專利名稱:開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種離心式壓氣機(jī)處理機(jī)匣,屬于葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域??捎糜诟鞣N用
途的增壓器離心壓氣機(jī)、工業(yè)用離心壓氣機(jī)以及航空離心壓氣機(jī)等葉輪機(jī)械。
背景技術(shù):
離心式壓氣機(jī)等葉輪式壓氣機(jī)相對(duì)于往復(fù)式壓氣機(jī),具有效率高、體積重量輕、運(yùn) 轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)勢(shì),但其工況范圍有限。離心式壓氣機(jī)低流量工況下內(nèi)部流場(chǎng)出現(xiàn)大尺度流動(dòng) 分離等現(xiàn)象,出現(xiàn)不穩(wěn)定工作現(xiàn)象、造成失速甚至喘振,直接導(dǎo)致壓氣機(jī)效率和壓比急劇下 降,壽命嚴(yán)重縮短,甚至短時(shí)間內(nèi)直接損壞。因此人們采取了很多方法來推遲壓氣機(jī)失速等 不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生,以擴(kuò)大其穩(wěn)定工作范圍。 目前普遍認(rèn)為處理機(jī)匣是提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的有效方法。但是傳統(tǒng)的處理 機(jī)匣結(jié)構(gòu)一般為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。而當(dāng)壓氣機(jī)處于非設(shè)計(jì)工況時(shí),由于離心壓氣機(jī)渦殼的軸向 非對(duì)稱性導(dǎo)致了葉輪出口流動(dòng)的周向畸變,從而影響上游的流動(dòng)參數(shù),導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪及 無葉擴(kuò)壓器內(nèi)部的周向流動(dòng)參數(shù)呈現(xiàn)非軸對(duì)稱性。傳統(tǒng)的軸對(duì)稱處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)無法考慮壓 氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的非軸對(duì)稱的特點(diǎn),因此無法使處理機(jī)匣實(shí)現(xiàn)全周向上的最優(yōu)擴(kuò)穩(wěn)效果。因 此需要采用非軸對(duì)稱的自循環(huán)處理機(jī)匣,以實(shí)現(xiàn)在全周向上的最優(yōu)擴(kuò)穩(wěn)效果。
如圖1所示,非軸對(duì)稱的自循環(huán)處理機(jī)匣一般包含抽吸環(huán)槽1、導(dǎo)流環(huán)槽2和回流 環(huán)槽3,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有抽吸環(huán)槽相對(duì)于主流葉片4前緣的位置Sr,抽吸環(huán)槽寬度bp 氣體回流引入位置Sf,氣體回流引入寬度bf,旁通高度hb和旁通寬度bb。研究表明,抽吸環(huán) 槽相對(duì)于主流葉片4前緣的位置&直接決定了回流壓差和回流流量,對(duì)擴(kuò)穩(wěn)效果的影響最
大。因此設(shè)計(jì)合適的抽吸環(huán)槽位置Sr值在圓周方向上的分布,是非軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣
結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)擴(kuò)穩(wěn)效果的關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于,通過設(shè)計(jì)一種非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的抽吸環(huán)槽位置分
布,即抽吸環(huán)槽前端面距壓氣機(jī)葉輪主流葉片的前緣的距離&在圓周方向上的分布,以優(yōu)
化非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣對(duì)離心壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)效果。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,含有壓氣機(jī)渦殼,在 壓氣機(jī)渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽1、導(dǎo)流環(huán)槽2和回流環(huán)槽3,所述的抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和 回流環(huán)槽形成自循環(huán)通道,其特征在于所述的抽吸環(huán)槽的前端面距主流葉片4的前緣的 距離Sr在圓周方向上為正弦分布,即Sr = Asin(a + e 。)+A。, 其中A。為抽吸環(huán)槽位置的平均值,根據(jù)離心壓氣機(jī)的葉輪直徑D確定A。的取 值范圍為0.05《|A。/D| < 0. 2 ;A為分布的幅度,O. 1 < |A/A。| <0. 35;e。為初始角 度,取值范圍為O?!秂?!?6(T ;a為機(jī)匣周向角度,為公式的自變量,定義域?yàn)?e o《a《e 0+360° 。
