CN113530875B - 一种采用环形叶片的喘振抑制装置 - Google Patents

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Abstract

一种采用环形叶片的喘振抑制装置，包括壳体(10)、进口管路(20)和出口管路(30)。所述进口管路和所述出口管路中的至少一个包括抑喘结构，所述抑喘结构包括腔体和抑喘件，所述抑喘件呈环状，所述抑喘件设置于所述腔体内，所述抑喘件的外壁与所述腔体的内壁抵接，以共同围成回流区，气体增压装置发生喘振时，所述回流区用于改变回流气流中的部分气流的流向，以冲击所述回流气流。本申请实施例中，该采用环形叶片的喘振抑制装置可消除喘振或减缓喘振的发生，从而减小喘振带来的破坏。

Description

一种采用环形叶片的喘振抑制装置
技术领域
本发明涉及测试设备技术领域，特别涉及一种采用环形叶片的喘振抑制装置。
背景技术
气体增压装置包括风扇/压气机，风扇/压气机等构成的压缩系统广泛应用于航空、汽车、能源等领域，是燃气轮机、航空发动机、内燃机中的重要组成部件，其主要作用是对流体做功，提高流体的压力和密度，提高燃气轮机、航空发动机、内燃机等动力机械的功率密度。在开展风扇/压气机设计时，需要开展大量部件性能试验，为了捕捉失稳边界会经常出现喘振现象；发动机正常工作过程中，在某些特殊情况下(如进气畸变、发生吞冰吞鸟事故等)，也会发生喘振。当发生喘振时，整个压缩系统内的气流发生低频大幅度的流量振荡，同时伴随着气动轴向力振荡，这会对风扇/压气机叶片甚至整个系统的结构完整性造成破坏；除此之外，喘振也会造成功率下降，下游回流气体会对上游低温部件或结构造成烧蚀。因此，在开展试验或进行发动机设计时，希望能够抑制或减缓喘振的发生，进而减小喘振危害。
喘振最典型的特征是主流区气体发生周期性大幅度回流，目前工程上通常是由试验人员通过声音判断是否发生喘振，进而决定是否进行退喘操作，这期间会经历多次喘振周期，对整个压缩系统造成一定伤害。为了减小延时，增加对喘振判断及退喘的及时性，一种思路是布置更多的探针，使用更精确的控制系统和执行机构，然而这样会大大增加整个系统的成本和复杂性。因此，如何抑制气体增压装置喘振发生和减小喘振强度，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种采用环形叶片的喘振抑制装置，能够抑制气体增压装置喘振发生和减小喘振强度。
(二)技术方案
为解决上述问题，根据本发明的一个方面,本发明提供了一种采用环形叶片的喘振抑制装置，该喘振抑制装置包括壳体、进口管路和出口管路。壳体具有相对设置的进口端和出口端，所述壳体用于容置气体增压装置。进口管路设置于所述壳体的进口端；出口管路设置于所述壳体的出口端；其中，所述进口管路和所述出口管路中的至少一个包括抑喘结构，所述抑喘结构包括腔体和抑喘件，所述抑喘件呈环状，所述抑喘件设置于所述腔体内，所述抑喘件的外壁与所述腔体的内壁抵接，以共同围成回流区，气体增压装置发生喘振时，所述回流区用于改变回流中的部分气流的流向，以冲击所述回流主流。
一种示例性的实施例中，所述抑喘件为多个，多个所述抑喘件间距布置于所述腔体内，相邻两个所述抑喘件之间的距离为L，腔体的直径为H,距离L和直径H满足条件式：L/H≥0.25。
一种示例性的实施例中，所述抑喘件包括本体和内壳；
所述本体呈环形，所述本体外壁与所述腔体内壁抵接，沿所述本体的内壁朝向第一方向形成有所述内壳，所述内壳包括出流口，所述出流口用于所述腔体内气流的流通；其中，所述第一方向为所述本体的进口端指向所述本体的出口端的方向，所述内壳与所述腔体共同围成所述回流区。
一种示例性的实施例中，所述内壳截面的母线与所述本体的中轴线相交形成的夹角为θ，夹角θ满足条件式：θ＜90°。
一种示例性的实施例中，所述内壳的所述出流口的面积为S0，位于所述壳体(10)的出口端的出流口的截面积为Smin，所述腔体的最大截面积为Smax，其满足条件式：Smin＜S0＜Smax。
