CN117725704A - 一种有叶扩压器设计方法及有叶扩压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有叶扩压器设计方法及有叶扩压器，涉及压缩机技术领域。有叶扩压器包括扩压器本体以及设置于扩压器本体的叶片，叶片具有正面和背面，叶片上设置有自正面贯通至背面的射流通道，射流通道具有显露于背面的喉口。有叶扩压器设计方法包括：获取扩压器本体与叶片；获取流体在背面发生流动分离的起始位置；根据起始位置确定射流通道的喉口位置。由于叶片正面和背面的压差作用，部分沿叶片的正面流动的流体加速流入射流通道内，沿射流通道流动至叶片的背面，且流体的速度在流动至射流通道的喉口处时达到最大，形成射流，冲散位于叶片背面的流动分离区内的流体，减弱或消除叶片背面后部的逆压梯度，从而减弱流动分离现象，提高效率。

Description

一种有叶扩压器设计方法及有叶扩压器

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，尤其涉及一种有叶扩压器设计方法及有叶扩压器。

背景技术

扩压器是离心压缩机中十分重要的静止元件，其主要作用是对具有较大动能的气流进行减速，使动能有效地转化为压力能。扩压器的性能与压缩机的级效率、压升、气动噪声等有着密切的联系。

常见的扩压器分为无叶扩压器和有叶扩压器。一般来说，无叶扩压器设计简单且易于制造，成本较低，性能曲线平坦，工况范围较宽。但同时其流动损失较大，压力恢复系数较低，效率也比较低。与无叶扩压器相比，有叶扩压器内的流动损失小，压力恢复系数较高，同样尺寸的有叶扩压器可以获得更大的压比及更高的设计效率。

然而，在有叶扩压器的运行过程中，其叶片背部存在流动分离，导致效率下降。

发明内容

为了解决现有的有叶扩压器的叶片背部存在流动分离，导致效率下降的问题，本发明的目的是提供一种有叶扩压器设计方法。

本发明提供如下技术方案：

一种有叶扩压器设计方法，用于设计有叶扩压器，所述有叶扩压器包括扩压器本体以及设置于所述扩压器本体的叶片，所述叶片具有正面和背面，所述叶片上设置有自所述正面贯通至所述背面的射流通道，所述射流通道具有显露于所述背面的喉口；

所述有叶扩压器设计方法包括：

获取所述扩压器本体与所述叶片；

获取流体在所述背面发生流动分离的起始位置；

根据所述起始位置确定所述射流通道的喉口位置。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述根据所述起始位置确定所述射流通道的喉口位置的步骤包括：

记所述起始位置至所述扩压器本体中心的距离为R_sep，记所述喉口位置至所述扩压器本体中心的距离为R_jet，则R_jet=ξ₁*R_sep，且0.9≤ξ₁≤1。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，在所述获取所述扩压器本体与所述叶片的步骤之后，还包括：

获取所述叶片的出口叶片角；

根据所述出口叶片角确定所述射流通道的角度。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述根据所述出口叶片角确定所述射流通道的角度的步骤包括：

记所述出口叶片角为β₁，记所述射流通道的角度为β_jet，则β_jet=β₁±2°。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，在所述获取所述扩压器本体与所述叶片的步骤之后，还包括：

确定所述射流通道的喉口宽度。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述确定所述射流通道的喉口宽度的步骤包括：

获取所述扩压器本体的宽度以及所述正面的贴壁流截面上的滞止参数；

获取所述射流通道的喉口速度和质量流量；

根据所述滞止参数和所述喉口速度确定所述射流通道的喉口静压；

根据所述滞止参数、所述质量流量和所述喉口静压确定所述喉口宽度。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述获取所述喉口速度的步骤包括：

获取流体在所述起始位置的平均速度，记为C_sep；

记所述喉口速度为C_jet，则C_jet=ξ₂*C_sep，且1≤ξ₂≤1.3。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述根据所述滞止参数和所述喉口速度确定所述射流通道的喉口静压的步骤包括：

