CN108374792A - 一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机 - Google Patents

一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，属于叶轮机械技术领域。本发明的离心压气机包括机壳、离心叶轮、背盘和扩压器。本发明中的蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上是非线性分布的，且在蜗舌附近区域蜗壳流道截面A/r的增长速率低于在其他周向位置的增长速率。本发明能够抑制离心压气机内部的流场畸变，有效降低流场掺混损失，同时有效降低流场的非均匀性，从而大幅度改善离心压气机的气动性能和流动稳定性。

Description

一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机
技术领域
本发明涉及一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，属于叶轮机械技术领域。
背景技术
本发明所涉及的一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，涉及车用、船用、航空用等各种用途增压器的离心压气机，以及鼓风机等采用的离心压气机。
相比于已有的往复式活塞压气机，离心压气机等叶轮式压气机具有效率高、体积重量轻、运转平稳等优势。然而，离心压气机运行工况范围有限，尤其是在小流量等非设计工况下，由于蜗壳几何的周向非对称性和蜗舌结构的影响，使得离心压气机内部形成畸变，流场呈现极强的周向非对称性，诱发离心压气机内部过早的出现不稳定流动，造成失速甚至喘振，将直接导致离心压气机压比和效率下降，缩短离心压气机寿命甚至在短时间内损坏离心压气机。
蜗壳是离心压气机重要的组成部分，主要起收集压缩气体的作用，同时由于其通流截面积在周向上以一定的规律增加，其在非设计工况下也起一定的降压(大流量)或扩压(小流量)作用。蜗壳是一个以特定半径为进口，沿周向方向流道截面的面积半径比(A/r)不断增加的通道。传统的蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)的分布规律通过离心压气机设计工况点确定，在假定进入蜗壳内部的流体参数周向均匀的前提下保证流体压力在理论上保持周向恒定，实现在收集气体的同时不引入周向流场畸变的效果。由于假定从任何周向位置上进入蜗壳的气流参数相同(周向均匀假设)，传统的蜗壳流道截面面积半径比(A/r)在周向上是线性分布的。而实际上，在蜗舌结构的影响下，进入蜗壳的气流在周向上是不同的，尤其是在蜗舌附近区域气流参数(如静压)会产生剧烈变化。在此真实流动条件下，蜗壳流道截面面积半径比(A/r)线性分布的蜗壳往往会增益流场的不均匀性，带来严峻的流动稳定性问题，诱导离心压气机过早出现不稳定扰动甚至是喘振的发生。
发明内容
本发明目的是提出一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，对已有的离心压气机的蜗壳流道进行改进，在保证结构不发生大的改变的前提下，抑制离心压气机内部流场畸变，尤其是蜗舌附近流场的畸变，改善离心压气机内部的流动稳定性，拓宽离心压气机的稳定工作范围。
本发明提出的一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，包括机壳、离心叶轮、背盘和扩压器；所述的离心叶轮和扩压器同轴安装，离心叶轮由离心压气机旋转轴驱动，所述的机壳与背盘相对固定，在机壳外端和离心叶轮外缘之间的径向范围内，机壳和背盘形成环状流道，构成扩压器，在扩压器部分可以安装导流叶片，也可以不安装叶片，所述环状流道外端连接由蜗壳限定的蜗壳流道，所述蜗壳为机壳的外端部分，蜗壳流道进口和环状流道出口相通，其特征在于：所述蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上非线性变化，具体体现为：在蜗舌附近区域(以蜗舌为中心，周向90°～180°覆盖的区域)，蜗壳流道截面面积半径比(A/r)的增长速率小于在其他周向位置的增长速率。
本发明提出的一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机，其优点是：本发明所涉及的离心压气机，由于所采用蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在蜗舌附近区域的增长速率小于在其他周向位置的增长速率，能够抑制由于蜗舌结构所造成的流场畸变，有效降低流场掺混损失以及降低离心压气机内部流场的非均匀性，从而推迟流动不稳定的发生，缓解由于流场畸变过大所导致的周向局部率先发生流动失稳而诱发压气机整体喘振，极大改善离心压气机的气动性能和流动稳定性。同时，由于只涉及到蜗壳流道的局部微调，对机壳等主要结构没有改变，故不会在生产加工过程中产生额外的代价。
附图说明
图1是本发明提出的一种采用蜗壳流道截面A/r非线性分布的离心压气机的剖视图。
图2是图1所示的离心压气机中蜗壳流道截面示意图。
图3是图1所示的离心压气机正向视图及周向角度定义示意图。