一种示例性的实施例中，气流沿所述第一方向流过所述腔体产生的压降为Δpf，气流沿第二方向流过所述腔体产生的压降为Δpr，其满足条件式：
Δpf<Δpr；
其中，所述第二方向与所述第一方向方向相反。
一种示例性的实施例中，所述腔体包括顺次连接的进流段、中间段和出流段，所述抑喘件设置于所述中间段内；
其中，所述内壳与所述中间段的内壁共同围成所述回流区。
一种示例性的实施例中，还包括：连接件，用于连接所述中间段和所述本体；
其中，所述本体的外壁形成有至少一个固定孔，所述中间段形成有至少一个通孔，所述连接件穿过所述通孔紧固于所述固定孔，以将所述中间段和所述抑喘件固定连接。
一种示例性的实施例中，所述进流段包括进流管和第一导流管，所述第一导流管设置于所述进流管和所述中间段的进口端之间；
所述出流段包括出流管和第二导流管，所述第二导流管设置于所述出流管和所述中间段的出口端之间；
其中，沿所述第一方向上，所述第一导流管的截面尺寸减缩，所述第二导流管的截面尺寸渐扩。
一种示例性的实施例中，所述气体增压装置包括风扇或压气机。
本申请实施例中，本发明提供了一种采用环形叶片的喘振抑制装置，该喘振抑制装置包括壳体、进口管路和出口管路。壳体具有相对设置的进口端和出口端，壳体用于容置气体增压装置。进口管路设置于壳体的进口端,出口管路设置于壳体的出口端。当气路组件稳定工作时，气流依次经过进口管路、壳体和出口管路，该气流也可以称为正向气流(正向气流沿进口管路指向出口管路的方向流通)，最后进入与气路组件连接的下游部件中。当气体增压设备发生喘振时会导致气流回流，形成逆向气流(逆向气流沿出口管路指向进口管路的方向流通)。由于逆向气流流动过程中会有部分气流进入抑喘件与壳体内壁面围成的回流区，以使得该部分气流的流向发生改变，并冲击逆向气流的主流，导致逆向气流主流的流通受到更大的阻力，从而起到抑制逆向气流的回流作用，所以此时更难发生回流或可使发生回流时流量减小，进而消除喘振或减缓喘振的发生，以及减小喘振带来的破坏。
附图说明
图1是本发明提供的采用环形叶片的喘振抑制装置的示意图；
图2是本发明提供的采用环形叶片的喘振抑制装置的结构示意图；
图3是本发明提供的采用环形叶片的喘振抑制装置的结构示意图；
图4是本发明提供的抑喘件的结构示意图；
图5是本发明提供的抑喘件的结构示意图；
图6是本发明提供的抑喘件的截面图；
图7是本发明提供的抑喘结构的气流示意图。
附图标记：
10-壳体、20-进口管路、30-出口管路、40-抑喘结构、50-连接件、41-腔体、42-抑喘件、411-进流段、412-中间段、413-出流段、421-本体、422-内壳、4111-进流管、4112-第一导流管、4211-固定孔、4221-出流口、4131-出流管、4132-第二导流管。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
针对上述技术问题，本申请提出了如下技术方案。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种采用环形叶片这样的形状作为喘振抑制装置，如图1所示，气路组件包括壳体10、进口管路20和出口管路30。壳体10具有相对设置的进口端和出口端，壳体10用于容置气体增压装置。进口管路20设置于壳体10的进口端,出口管路30设置于壳体10的出口端。
其中，进口管路20和出口管路30中的至少一个包括抑喘结构40，抑喘结构40包括腔体41和抑喘件42，抑喘件42设置于腔体41内，所述抑喘件呈环状，抑喘件42的外壁与腔体41的内壁抵接，以共同围成回流区D，气体增压装置发生喘振时，回流区D用于改变回流气流中的部分气流的流向，以冲击回流气流。其中，本申请实施例的抑喘结构40也可应用于发动机实际设计。
在本实施例中，该抑喘件呈环状。该抑喘件呈环状的技术效果包括：首先，采用环形结构可以尽减小气流正向流动过程中(即压缩系统正常工作时)的流动阻力，使该装置尽可能减小对压缩系统正常工作时的影响；其次，现有大部分试验件出口为环形，采用环形的叶片，可以更好的与现有设备匹配，采用其他形状的抑喘件(如方形)需要更复杂的改造或加工过程。