记所述滞止参数为p_0t、v_0t，记所述喉口速度为C_jet，记所述喉口静压为p_jet，则

；

其中，κ为定熵指数，ξ₃为压损系数，且0.9≤ξ₃≤0.95。

作为对所述有叶扩压器设计方法的进一步可选的方案，所述根据所述滞止参数、所述质量流量和所述喉口静压确定所述喉口宽度的步骤包括：

记所述扩压器本体的宽度为b_dif，记所述滞止参数为p_0t、v_0t，记所述质量流量为q_m，jet，记所述喉口静压为p_jet，记所述喉口宽度为b_jet，则

；

其中，κ为定熵指数。

本发明的另一目的是提供一种有叶扩压器。

本发明提供如下技术方案：

一种有叶扩压器，采用上述有叶扩压器设计方法设计而成，所述有叶扩压器包括扩压器本体以及设置于所述扩压器本体的叶片；

所述叶片具有正面和背面，所述叶片上设置有自所述正面贯通至所述背面的射流通道，所述射流通道具有显露于所述背面的喉口。

本发明的实施例具有如下有益效果：

在上述有叶扩压器中，叶片上设置有自正面贯通至背面的射流通道，射流通道的喉口显露于叶片的背面，且喉口位置根据流体在背面发生流动分离的起始位置而确定。在有叶扩压器运行的过程中，由于叶片正面和背面的压差作用，部分沿叶片的正面流动的流体加速流入射流通道内，沿射流通道流动至叶片的背面，且流体的速度在流动至射流通道的喉口处时达到最大，形成射流。该射流能够冲散位于叶片背面的流动分离区内的流体，减弱或消除叶片背面后部的逆压梯度，从而减弱流动分离现象，提高效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了现有的有叶扩压器的流场分布与特征尺寸示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器中叶片的结构示意图；

图4示出了现有的有叶扩压器中叶片附近的流场分布示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器中叶片附近的流场分布示意图；

图6示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器设计方法的步骤流程图；

图7示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器中叶片的流场分布与特征尺寸示意图；

图8示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器中射流通道的流场分布与特征尺寸示意图；

图9示出了本发明实施例提供的一种有叶扩压器设计方法中步骤S6的流程示意图；

图10示出了本发明另一实施例提供的一种有叶扩压器中叶片附近的流场分布示意图。

主要元件符号说明：

100-扩压器本体；200-叶片；210-正面；220-背面；230-射流通道；231-喉口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，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者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，在现有的有叶扩压器的运行过程中，来流角度α大于有叶扩压器的进口叶片角，导致正冲角过大，叶背逆压梯度过大，进而导致气体在叶片背部的流动无法维持而发生流动分离，气流冲击损失较大，效率下降，这一情况在变工况时表现得尤为明显。此外，现有的有叶扩压器在流量减小时还容易引发压缩机喘振，稳定工况范围较窄。

实施例

本实施例提供一种有叶扩压器设计方法，用于设计有叶扩压器。

请参阅图2，有叶扩压器由扩压器本体100以及设置于扩压器本体100的叶片200组成。

其中，扩压器本体100具有环形的流道。叶片200的数量为多个，多个叶片200沿扩压器本体100的周向分布在流道内。

请参阅图3，此外，叶片200具有正面210和背面220，且叶片200上设置有射流通道230。射流通道230自正面210贯通至背面220，射流通道230具有显露于背面220的喉口231。

在上述有叶扩压器运行的过程中，由于叶片200正面210和背面220的压差作用，部分沿叶片200的正面210流动的流体加速流入射流通道230内，沿射流通道230流动至叶片200的背面220，且流体的速度在流动至射流通道230的喉口231处时达到最大，形成射流。该射流能够冲散位于叶片200背面220的流动分离区内的流体，减弱或消除叶片200背面220后部的逆压梯度，从而减弱流动分离现象，提高效率。

在一些具体实施方式中，每个叶片200上的射流通道230的数量为一个，将该叶片200分割成两个子叶片200。

在另一些具体实施方式中，每个叶片200上的射流通道230的数量也可以是两个或者更多。

请一并参阅图4和图5，示例性地，在未设置射流通道230的情况下，叶片200的背面220存在大区域的流动分离情况，该区域占叶片200弦长的三分之一。设置射流通道230后，叶片200的背面220的流动分离情况有所改善，分离区只占叶片200弦长的四分之一。

