CN117646742A - 一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法 - Google Patents

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陈桥
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Abstract

本发明公开了一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，扩压流道由扩压器及呈中心对称的两段整流段组成，扩压器与整流段之间设有气流收集段；来自离心压气机的气流从扩压器入口流入扩压器，经过扩压器叶片的偏转后，在交界面处进入两个中心对称的整流段，气体通过整流段后，最终从两个出口分别进入两个单管燃烧室。本发明一方面减小了气体在扩压流道中的流程，有利于损失的减小，从而提升了效率；另一方面，双出口离心压气机的扩压流道为中心对称布局，连接的两个单管燃烧室也为中心对称布局，从而减小了单个燃烧室的体积，控制了燃气轮机的总体尺寸大小，也使得燃气轮机的应用范围更广。

Description

一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法
技术领域
本发明涉及扩压流道设计领域，特别涉及一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法。
背景技术
离心压气机由于具有结构紧凑、单级增压比大等优点，在微型燃气轮机中应用广泛。此外，微型燃气轮机中往往使用单管燃烧室来保证燃烧效率。为了使得压气机出口的气流进一步减速增压，需要在压气机和燃烧室之间引入扩压器这一装置。
现有的扩压器多为单出口设计，即扩压器下游与一个单管燃烧室相连。这一方面导致气体流程较长，流动损失大，影响了燃气轮机的效率；另一方面，燃烧室所需的体积较大，影响燃气轮机整机的尺寸和布局，限制了微型燃气轮机的应用场景。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，可缩短气体在扩压流道的流程，减少流动损失，同时限制燃气轮机的总体尺寸大小，应用范围广。
为此，本发明的技术方案是：一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，扩压流道由扩压器及呈中心对称的两段整流段组成，扩压器与整流段之间设有气流收集段；
1)扩压器流道设计：
所述扩压器中间设有扩压器入口，扩压器入口的半径为r2；扩压器内部设有若干叶片，叶片前缘在半径为r3的圆上，叶片尾缘在半径为r4的圆上；扩压器与整流段交界面为圆形，对应的半径为r5；扩压器的轴向厚度为b；
气流在叶片前缘处的绝对速度方向与径向的夹角为α3，指定叶片尾缘处的切线与径向夹角α4，且满足0<α4<α3<90°；
与原点距离为rC的中弧线上点C处切线与径向的夹角αC，则：
点C的坐标(XC,YC)：
其中R为中弧线在极坐标中对应的圆弧半径：
扩压器叶片叶型的无量纲相对偏移量为则：
C点处的吸力面叶型二维坐标(XSS,YSS)：
C点处的压力面叶型二维坐标(XPS,YPS)：
2)气流收集段设计：
气流收集段由多段组合而成，其外轮廓可划分为V1V2、V2V3、V3V4、V4V5以及V5下游共五段，V1V2段为直线段，与径向的夹角为α5，V2V3段的径向截面为上下对称结构，外轮廓为半圆弧结构，半圆弧两端各设置一相切的样条曲线，且样条曲线的另一端与扩压器表面相切；所述半圆弧上任意一点S3与坐标原点O的距离为r5+Φθ，
其中：
根据气体动力学原理，近似有α5＝α4；ε为缩放系数，取1～1.5；
V3V4段、V4V5段为过渡段，V5下游段为整流段。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述扩压器入口处气流的绝对速度方向与径向的夹角为α2，从半径r2至半径r3的环形区域为无叶扩压段，根据气体动力学原理，气流在叶片前缘处的绝对速度方向与径向的夹角α3近似等于α2，即近似有α3＝α2。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述扩压器叶片数目为压气机叶片数的-5～+5范围内，且与压气机叶片数的最大公约数为1；确定其中一个叶片的位置后，通过旋转阵列，可得到其它的叶片位置。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述气流收集段的起点V1位于扩压器与整流段交界面上，V1与原点O的连线与X轴的夹角为θ1，θ1为5°～15°，V1V2段在三维空间中对应平面。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述V3与原点O的连线与X轴的夹角为θ3，θ3为140°～160°；所述V3、V4、V5在同一直线上，该直线与OV3垂直。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述V4V5段内轮廓处设有点V6，点V6与另一侧气流收集段的起点V1在同一直线上，且与V3V5平行；所述V5下游段的径向截面为圆形，该圆的直径为V3V5和V1V6的间距。