如图3至图6为抑喘件的环形叶片结构示意图。图2为抑喘结构40的截面图；图3为结构40的截面图的入口侧视图；图4为抑喘件42的三维图；图5为抑喘件出口侧视图；图6为抑喘件截面图。
本申请实施例中，图1中是表示抑喘结构40设置于壳体10和出口管路30之间的情况，应该理解的是，该抑喘结构40也可设置在气体增压设备和壳体10之间，和/或壳体10的进口端和出口端均设置抑喘结构40。当气路组件稳定工作时，气流依次经过进口管路20、壳体10和出口管路30，该气流也可以称为正向气流，最后进入与气路组件连接的下游部件中。当气体增压设备发生喘振时会导致气流回流，形成逆向气流；其中，在本实施例中，如图7所示，正向气流是指沿进口管路20指向出口管路30的方向流通，逆向气流是指沿出口管路30指向进口管路20的方向流通。由于逆向气流流动过程中会有部分气流进入抑喘件42与壳体10内壁面围成的回流区D，以使得该部分气流的流向发生改变，并冲击逆向气流的主流，导致逆向气流主流的流通受到更大的阻力，从而起到抑制逆向气流的回流作用，所以此时更难发生回流或可使发生回流时流量减小，进而消除喘振或减缓喘振的发生，以及减小喘振带来的破坏。
一些实施例中，如图2所示，抑喘件42为多个，多个抑喘件42间距布置于腔体41内，相邻两个抑喘件42之间的距离为L，腔体41的直径为H,距离L和直径H满足条件式：L/H≥0.25。
本申请实施例中，一方面，多个抑喘件42形成多个数量的回流区D，使得每个抑喘件42对应的回流区D处均形成逆向气流以对冲回流主体，即多个抑喘件42实现多级对冲，从而可以显著抑制喘振的产生。另一方面，相邻的两个抑喘件42之间，其距离L和直径H满足L/H≥0.25时，可以在保证逆向气流与回流主体的充分混合，以保证抑喘效果的同时可以优化抑喘结构的重量。
图2为抑喘结构40的截面图；图3为结构40的截面图的入口侧视图；图4为抑喘件42的三维图；图5为抑喘件出口侧视图；图6为抑喘件截面图。
如图2所示，抑喘件42呈环状，抑喘件42包括本体421和内壳422。本体421呈环形，本体421外壁与腔体41内壁抵接，沿本体421的内壁朝向第一方向X形成有内壳422，内壳422包括出流口4221，出流口4221用于腔体41内气流的流通。其中，第一方向X为本体421的进口端指向本体421的出口端的方向，内壳422与腔体41共同围成回流区D。如图7所示，距离为L可以理解为，相邻两个本体421的出口端对应的端面之间的距离。
一种示例性实施例中，如图6所示，图6是图5的B-B剖视图，图6中示意出了内壳422的母线Z和本体421的中轴线Y，应该理解的是，母线Z和中轴线Y并非抑喘件42的结构，其仅起到示意作用。内壳422截面的母线Z与本体421的中轴线Y相交形成的夹角为θ，夹角θ满足条件式：θ＜90°。
本申请实施例中，夹角θ满足条件式：θ＜90°时，抑喘件42不会对正常工作的气体增压设备的气流(即正向气流)产生较大的阻力，以使得本申请的抑喘件42在可以有效的抑制回流(即逆向气流)的同时，保证气体增压设备的正常工作。
在一些实施例中，如图6所示，内壳422的出流口4221的面积为S0，位于壳体10的出口端的出流口的截面积为Smin，腔体41的最大截面积为Smax，其满足条件式：Smin＜S0＜Smax。优选地，S0＝Smin。
本申请实施例中，当因为如果Smin<S0时，可以保证出流口的最小截面积在壳体10的出口端的出流口处，使得当气体正向流动时，不影响气体增压设备的正常工作特性。
一些实施例中，气流沿第一方向流过腔体41产生的压降为Δpf，气流沿第二方向流过腔体41产生的压降为Δpr，其满足条件式：Δpf<Δpr，其中，第二方向与第一方向相反。
