CN114321016B - 一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，包括周向设于无叶扩压器进口段两侧的壁面上的多段锯齿状沟槽结构，每段所述锯齿状沟槽结构的起始端与所述无叶扩压器的进口处相平。与现有技术相比，该装置能够减小流动阻力，提高扩压器进口段附面层的稳定性，进而加大压气机的稳定工作裕度，改善无叶扩压器甚至整机的工作性能。

Description

一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置

技术领域

本发明涉及离心压气机技术领域，尤其是涉及一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置。

背景技术

离心压气机用以对流过的气流加入机械功，以期压缩气流、提高动能并克服流组损失。而离心压气机的扩压器指与叶轮出口相连接的由两个前后盖板封闭所形成的环形空间，其主要功能为使气流在通道内扩压减速，最终完成气流在压气机中持续增压的目标。

扩压器按照内部有无叶片导流分为无叶扩压器和有叶扩压器，相比有叶扩压器，无叶扩压器结构简单，对变工况的适应性强，性能曲线平坦，并且不存在有叶扩压器中气流进口攻角的问题，稳定工作范围更加宽广，因此应用更广泛。参考图1所示，气流在无叶扩压器中流动气流角相同，即做螺线运动，气流的流动方向较小，速度周向分量大，因此流动路程较长，摩擦损失大。

无叶扩压器的进口流动是导致带无叶扩压器的离心压气机失稳的重要因素，而无叶扩压器的失速和壁面附面层的不稳定性相关，即与近壁面处的径向回流现象相关，因此需要提高扩压器进口段附面层的稳定性，减少流动阻力，进而加大压气机的稳定工作裕度，改善无叶扩压器甚至整机的工作性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，该装置能够减少壁面的摩擦阻力，提高扩压器进口段附面层的稳定性，进而加大压气机的稳定工作裕度，改善无叶扩压器甚至整机的工作性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，包括周向设于无叶扩压器进口段两侧的壁面上的多段锯齿状沟槽结构，每段所述锯齿状沟槽结构的起始端与所述无叶扩压器的进口处相平。

优选地，每个所述锯齿状沟槽结构包括槽脊、槽谷和槽梁，每个所述锯齿状沟槽结构的截面呈三角形，每个所述槽脊脊角α的角度为45°～60°。

优选地，每个所述槽脊的脊高h与相邻所述锯齿状沟槽结构的间距s之比为0.7～1.3，进而确保所述锯齿沟槽装置的耐用性。

优选地，每个所述槽梁与所述无叶扩压器的环向之间的夹角β为15°～40°，用以确保所述无叶扩压器的稳定性的同时避免资源浪费。

优选地，每段所述锯齿状沟槽结构在所述无叶扩压器壁面上的径向投影长度大于所述无叶扩压器的出口处的半径与所述无叶扩压器的进口处的半径之差的径向投影长度的20％，进而减小所述无叶扩压器的进口流动。

优选地，相邻所述锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*不超过30，用以避免流向涡落入相邻所述锯齿状沟槽结构的间隙中，并且抑制流向涡的横向迁移。

优选地，相邻所述锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*的计算公式具体为：

式中，s^*为相邻所述锯齿状沟槽结构的无量纲间距，s为相邻所述锯齿状沟槽结构的间距，b为无叶扩压器的通道宽度，v为运动粘度，即表征动量扩散的能力大小，u为流体的流动速度，r为流体质点所在当地位置的半径，C为常数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过在无叶扩压器的进口段设有类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，使得流体流过时在沟槽表面形成涡，且涡保持在槽脊的上方，使得槽谷产生低速流，进而削弱逆压梯度下无叶扩压器进口段附面层分离及流向涡猝发破碎的状况，进而更好地抑制扩压器进口段的附面层分离并减少流动阻力，提高扩压器进口段附面层的稳定性。

2、本发明通过设置槽脊在无叶扩压器壁面上的径向投影长度大于无叶扩压器出口处的半径与无叶扩压器进口处的半径之差的径向投影长度的20％，减小无叶扩压器的进口流动，促进流体边界层的稳定，进而有效抑制无叶扩压器近壁面处的径向回流现象，提高无叶扩压器进口段附面层的稳定性。

3、本发明通过设置凹槽切向安装角的大小为20°～40°，对无叶扩压器进行减阻，进而提高带无叶扩压器离心压气机的气动性能。

附图说明

图1为现有技术中无叶扩压器内不同入流角度下的流线示意图；

图2为本实施例提供的一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置在无叶扩压器的子午流道截面上的示意图；

