轮盖围成安装腔，所述叶轮旋转设置在所述安装腔内，所述叶轮的轴线设置为偏心于所述轮盖，所述轮盖和所述叶轮之间形成周向非均匀的叶尖间隙，以对应所述叶轮周向非均匀的进气流量。

一种可能的设计，所述叶尖间隙设置为c_θ；

c_θ＝c₀·[1+asin(θ-θ_{Min mass}+θ₀)]

其中，θ为周向角度，c₀为离心压气机的理论设计间隙，a为第一修正参数，0＜a＜1，θ_{Min mass}为最小流量位置对应的周向角度，θ₀是第二修正参数，θ_{Min mass}≤θ₀＜(360°+θ_{Min mass})。

一种可能的设计，包括法兰，所述法兰与所述蜗壳连接，所述蜗壳内设有非对称蜗壳流道，所述法兰与所述蜗壳之间形成扩压器。

一种可能的设计，包括旋转轴，所述旋转轴的输出端贯穿所述法兰而伸入所述安装腔，且与所述叶轮相接，所述旋转轴与所述叶轮同轴设置。

一种可能的设计，所述蜗壳与所述轮盖同轴设置，且所述叶轮设置为偏心于所述蜗壳；或者所述轮盖偏心于所述蜗壳，所述叶轮与所述蜗壳同轴设置。

本发明实施例提供了一种叶尖间隙获取方法，应用于上述的离心压气机，包括以下步骤：

S1，在所述叶轮的周向选取N个流量测量点，N≥6；

S2，通过实验测量或仿真手段，获得周向均匀叶尖间隙的离心压气机下各流量测量点计算的无量纲流量；

S3，根据流量测量点的无量纲流量拟合获得流量的周向分布曲线，并确定周向最小流量对应的周向角度位置θ_{Min mass}；

S4，选取a和θ₀的数值，再根据c_θ＝c₀·[1+asin(θ-θ_{Min mass}+θ₀)]，得到叶尖间隙与周向角度的对应关系。

一种可能的设计，利用得到叶尖间隙与周向角度的对应关系绘制叶轮间隙的周向分布图。

本发明实施例的离心压气机，针对实际的非对称流场分布，根据其流量的周向差异，匹配形成周向非均匀的叶尖间隙分布，能有效抑制前缘溢流扰动沿周向的发展，延缓了溢流非定常扰动发展为失稳流动的进程，进而拓宽离心压气机的气动稳定性范围。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为根据本发明的一实施例的离心压气机示意图；

图2为图1中的离心压气机局部剖视图；

图3为叶轮的进口位置流量的周向分布图；

图4为叶尖间隙与周向角度对应关系曲线图；

图5为图1的离心压气机与周向均匀叶尖间隙的压气机性能对比图。

附图标记：1-轮盖、2-蜗壳、3-叶轮、4-法兰、5-旋转轴、6-扩压器、7-叶尖间隙、8-最大叶尖间隙、9-最小叶尖间隙、10-安装腔、11-蜗壳流道、12-平直段、13-曲面段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

现有的离心压气机都具有周向均匀的叶尖间隙，该种离心压气机在低流量工况下，会出现失速、失稳现象，性能下降等问题。针对上述问题，发明人发现由于出口蜗壳的存在，非设计工况下离心压气机内部的流场通常是周向不均匀的，特别是接近气动失稳的小流量状态下，不均匀的流场会导致叶轮进口某些局部气流角过大，流量减小，叶轮前缘出现明显的溢流扰动，进而发展为更大尺度的流动分离，最终使压气机气动失稳。在溢流扰动发展过程中，周向均匀叶尖间隙的布局不能很好地匹配内部的周向不均匀流场，无法对失稳流动的发展起到抑制作用，不利于离心压气机稳定性能的提升，但是周向均匀叶尖间隙的布局是本领域技术人员的常规思维。

