專利名稱：基于變開槽位置的離心壓氣機(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)蝸殼的 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)，因此無法使機(jī)匣處理實(shí)現(xiàn)全周向上的最優(yōu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種基于變開槽位置的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣， 以更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。本發(fā)明的技術(shù)方案如下基于變開槽位置的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣，在所述的處理機(jī)匣壁面 圓周方向上開自循環(huán)通道，該通道由抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽組成，其特征在 于所述的抽吸環(huán)槽的前端面距壓氣機(jī)葉輪前緣的距離民在機(jī)匣圓周方向上的分布呈非 軸對(duì)稱性，其中在葉輪前緣下游處自循環(huán)通道的抽吸環(huán)槽的位置附近，在圓周方向上流 體壓力分布較低的周向位置，對(duì)應(yīng)的&值較大，且圓周方向上流體壓力分布最低的周向 位置，對(duì)應(yīng)的民值最大。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果通過抽吸環(huán)槽距離葉輪 前緣的距離民在機(jī)匣圓周方向上的非軸對(duì)稱分布，以優(yōu)化處理機(jī)匣在全周向上的擴(kuò)穩(wěn)效 果。試驗(yàn)表明，使用本發(fā)明所提出的基于變開槽位置的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī) 匣，相比于圓周方向上開槽位置一致的軸對(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1是自循環(huán)處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。圖2是自循環(huán)通道示意圖。圖3是周向角度定義示意圖。
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圖4是某尺寸離心壓氣機(jī)葉輪通道周向壓力分布。圖5是某尺寸離心壓氣機(jī)&值在圓周方向上的非對(duì)稱分布。圖6a和圖6b是采用變開槽位置的非軸對(duì)稱處理機(jī)匣與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)匣以及無機(jī)匣處理的壓氣機(jī)性能對(duì)比曲線。
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。如圖1所示，離心壓氣機(jī)包含機(jī)匣1與葉輪5，所述的葉輪5繞旋轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)， 將流體吸入離心壓氣機(jī)并壓縮，流體最終由蝸殼8收集。在所述的機(jī)匣壁面圓周方向上 開自循環(huán)通道，該通道由抽吸環(huán)槽2、導(dǎo)流環(huán)槽3和回流環(huán)槽4組成，其中所述的抽吸環(huán) 槽位于葉輪前緣6的下游，回流環(huán)槽位于葉輪前緣6的上游，在離心壓氣機(jī)工作中，由于 流體在葉輪的作用下壓縮，故抽吸環(huán)槽位置入口處的流體壓力高于回流環(huán)槽出口，艮口， 存在回流壓差，因此流體可以由抽吸環(huán)槽經(jīng)過導(dǎo)流環(huán)槽和回流環(huán)槽向上游流動(dòng)。圖2為自循環(huán)通道示意圖。其中定義了抽吸環(huán)槽2前端面距離葉輪前緣6位置
Sj- O在本實(shí)施方式中，將繞旋轉(zhuǎn)軸6的方向稱為周向或圓周方向，將與旋轉(zhuǎn)軸6平行 的方向稱為軸向，將相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸6的半徑方向稱為徑向，將前述周向上的位置稱為周 向位置或圓周位置，將前述軸向上的位置稱為軸向位置，將前述徑向上的位置稱為徑向 位置。文中稱某參數(shù)分布非對(duì)稱或非軸對(duì)稱表示該參數(shù)在關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸6的周向位置上的 分布是非軸對(duì)稱的。圖3是周向角度的定義。當(dāng)離心壓氣機(jī)處于小流量工況時(shí)，由于蝸殼8的軸向非對(duì)稱性導(dǎo)致了葉輪出口 流動(dòng)的周向畸變，并導(dǎo)致流動(dòng)參數(shù)的非軸對(duì)稱性，這種流動(dòng)的非軸對(duì)稱性向上游傳播， 導(dǎo)致壓氣機(jī)葉輪前緣6的周向流動(dòng)參數(shù)呈現(xiàn)非軸對(duì)稱性，使得葉輪5更容易失速，進(jìn)一步 導(dǎo)致離心壓氣機(jī)的喘振，從而使離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍變小。圖4給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得 的機(jī)匣上沒有自循環(huán)通道的離心壓氣機(jī)在小流量工況時(shí)在葉輪前緣6下游處(該位置對(duì)應(yīng) 于采用自循環(huán)通道時(shí)抽吸環(huán)槽位置附近)的壓力在周向分布的一例。從該分布中可見， 在周向上壓力存在一個(gè)最小值。研究表明，抽吸環(huán)槽2前端面距離葉輪前緣6位置Sr直接決定了回流壓差和回流 流量，當(dāng)增大&時(shí)，可以增加回流壓差，從而增大該周向位置的回流量。當(dāng)不采用自循 環(huán)處理機(jī)匣時(shí)，由于上述的葉輪前緣流動(dòng)的非軸對(duì)稱性，離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍較 ??；當(dāng)采用&在周向上為軸對(duì)稱分布的自循環(huán)處理通道時(shí)，可以在一定程度上使葉輪前 緣流動(dòng)的非軸對(duì)稱性減小，但是由于&值在周向上的分布是一致的，無法調(diào)節(jié)周向上的 回流量，從而無法最大限度減小葉輪前緣流動(dòng)的非軸對(duì)稱性。因此，本發(fā)明通過抽吸環(huán) 槽2前端面距離葉輪前緣6的距離&在機(jī)匣圓周方向上的非軸對(duì)稱分布，可以調(diào)節(jié)周向上 的回流量，從而最大限度地減小葉輪前緣的流動(dòng)非對(duì)稱性，優(yōu)化自循環(huán)處理機(jī)匣在全周 向上的擴(kuò)穩(wěn)效果。例如，根據(jù)圖4的分布，采用&在周向上為軸對(duì)稱分布的自循環(huán)處理 通道時(shí)，在約220°處的回流量最??；而采用&在周向上為非軸對(duì)稱分布的自循環(huán)處理 通道則可以通過增大220°處的&值從而增加該位置處的回流量，實(shí)現(xiàn)回流量在周向上的