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上述技術(shù)方案中,所述的壓氣機(jī)渦殼由外殼5和內(nèi)嵌套6組成,所述的抽吸環(huán)槽1 設(shè)置在內(nèi)嵌套6的壁面上,所述的外殼的內(nèi)壁面和內(nèi)嵌套的外壁面形成所述的導(dǎo)流環(huán)槽2 和回流環(huán)槽3。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果采用本發(fā)明所提出的開槽 位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,相比于開槽位置在圓周方向上一致 的軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣可以較大地提高離心式壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍,同時(shí)維持效率基 本不變。
圖l是自循環(huán)通道示意圖。
圖2是外殼結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是內(nèi)嵌套結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是壓氣機(jī)渦殼示意圖。 圖5是所設(shè)計(jì)抽吸環(huán)槽形式對(duì)應(yīng)不同初始角度9 。的Sr值在圓周方向上分布示意 圖。 圖6是內(nèi)嵌套上抽吸環(huán)槽示意圖。
圖7是實(shí)例中初始角度e。位置示意圖。 圖8是采用開槽位置為正弦分布的非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣與無機(jī)匣處理的壓氣 機(jī)性能對(duì)比圖。 圖9是采用開槽位置為正弦分布的非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣與采用開槽位置在圓 周方向上一致的軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣的壓氣機(jī)性能對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和工作過程作進(jìn)一步的說明。 開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,含有壓氣機(jī)渦殼,在
壓氣機(jī)渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽1、導(dǎo)流環(huán)槽2和回流環(huán)槽3,所述的抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和
回流環(huán)槽形成自循環(huán)通道,其特征在于所述的抽吸環(huán)槽的前端面距主流葉片4的前緣的
距離Sr在圓周方向上為正弦分布,即Sr = Asin(a + e 。)+A。, 其中A。為抽吸環(huán)槽位置的平均值,根據(jù)離心壓氣機(jī)的葉輪直徑D確定A。的取 值范圍為0.05《|A。/D| < 0. 2 ;A為分布的幅度,O. 1 < |A/A。| <0. 35;e。為初始角 度,取值范圍為O?!秂。《36(T ;a為機(jī)匣周向角度,為公式的自變量,定義域?yàn)?e o《a《e 0+360° 。 所述的壓氣機(jī)渦殼由外殼5和內(nèi)嵌套6組成,所述的抽吸環(huán)槽1設(shè)置在內(nèi)嵌套6 的壁面上,所述的外殼的內(nèi)壁面和內(nèi)嵌套的外壁面形成所述的導(dǎo)流環(huán)槽2和回流環(huán)槽3。
圖2是外殼5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是內(nèi)嵌套6的結(jié)構(gòu)示意圖。外殼和內(nèi)嵌套組合 成壓氣機(jī)渦殼,如圖4所示。 固定外殼5,并旋轉(zhuǎn)內(nèi)嵌套6,使二者裝配相對(duì)位置發(fā)生改變,可以得到不同初始 角度e。的抽吸環(huán)槽位置的正弦分布。所述的外殼和內(nèi)嵌套通過螺釘7連接組成,在外殼 上周向上均布n個(gè)螺釘孔,即可得到對(duì)應(yīng)于n個(gè)不同初始角度9 。的分布曲線,通過壓氣機(jī)
4性能試驗(yàn)確定最優(yōu)的初始角度9 。。例如,圖2中外殼5上共開有4個(gè)螺釘孔,因此可以得 到四種不同的抽吸環(huán)槽位置的正弦分布,如圖5所示。 圖6是內(nèi)嵌套6上抽吸環(huán)槽1的示意圖。根據(jù)幾何證明可知,所設(shè)計(jì)的在圓周方 向上按正弦分布的抽吸環(huán)槽上、下邊緣均為平面,如圖6中虛線所標(biāo)示。這個(gè)特性使得所設(shè) 計(jì)的抽吸環(huán)槽容易加工和進(jìn)行調(diào)整繞軸心改變?cè)撝本€的傾斜度時(shí)即改變置Sr分布的振幅 A ;當(dāng)上下平移該直線,即對(duì)應(yīng)不同的抽吸環(huán)槽位置&分布的抽吸環(huán)槽平均位置A。。
在離心壓氣機(jī)工作過程中,小流量工況時(shí),自循環(huán)通道內(nèi)空氣由抽吸環(huán)槽l,經(jīng)過 導(dǎo)流環(huán)槽2和回流環(huán)槽3流出。具體工作過程和原理為自循環(huán)處理機(jī)匣抽吸環(huán)槽1抽吸開 槽位置處葉尖區(qū)域的氣體,經(jīng)導(dǎo)流環(huán)槽2,由回流環(huán)槽3射出。抽吸環(huán)槽1對(duì)開槽位置處葉 尖區(qū)域氣體的抽吸作用造成葉尖間隙泄漏渦被抽吸環(huán)槽1吸取,泄漏流動(dòng)的通道被阻斷; 回流射入壓氣機(jī)入口 ,由于環(huán)槽內(nèi)流動(dòng)的相通,實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)入口的流動(dòng)均勻性,消除通道 激波;回流增大了入口流量,使葉片入口正攻角減小,同時(shí)抽吸環(huán)槽l的抽吸作用減弱了壓 氣機(jī)喉口的背壓,逆壓梯度減小,有效抑制了葉片表面邊界層的分離。使用圓周方向上正弦 分布的抽吸環(huán)槽開槽位置,使得在圓周方向上相應(yīng)的開槽處回流效果更好,從而更有效地 利用回流的作用,使得壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍擴(kuò)大。 在近堵塞工況,自循環(huán)機(jī)處理匣通道內(nèi)空氣經(jīng)回流環(huán)槽3、導(dǎo)流環(huán)槽2,從抽吸環(huán)