上述申请实施例中，当气流正向流动(气流沿进口管路20指向出口管路30的方向流通)和逆向流动(气流沿出口管路30指向进口管路20的方向流通)时，具有完全不同的流动特性，主要体现在压降特性不同。当相同体积流率的流体(本实施例中，流体特指气流)正向流过和逆向流过抑喘结构40时，产生的压降满足：Δpf<Δpr，其中，下标f表示气体正向流动，下标r表示气体逆向流动，Δpf为气体正向流动时的压降，Δpf为气体逆向流动时的压降。
另一些实施例中，腔体41包括顺次连接的进流段411、中间段412和出流段413，抑喘件42设置于中间段412内，其中，内壳422与中间段412的内壁共同围成回流区。
喘振抑制装置还包括连接件50。连接件50用于连接中间段412和本体421，其中，本体421的外壁形成有至少一个固定孔4211，中间段412形成有至少一个通孔，连接件50穿过通孔紧固于固定孔4211，以将中间段412和抑喘件42固定连接。
本申请实施例中，利用部分逆向气流在回流区改变流通方向，并冲击逆向气流的主流，实现了对回流的抑制作用。且通过连接件50将中间段412和抑喘件42固定连接形成为固定结构，即本实施例的抑喘结构40为固定不可调结构，不需要复杂的主动调节结构，并具有安装方便和生产成本低的特点。进一步，气体正向流动时受到的气动阻力小，且在进口管路20与壳体10之间，或出口管路30与壳体10之间安装该抑喘结构40后，进口管路20和出口管路30的通气口无明显变化，因此不会对正向气流的流动造成显著影响，进而不会影响原有气路组件的功能。当气体增压设备发生喘振现象时，由于逆向气流流动过程中会有部分气流进入抑喘件42与壳体10内壁面围成的回流区，以使得该部分气流的流向发生改变，并冲击逆向气流的主流，导致逆向气流主流的流通受到更大的阻力，从而起到抑制逆向气流的回流作用，所以此时更难发生回流或可使发生回流时流量减小，进而消除喘振或减缓喘振的发生，以及减小喘振带来的破坏。
具体地，进流段411包括进流管4111和第一导流管4112，第一导流管4112设置于进流管4111和中间段412的进口端之间。出流段413包括出流管4131和第二导流管4132，第二导流管4132设置于出流管4131和中间段412的出口端之间。其中，沿第一方向上，第一导流管4112的截面尺寸减小，第二导流管4132的截面尺寸增大。
一些示例性实施例中，如图3所示，中间段412包括多个数量的中间管道构成，中间管道上形成有通孔，抑喘件42安装于中间管道内，并通过连接件50固定连接。其中，抑喘件42的数量根据腔体41的长度和相邻两个抑喘件42的间距计算得出，多个抑喘件42对应的截面母线Z与本体421的中轴线均形成夹角θ，夹角θ满足条件式：θ＜90°。
一些示例性实施例中，第一导流管4112与腔体41的进口端之间，第二导流管4132与腔体41的出口端，或抑喘件42与腔体41之间固定方式，可根据需要设计为可拆卸式安装或固定结构安装，本发明不做特殊要求。但为了减小流动损失和保证试验精度，以及抑喘件42安装于腔体41内的密封性，第一导流管4112与腔体41的进口端之间，第二导流管4132与腔体41的出口端，和抑喘件42与腔体41之间的安装衔接出采用光滑过渡设计。
一些实施例中，出口管路30包括排流管道和排流阀门，排流管道的进口端与腔体41的出口端连接，排流阀门设置于排流管道的出口端。
一些示例性实施例中，气体增压装置包括风扇或压气机。
本申请实施例中，通过采用环形叶片的喘振抑制装置，实现了对回流的抑制。当整个风扇或压气机中的气体增压装置第一次发生回流时，由于回流压降大，因此可实现对回流强度的抑制作用，同时由于喘振抑制装置没有可动结构部件，增加了结构的可靠性，减小了整个系统复杂性和成本。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，包括：
壳体(10)，具有相对设置的进口端和出口端，所述壳体(10)用于容置气体增压装置；
进口管路(20)，设置于所述壳体(10)的进口端；
出口管路(30)，设置于所述壳体(10)的出口端；