请参阅图1至图4的本发明一实施例的具有非均匀叶尖间隙的离心压气机。如图1和图2所示，该离心压气机包括蜗壳2、轮盖1和叶轮3，其中，该蜗壳2与轮盖1围成安装腔10，该叶轮3旋转设置在安装腔10内，而叶轮3的轴线设置为偏心于轮盖1(即轮盖的轴线与叶轮的轴线相平行而不共线，也相当于轮盖的轴线在平移后可与叶轮的轴线共线)，使得该轮盖1和叶轮3之间形成周向非均匀的叶尖间隙7(即叶轮叶尖与轮盖之间的距离在叶轮周向不同位置大小不一致)，以对应叶轮3周向上非均匀的进气流量。由此，该离心压气机针对实际的非对称流场分布，根据其流量的周向差异，匹配形成周向非均匀的叶尖间隙分布，能有效抑制前缘溢流扰动沿周向的发展，延缓了溢流非定常扰动发展为失稳流动的进程，进而拓宽离心压气机的气动稳定性范围。

另外，上述叶尖间隙7设置为c_θ，该叶尖间隙7的数值可通过如下公式一计算得到；

公式一：c_θ＝c₀·[1+asin(θ-θ_{Min mass}+θ₀)]；

其中，θ为周向角度，c₀为离心压气机的理论设计间隙，a为第一修正参数，0＜a＜1，θ_{Min mass}为最小流量位置对应的周向角度，θ₀是第二修正参数，θ_{Min mass}≤θ₀＜(360°+θ_{Min mass})。

由此，已知最小流量位置对应的周向角度(θ_{Min mass})，而且a(第一修正参数)和θ₀(第二修正参数)都可取具体数值，本示例中，a＝0.5，θ₀＝θ_{Min mass}。但两者不限于此取值，也可为范围内的其他值，例如，a＝0.7，θ₀＝10°+θ_{Min mass}。因此，根据公式一可计算得到各个周向角度的叶尖间隙7的数值。

又如图1和图2所示，该离心压气机还包括法兰4和旋转轴5，该法兰4与蜗壳2连接，法兰4和轮盖1分别位于蜗壳2的两侧。该蜗壳2的内壁包括曲面段13和平直段12，该曲面段13围成非对称的蜗壳流道11，而平直段12与法兰4面向轮盖1的端面围成扩压器6，该扩压器6为无叶扩压器。上述旋转轴5的输出端贯穿法兰4而伸入安装腔10，且与叶轮3相接，使得旋转轴5可带动叶轮3转动，该旋转轴5与叶轮3同轴设置。另外，本示例中，该轮盖1偏心于蜗壳2(即轮盖的轴线与蜗壳的轴线相平行而不共线)，叶轮3与蜗壳2同轴设置(即叶轮的轴线与蜗壳的轴线共线)，形成上述非均匀的叶尖间隙7，但不限于此，例如，上述蜗壳2与轮盖1同轴设置(即轮盖的轴线与蜗壳的轴线共线)，且叶轮3设置为偏心于蜗壳2和轮盖1(即叶轮的轴线与蜗壳的轴线相平行)，也能形成非均匀的叶尖间隙。

根据周向上非均匀的进气流量，可计算得到需要的非均匀叶尖间隙7，具体包括以下步骤：

首先，确定叶轮进口流量的测点数量N，N＝8，在叶轮3的周向选取N个流量测量点，周向角度的设置可任取一点作为0°点，形成如图2的周向角度排布。

接着，通过实验测量或仿真手段，获得周向均匀叶尖间隙的离心压气机下各流量测量点计算的无量纲流量，并用“+”在周向角度和无量纲流量构成的坐标系中标记；

随后，根据流量测量点的无量纲流量拟合获得流量的周向分布曲线，正如图3所示，并确定周向最小流量对应的周向角度位置θ_{Min mass}；

最后，将θ_{Min mass}、a和θ₀的数值带入上述的公式一，得到叶尖间隙7(c_θ)与周向角度(θ)的对应关系，同时，可绘制叶轮间隙7的周向分布图，正如图4。其中，最小的叶轮间隙所处周向角度位置为270°，最小叶轮间隙尺寸比原始平均间隙(即理论设计间隙)减少c₀/2，可根据计算结果，将轮盖1内表面进行偏移，偏移方向为周向的270°，偏移量为c₀/2，进而实现上述示例中周向非均匀叶尖间隙布局。