请参阅图6，上述有叶扩压器设计方法包括以下步骤：

S1，获取扩压器本体100与叶片200。

具体地，进行有叶扩压器的一维设计，采用翼型叶片200，选择满足要求的进口叶片角和出口叶片角，采用光顺的叶片200厚度分布，从而获取扩压器本体100与叶片200。

在另一些实施例中，也可以采用上述有叶扩压器设计方法对现有的有叶扩压器产品进行改造优化，根据现有的有叶扩压器产品直接获取扩压器本体100与叶片200。

S2，获取流体在背面220发生流动分离的起始位置。

具体地，对离心压缩机的离心叶轮与有叶扩压器进行详细的CFD（ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学）流场计算，获得静压-流量曲线，观察叶片200背面220的流动分离情况，确定叶片200背面220流动分离的具体位置，从而获取流体在叶片200的背面220发生流动分离的起始位置。

在一些具体实施方式中，进行CFD流场计算后，还可以观察小流量工况下叶片200的前缘冲角，并根据前缘的冲角情况进一步调整叶片200前缘的厚度，从而改善冲角适应性。

在另一些实施例中，也可以根据现有数据库拟合经验公式，利用扩压器本体100和叶片200的位置、尺寸等参数计算得到流体在叶片200的背面220发生流动分离的起始位置。

S3，根据起始位置确定射流通道230的喉口231位置，具体步骤如下：

请结合图1和图2，记起始位置至扩压器本体100中心的距离为R_sep，记喉口231位置至扩压器本体100中心的距离为R_jet，则R_jet=ξ₁*R_sep，且0.9≤ξ₁≤1。

可选地，ξ₁可以是0.9、0.93、0.95、0.97、1以及0.9-1之间的任意值。

进一步地，在一些实施例中，在步骤S1之后，还包括以下步骤：

S4，获取叶片200的出口叶片角。

S5，根据出口叶片角确定射流通道230的角度，具体步骤如下：

请结合图7和图8，记出口叶片角为β₁，记射流通道230的角度为β_jet，则β_jet=β₁±2°。

其中，射流通道230的角度是指射流通道230的轴线与扩压器本体100上经过喉口231的径线之间的夹角。

使射流通道230的角度贴近出口叶片角，有利于射流冲散流动分离区内的流体，更好地减弱流动分离现象。

需要注意的是，步骤S4与步骤S2、步骤S3之间并无先后顺序，步骤S5与步骤S2、步骤S3之间并无先后顺序，只需保证步骤S4在步骤S5之前即可。

进一步地，在一些实施例中，在步骤S1之后，还包括以下步骤：

S6，确定射流通道230的喉口宽度。

请参阅图9，具体步骤如下：

S6-1，获取扩压器本体100的宽度以及正面210的贴壁流截面上的滞止参数。

请结合图7，具体地，记扩压器本体100的宽度为b_dif，记滞止参数为p_0t、v_0t，p_0t和v_0t可以通过CFD流场计算得到。

S6-2，获取射流通道230的喉口速度和质量流量，具体步骤如下：

具体地，记喉口速度为C_jet，获取流体在起始位置的平均速度，记为C_sep，则C_jet=ξ₂*C_sep，且1≤ξ₂≤1.3。

其中，C_jet可以通过CFD流场计算得到，ξ₂为修正系数。

可选地，ξ₂可以是1、1.1、1.2、1.3以及1-1.3之间的任意值。

此外，记质量流量为q_m，jet，由于射流通道230的流量与贴壁流截面上的流量近似相等，故q_m，jet同样可以通过CFD流场计算得到。

S6-3，根据滞止参数和喉口速度确定射流通道230的喉口静压，具体步骤如下：

记喉口静压为p_jet，则

。

其中，κ为定熵指数，ξ₃为压损系数，且0.9≤ξ₃≤0.95。

可选地，ξ₃可以是0.9、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95或0.9-0.95之间的任意值。