其中，所述进口管路(20)和所述出口管路(30)中的至少一个包括抑喘结构(40)，所述抑喘结构(40)包括腔体(41)和抑喘件(42)；所述抑喘件(42)呈环状，所述抑喘件(42)设置于所述腔体(41)内，所述抑喘件(42)的外壁与所述腔体(41)的内壁抵接，以共同围成回流区，气体增压装置发生喘振时，所述回流区用于改变回流气流中的部分气流的流向，以冲击所述回流气流；
所述抑喘件(42)为多个抑喘件，多个所述抑喘件(42)间距布置于所述腔体(41)内，相邻两个所述抑喘件(42)之间的距离为L，腔体(41)的直径为H,距离L和直径H满足条件式：L/H≥0.25。
2.如权利要求1所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
所述抑喘件(42)包括本体(421)和内壳(422)；所述本体(421)呈环形，所述本体(421)外壁与所述腔体(41)内壁抵接，沿所述本体(421)的内壁朝向第一方向形成有所述内壳(422)，所述内壳(422)包括出流口(4221)，所述出流口(4221)用于所述腔体(41)内气流的流通；
其中，所述第一方向为所述本体(421)的进口端指向所述本体(421)的出口端的方向，所述内壳(422)与所述腔体(41)共同围成所述回流区。
3.如权利要求2所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
所述内壳(422)截面的母线与所述本体(421)的中轴线相交形成的夹角为θ，夹角θ满足条件式：θ＜90°。
4.如权利要求2所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
所述内壳(422)的所述出流口(4221)的面积为S0，位于所述壳体(10)的出口端的出流口的截面积为Smin，所述腔体(41)的最大截面积为Smax，其满足条件式：Smin＜S0＜Smax。
5.如权利要求2所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
气流沿所述第一方向流过所述腔体(41)产生的压降为Δpf，气流沿第二方向流过所述腔体(41)产生的压降为Δpr，其满足条件式：Δpf<Δpr；
其中，所述第二方向与所述第一方向方向相反。
6.如权利要求2所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
所述腔体(41)包括顺次连接的进流段(411)、中间段(412)和出流段(413)，所述抑喘件(42)设置于所述中间段(412)内；
其中，所述内壳(422)与所述中间段(412)的内壁共同围成所述回流区。
7.如权利要求6所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，还包括：
连接件(50)，用于连接所述中间段(412)和所述本体(421)；
其中，所述本体(421)的外壁形成有至少一个固定孔(4211)，所述中间段(412)形成有至少一个通孔，所述连接件(50)穿过所述通孔紧固于所述固定孔(4211)，以将所述中间段(412)和所述抑喘件(42)固定连接。
8.如权利要求6所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，
所述进流段(411)包括进流管(4111)和第一导流管(4112)，所述第一导流管(4112)设置于所述进流管(4111)和所述中间段(412)的进口端之间；
所述出流段(413)包括出流管(4131)和第二导流管(4132)，所述第二导流管(4132)设置于所述出流管(4131)和所述中间段(412)的出口端之间；
其中，沿所述第一方向上，所述第一导流管(4112)的截面尺寸减小，所述第二导流管(4132)的截面尺寸增大。
9.如权利要求1所述的采用环形叶片的喘振抑制装置，其特征在于，所述气体增压装置包括风扇或压气机。
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