在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：所述V3V4段、V4V5段的径向截面可根据扫掠得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将来自压气机的气流分为两股，在减速增压后分别进入中心对称布置的两个单管燃烧室，相比于传统的单出口式扩压流道，本发明一方面减小了气体在扩压流道中的流程，有利于损失的减小，从而提升了效率；另一方面，双出口离心压气机的扩压流道为中心对称布局，连接的两个单管燃烧室也为中心对称布局，从而减小了单个燃烧室的体积，控制了燃气轮机的总体尺寸大小，也使得燃气轮机的应用范围更广。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明扩压器流道设计示意图；
图3为本发明气流收集段设计示意图；
图4为本发明气流收集段各个部分的径向截面示意图。
图中标记为：扩压器入口1、叶片2、叶片前缘21、叶片尾缘22、中弧线23、吸力面24、压力面25、气流收集段3、扩压器与整流段交界面4。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见附图。本实施例所述扩压流道设计方法，扩压流道包含扩压器与整流段两部分。所述扩压器中间设有扩压器入口1，扩压器入口1连接离心压气机，扩压器上设有若干均匀设置的叶片2，扩压器外侧设有两段呈中心对称的整流段，扩压器与整流段之间设有气流收集段3。来自离心压气机的气流从扩压器入口流入扩压器，经过扩压器叶片的偏转后，在交界面处进入两个中心对称的整流段。气体通过整流段后，最终从两个整流段出口分别进入两个单管燃烧室。
1)扩压器流道设计方法，如图2所示：
XY平面上，扩压器入口1为圆形，扩压器入口的半径为r2；叶片前缘21在半径为r3的圆上，叶片尾缘22在半径为r4的圆上；扩压器与整流段交界面为圆形，对应的半径为r5；同时，扩压器的轴向厚度为b。
扩压器入口处气流的绝对速度方向与径向的夹角为α2。由于从半径r2至半径r3的环形区域为无叶扩压段，根据气体动力学原理，气流在叶片前缘处的绝对速度方向与径向的夹角α3近似等于α2，即近似有α3＝α2。指定叶片尾缘处的切线与径向夹角α4，且满足0<α4<α3<90°。
叶片中间设有中弧线23，中弧线上任意一点C与原点距离为rC，点C处切线与径向的夹角αC，则：
点C的坐标(XC,YC)：
其中R为中弧线在极坐标中对应的圆弧半径：
扩压器叶片叶型的无量纲相对偏移量为则：
C点处的吸力面24叶型二维坐标(XSS,YSS)：
C点处的压力面25叶型二维坐标(XPS,YPS)：
扩压器叶片数目一般取压气机叶片数的-5～+5范围，且要保证与压气机叶片数的最大公约数为1。确定其中一个叶片的位置后，通过旋转阵列，可得到其它的叶片位置。
以上，则确定了扩压器流道的几何。
2)气流收集段设计方法，如图3、图4所示：
气流收集段由多段组合而成。根据外轮廓划分为V1V2段、V2V3段、V3V4段、V4V5段以及V5下游段共五段。定义XY平面上任意点与原点O的连线与X轴的夹角为θ。
所述气流收集段的起点V1位于扩压器与整流段交界面4上，V1与原点O的连线与X轴的夹角为θ1，θ1为5°～15°，V1V2为直线，且与径向的夹角为α5。V1V2在三维空间中对应平面。
V2V3段沿半径方向的截面如A-A所示。S3为外轮廓点(位于V2V3上)，S2S3S4为半圆弧。S1S2为样条曲线，与S2S3以及扩压器表面相切；S4S5为样条曲线，与S3S4以及扩压器表面相切。
S3与坐标原点O的距离为r5+Φθ。
其中：
b、r5、α5与图2中定义一致；根据气体动力学原理，近似有α5＝α4；ε为缩放系数，一般取1～1.5。
V3V4、V4V5为过渡段，V5下游为整流段。在XY平面上，V3与原点O的连线与X轴的夹角为θ3，θ3为140°～160°。V3、V4、V5三点在同一直线上，该直线与OV3垂直。与V4V5位置对应的的内轮廓处设有点V6，点V6与另一侧气流收集段的起点V1在同一直线上，且与V3V5平行；所述V5下游段的径向截面D-D为圆形，该圆的直径为V3V5段和V1V6段的间距。
基于已确定的几何，V3V4、V4V5的过渡段对应的截面B-B、C-C可根据扫掠得到。
以上，则确定了气流收集段的几何。
以上所述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 (7)