S6-4，根据滞止参数、质量流量和喉口静压确定喉口宽度，具体步骤如下：

请结合图8，记喉口宽度为b_jet，则

。

设置恰当的喉口宽度，能够使流体在射流通道230的喉口231处具有更大的流速，同样有利于射流冲散流动分离区内的流体，更好地减弱流动分离现象。

需要注意的是，步骤S6与步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5之间并无先后顺序。

在一些实施例中，完成上述步骤S1-S6之后，还可以对新设计的有叶扩压器进行CFD仿真和试验测试，以验证其对叶片200背面220的流场的改善情况。

总之，上述有叶扩压器设计方法基于已有的或者新设计的翼型有叶扩压器，将叶片200分割成两个或者多个子叶片200，在子叶片200之间形成有效的射流通道230，并通过数值仿真、试验测试或者经验函数对射流通道230的喉口231位置、角度和喉口宽度进行详细设计布局，从而利用射流通道230内的射流冲散位于叶片200背面220的流动分离区内的流体，减弱或消除叶片200背面220后部的逆压梯度，从而减弱流动分离现象，减少叶片200背面220的流动分离区域，提高效率，同时能够降低气动噪声。

请参阅图10，示例性地，选取合适的射流通道230角度和喉口宽度后，流体在射流通道230的喉口231处具有更大的流速，形成的射流能够更好地冲散流动分离区内的流体，从而更好地减弱流动分离现象，使得叶片200背面220的流动分离现象几乎完全消失。

请参阅图2，本实施例还提供一种有叶扩压器，该有叶扩压器采用上述有叶扩压器设计方法设计而成。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种有叶扩压器设计方法，其特征在于，用于设计有叶扩压器，所述有叶扩压器包括扩压器本体以及设置于所述扩压器本体的叶片，所述叶片具有正面和背面，所述叶片上设置有自所述正面贯通至所述背面的射流通道，所述射流通道具有显露于所述背面的喉口；

所述有叶扩压器设计方法包括：

获取所述扩压器本体与所述叶片；

获取流体在所述背面发生流动分离的起始位置；

根据所述起始位置确定所述射流通道的喉口位置。

2.根据权利要求1所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述根据所述起始位置确定所述射流通道的喉口位置的步骤包括：

记所述起始位置至所述扩压器本体中心的距离为R_sep，记所述喉口位置至所述扩压器本体中心的距离为R_jet，则R_jet=ξ₁*R_sep，且0.9≤ξ₁≤1。

3.根据权利要求1所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，在所述获取所述扩压器本体与所述叶片的步骤之后，还包括：

获取所述叶片的出口叶片角；

根据所述出口叶片角确定所述射流通道的角度。

4.根据权利要求3所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述根据所述出口叶片角确定所述射流通道的角度的步骤包括：

记所述出口叶片角为β₁，记所述射流通道的角度为β_jet，则β_jet=β₁±2°。

5.根据权利要求1所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，在所述获取所述扩压器本体与所述叶片的步骤之后，还包括：

确定所述射流通道的喉口宽度。

6.根据权利要求5所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述确定所述射流通道的喉口宽度的步骤包括：

获取所述扩压器本体的宽度以及所述正面的贴壁流截面上的滞止参数；

获取所述射流通道的喉口速度和质量流量；

根据所述滞止参数和所述喉口速度确定所述射流通道的喉口静压；

根据所述滞止参数、所述质量流量和所述喉口静压确定所述喉口宽度。

7.根据权利要求6所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述获取所述喉口速度的步骤包括：

获取流体在所述起始位置的平均速度，记为C_sep；

记所述喉口速度为C_jet，则C_jet=ξ₂*C_sep，且1≤ξ₂≤1.3。

8.根据权利要求6所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述根据所述滞止参数和所述喉口速度确定所述射流通道的喉口静压的步骤包括：

记所述滞止参数为p_0t、v_0t，记所述喉口速度为C_jet，记所述喉口静压为p_jet，则

；

其中，κ为定熵指数，ξ₃为压损系数，且0.9≤ξ₃≤0.95。

9.根据权利要求6所述的有叶扩压器设计方法，其特征在于，所述根据所述滞止参数、所述质量流量和所述喉口静压确定所述喉口宽度的步骤包括：

记所述扩压器本体的宽度为b_dif，记所述滞止参数为p_0t、v_0t，记所述质量流量为q_m，jet，记所述喉口静压为p_jet，记所述喉口宽度为b_jet，则

；

其中，κ为定熵指数。

10.一种有叶扩压器，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的有叶扩压器设计方法设计而成，所述有叶扩压器包括扩压器本体以及设置于所述扩压器本体的叶片；

所述叶片具有正面和背面，所述叶片上设置有自所述正面贯通至所述背面的射流通道，所述射流通道具有显露于所述背面的喉口。