4非對(duì)稱分布。這種周向上非對(duì)稱分布的回流量經(jīng)過自循環(huán)通道到達(dá)葉輪前緣上游，與該 處原本非軸對(duì)稱的流場(chǎng)耦合，最終使得葉輪前緣處的流場(chǎng)的非軸對(duì)稱性減小，從而抑制 葉輪失速，提高離心壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。在本實(shí)施方式中，抽吸環(huán)槽2前端面距離葉輪前緣6位置\在周向上的分布規(guī)律 為其中在葉輪前緣下游處自循環(huán)通道的抽吸環(huán)槽的位置附近，在圓周方向上流體壓力 分布較低的周向位置，對(duì)應(yīng)的民值較大，且圓周方向上流體壓力分布最低的周向位置， 對(duì)應(yīng)的&值最大。圖4所示的實(shí)例中，周向壓力分布在約220°最小，對(duì)應(yīng)該處的&值 最大。在徑向上，&值保持不變。以下為針對(duì)某一具體尺寸的離心壓氣機(jī)，采用本發(fā)明基于變開槽位置的離心壓 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。該離心壓氣機(jī)未采用自循環(huán)通道時(shí)在葉輪前緣下游處的壓力周向分布如圖4所 示。根據(jù)上述SJ勺設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，越是在圖4中所示的流體壓力較小的周向位置，對(duì)應(yīng)的& 值應(yīng)較大。圖5是根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則得到的&在周向上的非軸對(duì)稱分布，其中民在大約 220°處有最大值。該分布是通過重復(fù)如下步驟實(shí)現(xiàn)的。1)首先，在沒有自循環(huán)通道的離心壓氣機(jī)中，在葉輪前緣上游測(cè)量周向的流體 壓力分布。2)基于上述步驟1)的測(cè)量結(jié)果和上述Sr的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則決定各周向位置的&值。3)通過離心壓氣機(jī)性能試驗(yàn)測(cè)得采用上述步驟2)中設(shè)計(jì)的非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī) 匣的離心壓氣機(jī)的葉輪前緣上游的壓力周向分布。4)基于上述步驟3)所測(cè)量的流體壓力分布，修正各周向位置的&值，以降低葉 輪前緣上游的流體壓力分布的非軸對(duì)稱性。重復(fù)上述步驟3)、步驟4)直至測(cè)量的流體壓 力分布的非軸對(duì)稱性充分降低位置。另外，在上述步驟3)中也可以測(cè)量離心壓氣機(jī)的性能(例如壓力、效率)，在上 述步驟4)中也可以基于測(cè)量的性能修正各周向位置的民值，以使該性能提高。圖6a和圖6b是采用變開槽位置的非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣與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)匣以及無機(jī)匣處理的壓氣機(jī)性能對(duì)比曲線。與無機(jī)匣處理 壓氣機(jī)相比，采用軸對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣使壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍提高了 7.7%，而非軸對(duì) 稱自循環(huán)處理機(jī)匣使壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍進(jìn)一步提高了 3.3%。
權(quán)利要求
1.基于變開槽位置的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣，在所述的處理機(jī)匣(1)壁面 圓周方向上開自循環(huán)通道，該通道由抽吸環(huán)槽(2)、導(dǎo)流環(huán)槽(3)和回流環(huán)槽(4)組成， 其特征在于所述的抽吸環(huán)槽⑵的前端面距壓氣機(jī)葉輪前緣(6)的距離&在機(jī)匣圓周方 向上的分布呈非軸對(duì)稱性，其中在葉輪前緣下游處自循環(huán)通道的抽吸環(huán)槽的位置附近， 在圓周方向上流體壓力分布較低的周向位置，對(duì)應(yīng)的&值較大，且圓周方向上流體壓力 分布最低的周向位置，對(duì)應(yīng)的民值最大。
全文摘要
基于變開槽位置的離心壓氣機(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。主要包括壓氣機(jī)蝸殼，在蝸殼壁面周向上開自循環(huán)通道，由抽吸環(huán)槽、回流環(huán)槽和導(dǎo)流環(huán)槽組成，并使抽吸環(huán)槽的前端面距葉輪前緣的距離在機(jī)匣圓周方向上的分布呈現(xiàn)非軸對(duì)稱性，以優(yōu)化機(jī)匣處理在全周向上的擴(kuò)穩(wěn)效果。采用本發(fā)明所提出的基于變開槽位置的離心壓氣機(jī)非對(duì)稱自循環(huán)處理機(jī)匣，相比于圓周方向上開槽位置一致的軸對(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。
文檔編號(hào)F04D29/42GK102011754SQ20101061635
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月30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:株式會(huì)社Ihi, 清華大學(xué)