图3为图2所示实施例设于无叶扩压器的径向示意图；

图4为图2所示实施例的局部放大图；

图5为图2所示实施例在无叶扩压器进口段两壁面的示意图；

图6为无粘分析方法预测与Senoo实验与预测无叶扩压器失稳临界角的对比示意图；

图中标记为：1、叶轮，2、无叶扩压器，21、进口处，22、出口处，3、锯齿状沟槽结构，31、槽脊，32、槽谷和33、槽梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

流体流过鲨鱼皮肤表面独有的沟槽状结构时，在沟槽表面形成涡，且涡保持在沟槽槽脊的上方，使得沟槽槽谷产生低速流；沟槽槽脊间的速度梯度小于平板上的速度梯度，减小了沟槽表面的剪切应力，而沟槽谷脊间的速度梯度较大，相应的剪切应力较大，剪切应力的总阻力减小；同时，沟槽表面的涡的横向迁移较平板流动显著衰减，涡的横向迁移的衰减，减弱了涡的猝发、缠结及边界层外的湍流，即通过沟槽与涡的相互作用，减小了涡的横向平移及其相关效应，进而减阻。此外，由于沟槽表面形成的涡保持在沟槽槽脊的上方，促进槽脊区域促流体质点的横向动量变换，使得有更充足的动量应对逆压梯度流动，可以推迟或抑制附面层的分离。

在湍流中，紧靠固体边界附近的地方，因脉动流速很小，由脉动流速产生的附加切应力也很小，但流速梯度很大，因此粘滞切应力起主导作用，其流态基本属于层流。因此，湍流中在紧靠固体边界表面有一层极薄的层流层存在，该层流层为粘性底层。

粘性底层表面形成的流向涡猝发引起粘性底层上方的无序混沌运动，由于流向涡在表面既旋转又沿着横向流动方向迁移，涡与物体表面的相互作用，以及相邻涡在迁移过程中的碰撞，使得产生的涡从粘性底层喷射到边界层外，并与其他涡碰撞、产生扭转，改变了瞬时速度矢量，以致瞬时横向速度分量增大到与瞬时流向速度分量同样的大小。粘性底层涡的迁移、猝发与湍流边界层外部的无序流动都是动量交换的形式，也是流动阻力产生的主要因素。因此，减少流向涡的猝发破碎是减阻的主要目标。

参考图2～图5所示，本实施例提供一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，包括周向设于无叶扩压器2的进口段两侧的壁面上的多段锯齿状沟槽结构3，无叶扩压器2安装于叶轮1的外侧，且每段锯齿状沟槽结构3的起始端与无叶扩压器的进口处21相平。每段锯齿状沟槽结构3包括槽脊31、槽谷32和槽梁33，每段锯齿状沟槽结构3的高宽比，即槽脊31的脊高h与相邻锯齿状沟槽结构3的间距s之比为0.7～1.3，槽脊31的脊角α的角度为45°～60°。

参考图3所示，作为一种可选的实施方式，当锯齿状沟槽结构3的高宽比等于1，且槽脊31的脊角α的角度等于54°时，相邻锯齿状沟槽结构3的底端的距离为0。根据流体力学流向涡理论，在此条件下，通过锯齿状沟槽结构3与涡的相互作用可以最大程度地减小涡的横向平移及其相关效应，性能最佳，锯齿状沟槽结构3最耐用。

每段锯齿状沟槽结构3在无叶扩压器2壁面上的径向投影长度大于无叶扩压器的出口处22的半径与无叶扩压器的进口处21的半径之差的径向投影长度的20％，该结构的设定可以减小无叶扩压器2的进口流动，促进流体边界层的稳定，进而有效抑制无叶扩压器2近壁面处的径向回流现象，提高无叶扩压器2进口段附面层的稳定性。

每段槽梁33与所述无叶扩压器2的环向之间的夹角β为15°～40°，由于无叶扩压器2的损失主要源于流体在无叶扩压器2中的螺旋轨迹太长，当每段槽梁33与所述无叶扩压器2的环向之间的夹角β为15°～40°时，无叶扩压器2的流体流量较大，螺旋轨迹相对较短，因此相对于其他部件的损失不大，因此设置每段槽梁33与所述无叶扩压器2的环向之间的夹角β大于40°时反而会造成资源浪费。参考图6所示，经实验可得，无叶扩压器2的失稳临界角在15°左右，即当每段槽梁33与所述无叶扩压器2的环向之间的夹角β小于15°时，无叶扩压器2不稳定，因此对应锯齿状凹槽结构3的减阻作用范围也在15°左右，对无叶扩压器进行减阻，进而提高带无叶扩压器离心压气机的气动性能。