上述周向非均匀叶尖间隙的离心压气机，相对于现有设备，将轮盖1内表面与叶轮3沿半径方向偏移，形成叶轮进口的叶尖间隙尺寸在圆周方向的分布是非均匀的，周向非均匀间隙的分布形式与叶轮进口流量相关联，通过该关联，所设计出离心压气机能更好地适应近失速状态下由蜗壳引起的非轴对称流动，优化进口间隙的泄漏流动，有效抑制叶轮前缘溢流扰动在周向的发展，延缓了由于局部不稳定扰流加剧而导致的离心压气机气动失稳，提高了压气机的稳定工作范围。正如图5所示，该曲线图为离心压气机采用周向非均匀叶尖间隙与均匀叶尖间隙布局的性能对比图，可见，性能提升明显。

在本示例中，叶轮3由进口至尾缘全程的叶尖间隙都为周向非均匀，但是不限于此，也可由进口至尾缘位置中有部分叶尖间隙是轴向非均匀的，例如叶轮3在靠近离心压气机进口的部分的叶尖间隙为周向非均匀的分布，而叶轮3的尾缘部分的叶尖间隙为周向一致(即周向均匀，与现有常规离心压气机的叶尖间隙的分布一致)。

结合上述实施例，本发明实施例的离心压气机针对实际的非对称流场分布，根据其流量的周向差异，匹配形成周向非均匀的叶尖间隙分布，能有效抑制前缘溢流扰动沿周向的发展，延缓了溢流非定常扰动发展为失稳流动的进程，进而拓宽离心压气机的气动稳定性范围。

在本发明中的描述中，需要说明的是，以上轮盖的轴线即为轮盖上进口的轴线，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (6)

1.一种具有非均匀叶尖间隙的离心压气机，包括蜗壳、轮盖和叶轮，所述蜗壳与所述轮盖围成安装腔，所述叶轮旋转设置在所述安装腔内，其特征在于，所述叶轮的轴线设置为偏心于所述轮盖，所述轮盖和所述叶轮之间形成周向非均匀的叶尖间隙，以对应所述叶轮周向非均匀的进气流量；

所述叶尖间隙设置为c_θ；

c_θ＝c₀·[1+asin(θ-θ_{Min mass}+θ₀)]

其中，θ为周向角度，c₀为离心压气机的理论设计间隙，a为第一修正参数，0＜a＜1，θ_{Min mass}为最小流量位置对应的周向角度，θ₀是第二修正参数，θ_{Min mass}≤θ₀＜(360°+θ_{Min mass})。

2.根据权利要求1所述的具有非均匀叶尖间隙的离心压气机，其特征在于，包括法兰，所述法兰与所述蜗壳连接，所述蜗壳内设有非对称蜗壳流道，所述法兰与所述蜗壳之间形成扩压器。

3.根据权利要求2所述的具有非均匀叶尖间隙的离心压气机，其特征在于，包括旋转轴，所述旋转轴的输出端贯穿所述法兰而伸入所述安装腔，且与所述叶轮相接，所述旋转轴与所述叶轮同轴设置。

4.根据权利要求1所述的具有非均匀叶尖间隙的离心压气机，其特征在于，所述蜗壳与所述轮盖同轴设置，且所述叶轮设置为偏心于所述蜗壳；或者所述轮盖偏心于所述蜗壳，所述叶轮与所述蜗壳同轴设置。

5.一种叶尖间隙获取方法，应用于如权利要求1所述的离心压气机，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在所述叶轮的周向选取N个流量测量点，N≥6；

S2，通过实验测量或仿真手段，获得周向均匀叶尖间隙的离心压气机下各流量测量点计算的无量纲流量；

S3，根据流量测量点的无量纲流量拟合获得流量的周向分布曲线，并确定周向最小流量对应的周向角度位置θ_{Min mass}；

S4，选取a和θ₀的数值，再根据c_θ＝c₀·[1+asin(θ-θ_{Min mass}+θ₀)]，得到叶尖间隙与周向角度的对应关系。

6.根据权利要求5所述的叶尖间隙获取方法，其特征在于，利用得到叶尖间隙与周向角度的对应关系绘制叶轮间隙的周向分布图。

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