槽1射出?;亓鳝h(huán)槽3使入口周向上流動(dòng)相通,從而使壓氣機(jī)入口流動(dòng)均勻性增加,削弱了
入口激波;抽吸環(huán)槽1的射流使流通能力增強(qiáng),從而拓展了堵塞邊界。但是,由于近堵塞工
況抽吸動(dòng)力不足,故該處理機(jī)匣對(duì)堵塞邊界的擴(kuò)展沒有對(duì)失速邊界的擴(kuò)展明顯。 以下為針對(duì)某一具體尺寸的離心壓氣機(jī),采用開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)
非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣以提高穩(wěn)定工作范圍的實(shí)例。 該壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣&值在圓周方向上的分布為= sin (a+180° )+4,初始角度e 。 = 180° ,其位置如圖7所示。 圖8為該離心壓氣機(jī)采用本發(fā)明開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循 環(huán)處理機(jī)匣與無機(jī)匣處理性能對(duì)比圖。圖中"G"標(biāo)識(shí)采用本發(fā)明的離心壓氣機(jī)性能MAP圖; "No CT"標(biāo)識(shí)無機(jī)匣處理的離心壓氣機(jī)MAP圖。 圖9為該離心壓氣機(jī)采用開槽位置為正弦分布的非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣與采用 開槽位置在周向上一致的軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣的壓氣機(jī)性能對(duì)比圖。圖中"G"標(biāo)識(shí)采用 本發(fā)明的離心壓氣機(jī)性能MAP圖;"C"標(biāo)識(shí)采用開槽位置在圓周方向上一致的軸對(duì)稱自循 環(huán)機(jī)匣處理的離心壓氣機(jī)MAP圖。 通過性能對(duì)比,可知采用本發(fā)明開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán) 處理機(jī)匣相比于無機(jī)匣處理,以及采用開槽位置在圓周方向上一致的離心壓氣機(jī)軸對(duì)稱自 循環(huán)處理機(jī)匣可較大地提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍,同時(shí)維持效率基本不變。
權(quán)利要求
開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,含有壓氣機(jī)渦殼,在壓氣機(jī)渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽(1)、導(dǎo)流環(huán)槽(2)和回流環(huán)槽(3),所述的抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽形成自循環(huán)通道,其特征在于所述的抽吸環(huán)槽的前端面距主流葉片(4)的前緣的距離Sr在圓周方向上為正弦分布,即Sr=Asin(α+θ0)+A0,其中A0為抽吸環(huán)槽位置的平均值,根據(jù)離心壓氣機(jī)的葉輪直徑D確定A0的取值范圍為0.05≤|A0/D|<0.2;A為分布的幅度,0.1<|A/A0|<0.35;θ0為初始角度,取值范圍為0°≤θ0≤360°;α為機(jī)匣周向角度,為公式的自變量,定義域?yàn)棣?≤α≤θ0+360°。
2. 按照權(quán)利要求1所述的開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣, 其特征在于所述的壓氣機(jī)渦殼由外殼(5)和內(nèi)嵌套(6)組成,所述的抽吸環(huán)槽(1)設(shè)置在 內(nèi)嵌套(6)的壁面上,所述的外殼的內(nèi)壁面和內(nèi)嵌套的外壁面形成所述的導(dǎo)流環(huán)槽(2)和 回流環(huán)槽(3)。
全文摘要
開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,涉及一種離心式壓氣機(jī)處理機(jī)匣,屬于葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。通過在壓氣機(jī)渦殼壁面上設(shè)置抽吸環(huán)槽、回流環(huán)槽和導(dǎo)流環(huán)槽,形成自循環(huán)通道,并使抽吸環(huán)槽的前端面距主流葉片前緣的距離Sr在圓周方向上為正弦分布,以優(yōu)化非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣對(duì)離心壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)效果。采用本發(fā)明所提出的開槽位置為正弦分布的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣,相比于軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣可以較大地提高離心式壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍,同時(shí)維持效率基本不變;此外,該非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)容易加工。
文檔編號(hào)F04D29/42GK101737359SQ201010110250
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者張揚(yáng)軍, 楊名洋, 林韻, 玉木秀明, 鄭新前, 馬場(chǎng)隆弘 申請(qǐng)人:清華大學(xué);株式會(huì)社Ihi