由于较大的相邻锯齿状沟槽结构3的无量纲间距s^*会导致流向涡落入相邻锯齿状沟槽结构3的间隙中，进而增加锯齿状沟槽结构3表面的切应力，而较小的相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*使得锯齿状沟槽结构3的尺寸遇到一个临界值，难以抑制流向涡的横向迁移，因此相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*不超过30，并以15最佳，相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*无量纲。

计算相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*，包括以下步骤：

(1)根据流体的湿周长和无叶扩压器充满流体部分的截面面积计算当地当量直径；

式中，d_r为当地当量直径，r为流体质点所在当地位置的半径，A为无叶扩压器中充满流体部分的截面面积，X为流体的湿周长，即流动截面上流体与固体壁面接触的周界长度，由于无叶扩压器的流道展开为一封闭圆环展开为没有两侧边的矩形，考虑到两个壁面，矩形高度应为无叶扩压器两壁面间距的一半。由于槽脊脊高相较于壁面间距很小，这里认为锯齿状沟槽结构的尺寸对于当量直径等的计算结果的影响很小，可以忽略锯齿状沟槽结构的尺寸对计算结果的影响。因此：

式中，H为固体两壁面间的通道宽度，对于无叶扩压器，H＝b，b为无叶扩压器的通道宽度，等宽度无叶扩压器的通道宽度保持不变。

(2)计算当地雷诺数

式中，Re_r为当地的雷诺数，ν为运动粘度，即表征动量扩散的能力大小，为流体的流动速度，无叶扩压器内流体扩压程度较小，可以认为v为一常值，并取决于流体的状态。且气流在无叶扩压器中沿方向角α不变的对数螺旋线轨迹运动，因此，

r*u＝constant

(3)计算无叶扩压器壁面的摩擦切应力：

式中，c_f为无叶扩压器壁面的摩擦阻力系数，τ₀为无叶扩压器壁面的摩擦切应力，ρ为气流密度。

(4)定义约束条件，求解相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*

式中，s^*为相邻锯齿状沟槽结构的无量纲间距s^*，且s^*≤30，s为沟槽间距，化简上述格式，可以得到

式中，C为常数。

当r增加时，s^*减小，通过上述公式，可以看到，进口的s^*最大，所以只需要控制住无叶扩压器进口位置处的s^*≤30，一般选择计算域中最大的无量纲尺寸值使之满足s^* _max≈15作为约束上分析的出发点，并且还需要考虑沟槽周向均匀分布的要求，以避免出现不均匀性影响扩压器的性能。

通过s^*及周向均匀分布的约束分析，就可以得到最佳的s值大小，能够满足全流道减阻的需求，进而通过h/s、α和β的取值选择可以确定其他的相关设计参数。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，其特征在于，包括周向设于无叶扩压器(2)进口段两侧的壁面上的多段锯齿状沟槽结构(3)，每段所述锯齿状沟槽结构(3)的起始端与所述无叶扩压器(2)的进口处(21)相平；

每个所述锯齿状沟槽结构(3)包括槽脊(31)、槽谷(32)和槽梁(33)，每个所述锯齿状沟槽结构(3)的截面呈三角形，每个所述槽脊(31)脊角α的角度为45°～60°；

每个所述槽脊(31)的脊高h与相邻所述锯齿状沟槽结构(3)的间距s之比为0.7～1.3，进而确保所述二维锯齿状沟槽装置的耐用性；

每个所述槽梁(33)与所述无叶扩压器(2)的环向之间的夹角β为15°～40°，用以确保所述无叶扩压器(2)的稳定性的同时避免资源浪费；

每段所述锯齿状沟槽结构(3)在所述无叶扩压器(2)壁面上的径向投影长度大于所述无叶扩压器(2)的出口处(22)的半径与所述无叶扩压器(2)的进口处(21)的半径之差的径向投影长度的20％，进而减小所述无叶扩压器(2)的进口流动。

2.根据权利要求1所述的一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，其特征在于，相邻所述锯齿状沟槽结构(3)的无量纲间距s^*不超过30，用以避免流向涡落入相邻所述锯齿状沟槽结构(3)的间隙中，并且抑制流向涡的横向迁移。

3.根据权利要求2所述的一种类鲨鱼皮二维锯齿状沟槽装置，其特征在于，相邻所述锯齿状沟槽结构(3)的无量纲间距s^*的计算公式具体为：

式中，s^*为相邻所述锯齿状沟槽结构的无量纲间距，s为相邻所述锯齿状沟槽结构的间距，b为无叶扩压器的通道宽度，ν为运动粘度，即表征动量扩散的能力大小，u为流体的流动速度，r为流体质点所在当地位置的半径，C为常数。