專利名稱：開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離心式壓氣機處理機匣，屬于葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域?？捎糜诟鞣N用
途的增壓器離心壓氣機、工業(yè)用離心壓氣機以及航空離心壓氣機等葉輪機械。
背景技術(shù)：
離心式壓氣機等葉輪式壓氣機相對于往復(fù)式壓氣機，具有效率高、體積重量輕、運 轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)勢，但其工況范圍有限。離心式壓氣機低流量工況下內(nèi)部流場出現(xiàn)大尺度流動 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)致壓氣機效率和壓比急劇下 降，壽命嚴(yán)重縮短，甚至短時間內(nèi)直接損壞。因此人們采取了很多方法來推遲壓氣機失速等 不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，以擴大其穩(wěn)定工作范圍。 目前普遍認(rèn)為處理機匣是提高壓氣機穩(wěn)定工作范圍的有效方法。但是傳統(tǒng)的處理 機匣結(jié)構(gòu)一般為軸對稱結(jié)構(gòu)。而當(dāng)壓氣機處于非設(shè)計工況時，由于離心壓氣機渦殼的軸向 非對稱性導(dǎo)致了葉輪出口流動的周向畸變，從而影響上游的流動參數(shù)，導(dǎo)致壓氣機葉輪及 無葉擴壓器內(nèi)部的周向流動參數(shù)呈現(xiàn)非軸對稱性。傳統(tǒng)的軸對稱處理機匣結(jié)構(gòu)無法考慮壓 氣機內(nèi)部流場的非軸對稱的特點，因此無法使處理機匣實現(xiàn)全周向上的最優(yōu)擴穩(wěn)效果。因 此需要采用非軸對稱的自循環(huán)處理機匣，以實現(xiàn)在全周向上的最優(yōu)擴穩(wěn)效果。
如圖1所示，非軸對稱的自循環(huán)處理機匣一般包含抽吸環(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)槽相對于主葉片前緣4位置Sr，抽吸環(huán)槽寬度br，氣體回 流引入位置Sf，氣體回流引入寬度bf，旁通高度hb，旁通寬度bb等。研究表明，抽吸環(huán)槽寬
度b對擴穩(wěn)效果有較大的影響。因此設(shè)計合適的周向抽吸環(huán)槽寬度b分布，是非軸對稱自
循環(huán)處理機匣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最優(yōu)擴穩(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)計一種非對稱自循環(huán)處理機匣結(jié)構(gòu)的抽吸環(huán)槽寬度br值
在圓周方向上的周向分布，以優(yōu)化非對稱自循環(huán)處理機匣對離心壓氣機的擴穩(wěn)效果。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下 開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，含有壓氣機渦殼，在 壓氣機渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽、導(dǎo)流環(huán)槽和導(dǎo)流環(huán)槽，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)槽的寬度br在圓周方向上為正弦分布，即 br = Asin( a + e 0)+A0， 其中A。為抽吸環(huán)槽平均寬度，根據(jù)離心壓氣機的葉輪直徑D確定A。的取值 范圍為0.01《|A。/D| < 0. 1 ;A為分布的幅度，O. 1 < |A/A。| < 0. 35 ; e。為初始角 度，取值范圍為0?！秂。《36(T ;a為機匣周向角度，為公式的自變量，其定義域為 e o《a《e 0+360° ; 上述技術(shù)方案中，所述的壓氣機渦殼由外殼和內(nèi)嵌套組成，所述的抽吸環(huán)槽設(shè)置 在內(nèi)嵌套的壁面上，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)槽和回流環(huán)槽。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果采用本發(fā)明所提出的開槽 寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，相比于開槽寬度在圓周方向上一致 的軸對稱自循環(huán)處理機匣可以較大地提高離心式壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，同時維持效率基 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是壓氣機渦殼示意圖。 圖5是所設(shè)計抽吸環(huán)槽形式對應(yīng)不同初始角度9 。的b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是實例中初始角度e。位置示意圖。 圖8a和圖8b是采用開槽寬度為正弦分布的非對稱自循環(huán)處理機匣與采用軸對稱 自循環(huán)處理機匣以及無機匣處理時的壓氣機性能對比圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和工作過程作進一步的說明。 開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，含有壓氣機渦殼，在
壓氣機渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽1、導(dǎo)流環(huán)槽2和導(dǎo)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)槽的寬度br在圓周方向上為正弦分