1.一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：扩压流道由扩压器及呈中心对称的两段整流段组成，扩压器与整流段之间设有气流收集段；
1)扩压器流道设计：
所述扩压器中间设有扩压器入口，扩压器入口的半径为r2；扩压器内部设有若干叶片，叶片前缘在半径为r3的圆上，叶片尾缘在半径为r4的圆上；扩压器与整流段交界面为圆形，对应的半径为r5；扩压器的轴向厚度为b；
气流在叶片前缘处的绝对速度方向与径向的夹角为α3，指定叶片尾缘处的切线与径向夹角α4，且满足0<α4<α3<90°；
与原点距离为rC的中弧线上点C处切线与径向的夹角αC，则：
点C的坐标(XC,YC)：
其中R为中弧线在极坐标中对应的圆弧半径：
扩压器叶片叶型的无量纲相对偏移量为则：
C点处的吸力面叶型二维坐标(XSS,YSS)：
C点处的压力面叶型二维坐标(XPS,YPS)：
2)气流收集段设计：
气流收集段由多段组合而成，其外轮廓可划分为V1V2、V2V3、V3V4、V4V5以及V5下游共五段，V1V2段为直线段，与径向的夹角为α5，V2V3段的径向截面为上下对称结构，外轮廓为半圆弧结构，半圆弧两端各设置一相切的样条曲线，且样条曲线的另一端与扩压器表面相切；所述半圆弧上任意一点S3与坐标原点O的距离为r5+Φθ，
其中：
根据气体动力学原理，近似有α5＝α4；ε为缩放系数，取1～1.5；
V3V4段、V4V5段为过渡段，V5下游段为整流段。
2.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述扩压器入口处气流的绝对速度方向与径向的夹角为α2，从半径r2至半径r3的环形区域为无叶扩压段，根据气体动力学原理，气流在叶片前缘处的绝对速度方向与径向的夹角α3近似等于α2，即近似有α3＝α2。
3.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述扩压器叶片数目为压气机叶片数的-5～+5范围内，且与压气机叶片数的最大公约数为1；确定其中一个叶片的位置后，通过旋转阵列，可得到其它的叶片位置。
4.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述气流收集段的起点V1位于扩压器与整流段交界面上，V1与原点O的连线与X轴的夹角为θ1，θ1为5°～15°，V1V2段在三维空间中对应平面。
5.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述V3与原点O的连线与X轴的夹角为θ3，θ3为140°～160°；所述V3、V4、V5在同一直线上，该直线与OV3垂直。
6.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述V4V5段内轮廓处设有点V6，点V6与另一侧气流收集段的起点V1在同一直线上，且与V3V5平行；所述V5下游段的径向截面为圆形，该圆的直径为V3V5和V1V6的间距。
7.如权利要求1所述的一种用于双出口离心压气机的扩压流道设计方法，其特征在于：所述V3V4段、V4V5段的径向截面可根据扫掠得到。
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