布，艮卩br = Asin ( a + e o) +A0， 其中A。為抽吸環(huán)槽平均寬度，根據(jù)離心壓氣機的葉輪直徑D確定A。的取值 范圍為0.01《|A。/D| < 0. 1 ;A為分布的幅度，O. 1 < |A/A。| < 0. 35 ; e。為初始角 度，取值范圍為0。《e?！?6(T ;a為機匣周向角度，為公式的自變量，其定義域為 e o《a《e 0+360° ; 所述的壓氣機渦殼由外殼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，使二者裝配的相對位置發(fā)生改變，可以得到不同初 始角度e。的抽吸環(huán)槽寬度br值在圓周方向上的正弦分布。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個螺釘孔，即可得到對應(yīng)于n個不同初始角度9 。的分 布曲線，通過壓氣機性能試驗確定最優(yōu)的初始相位e。。例如，圖2中外殼5上共開有4個 螺釘孔，因此可以得到四種不同的抽吸環(huán)槽寬度br值在圓周方向上的正弦分布，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)計的寬度按正弦分布的抽吸環(huán)槽的上、下邊緣均為平面，如圖6中虛線所示。這個特性使得所設(shè)計的抽吸
環(huán)槽容易加工和進行調(diào)整繞軸心改變該直線的傾斜度時即改變置br分布的振幅A;當(dāng)上
下平移該直線，即對應(yīng)不同的抽吸環(huán)槽寬度b分布的抽吸環(huán)槽平均寬度A。。
在離心壓氣機工作過程中，小流量工況時，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，泄漏流動的通道被阻斷； 回流射入壓氣機入口 ，由于環(huán)槽內(nèi)流動的相通，實現(xiàn)了壓氣機入口的流動均勻性，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，同時抽吸環(huán)槽l的抽吸作用減弱了壓 氣機喉口的背壓，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)槽開槽寬度，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，使得壓氣機的穩(wěn)定工作范圍擴大。 在近堵塞工況，自循環(huán)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。 回流環(huán)槽3使入口周向上流動相通，從而使壓氣機入口流動均勻性增加，削弱了入口激波； 抽吸環(huán)槽1的射流使流通能力增強，從而拓展了堵塞邊界。但是，由于近堵塞工況抽吸動力 不足，故該機匣處理對堵塞邊界的擴展沒有對失速邊界的擴展明顯。 以下為針對某一具體尺寸的離心壓氣機，采用開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機 非對稱自循環(huán)處理機匣以提高穩(wěn)定工作范圍的實例。 該壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣br值分布為br = sin (a +180° )+4. 5，初始相 位點e。=180° ，其位置如圖7所示。 圖8a和圖8b為該離心壓氣機采用本發(fā)明開槽寬度為正弦分布的非對稱自循環(huán)處 理機匣與采用開槽寬度在圓周方向上一致的軸對稱的自循環(huán)處理機匣，以及無機匣處理的 壓氣機性能對比圖。 通過性能對比，可知采用本發(fā)明開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán) 處理機匣相對于無機匣處理，以及采用開槽寬度在圓周方向上一致的離心壓氣機軸對稱自 循環(huán)處理機匣可較大地提高壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，同時維持效率基本不變。
權(quán)利要求
開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，含有壓氣機渦殼，在壓氣機渦殼壁面上設(shè)有抽吸環(huán)槽(1)、導(dǎo)流環(huán)槽(2)和導(dǎo)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)槽的寬度br在圓周方向上為正弦分布，即br＝Asin(α+θ0)+A0，其中A0為抽吸環(huán)槽平均寬度，根據(jù)離心壓氣機的葉輪直徑D確定A0的取值范圍為0.01≤|A0/D|＜0.1；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為機匣周向角度，為公式的自變量，其定義域為θ0≤α≤θ0+360°。
2. 按照權(quán)利要求1所述的開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣， 其特征在于所述的壓氣機渦殼由外殼(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
開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，涉及一種離心式壓氣機處理機匣，屬于葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域。通過在壓氣機渦殼壁面上設(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)槽的寬度br在圓周方向上為正弦分布，以優(yōu)化非對稱自循環(huán)處理機匣對離心壓氣機的擴穩(wěn)效果。采用本發(fā)明所提出的開槽寬度為正弦分布的離心壓氣機非對稱自循環(huán)處理機匣，相比于開槽寬度在圓周方向上一致的軸對稱自循環(huán)處理機匣可以較大地提高離心式壓氣機的穩(wěn)定工作范圍，同時維持效率基本不變；此外，該非對稱自循環(huán)處理機匣結(jié)構(gòu)容易加工。
文檔編號F04D29/42GK101737360SQ20101011028
公開日2010年6月16日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者張揚軍, 楊名洋, 林韻, 玉木秀明, 鄭新前, 馬場隆弘 申請人:清華大學(xué);株式會社Ihi