图4是本发明一个实施例中形状修正因子ε沿周向位置的分布。
图5是本发明一个实施例中蜗壳流道截面A/r的修正增长速率k沿周向位置的分布。
图6是本发明一个实施例中蜗壳流道截面A/r沿周向位置的分布。
图1、图2和图3中，1是离心压气机进口，2是离心叶轮，3是扩压器，4是背盘，5是蜗壳流道，6是机壳，7是蜗舌，8是蜗壳出口流道，9是蜗壳流道进口，10是蜗壳流道截面。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明内容作详细说明：
本发明提出的一种采用流道截面A/r非线性分布蜗壳的离心压气机，其结构如图1所示，包括机壳6、离心叶轮2、背盘4和扩压器3。离心叶轮2和扩压器3同轴安装，离心叶轮2在轴的驱动下旋转。机壳6与背盘4相对固定，机壳6的外端形成蜗壳流道5。如图2中所示，蜗壳流道截面10在周向上沿着叶轮旋转方向不断增加，本质上是蜗壳流道截面面积半径比(A/r)在叶轮旋转方向上不断增加。其中蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)定义为：
其中，R表示径向位置，即为和旋转轴中心的距离，S为蜗壳流道截面面积。根据本发明的离心压气机，其蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上是非线性分布的，其特征为靠近蜗舌7区域内蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)增长速率低于其他周向位置。周向位置的定义如图3所示，以旋转轴为坐标原点，定义x方向为垂直于蜗壳出口流道8的方向，则0°周向位置即为x轴正向所对应的位置，沿着叶轮旋转方向旋转一周对应360°。图3中所示蜗舌位于大约60°位置附近。相比与其他离心压气机蜗壳流道截面设计(一般A/r沿周向线性分布)，本发明中的离心压气机的蜗壳流道设计能够有效抑制蜗舌7所引起的流场畸变，降低流场掺混损失和流场不均匀度，有效提高离心压气机的气动性能和流动稳定性；同时本发明不涉及离心压气机主要的结构改变，设计简单且不会增加额外生产制造成本。
通过本发明的一个实施例来叙述蜗壳流道截面A/r周向分布的确定方法，过程如下：
1)基于流场周向均匀假设，根据离心压气机设计参数，通过数学推导获得蜗壳流道截面面积半径比(A/r)在周向上的增长速率klinear(即传统的蜗壳流道截面面积半径比(A/r)线性分布设计所对应的增长速率)，并根据部件匹配条件确定蜗壳流道喉口位置处的A/r。本发明的一个实施例中增长速率klinear和蜗壳流道喉口位置处A/r的取值分别为klinear＝0.0314[mm/°]和其中喉口对应的周向位置为
2)确定形状修正因子ε在不同周向位置的取值。其中ε取值范围为0<ε≤5，且要求在靠近蜗舌附近的周向位置时ε<1而在远离蜗舌的周向位置时ε>1。本发明的一个实施例中蜗舌位置在60°位置处，形状修正因子ε在周向上的分布如图4所示。
3)根据公式k＝ε·klinear+δk确定蜗壳流道截面面积半径比(A/r)在各个周向位置的修正增长速率k，其中δk为修正参数，在不同周向位置取值可以不同，取值范围为-0.5·klinear<δk<0.5·klinear。本发明的一个实施例中在所有周向位置均取δk＝0，所得到的修正增长速率k在周向上的分布如图5所示；
4)根据公式确定各周向位置的A/r，从而得到蜗壳流道截面A/r在周向上的分布规律。本发明的一个实施例中所确定的蜗壳流道截面A/r在周向上的分布如图6所示(注：0～60°范围内蜗壳流道5和蜗壳出口流道8相贯形成蜗舌，实际上此段蜗壳流道包含于蜗壳出口流道中，故图中此段用虚线表示)。由2)、3)中对相关参数的限定，使得所得到的蜗壳流道截面面积半径比(A/r)在周向上是非线性分布的，且在蜗舌附近区域面积半径比(A/r)增长速率低于其他周向位置。

Claims (4)

1.一种离心压气机，包括机壳、离心叶轮、背盘和扩压器；所述的离心叶轮和扩压器同轴安装，离心叶轮由离心压气机旋转轴驱动，所述的机壳与背盘相对固定，在机壳外端和离心叶轮外缘之间的径向范围内，机壳和背盘形成环状流道，构成扩压器，所述环状流道外端连接由蜗壳限定的蜗壳流道，所述蜗壳为机壳的外端部分，蜗壳流道进口和环状流道出口相通，其特征在于：所述蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上非线性变化。
2.根据权利要求1所述的离心压气机，其特征在于：扩压器部分安装导流叶片。
3.根据权利要求1所述的离心压气机，其特征在于：扩压器部分不安装导流叶片。
4.根据权利要求2或3任意一项所述的离心压气机，其特征在于所述蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向非线性变化，具体为：
其中，为周向位置，为蜗壳喉口处流道截面的面积半径比，通过部件匹配条件确定，表示蜗壳喉口所在的周向位置，k为所述蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上的修正增长速率，k＝ε·klinear+δk，ε为形状修正因子，在不同周向位置取值可以不同，取值范围为0<ε≤5，且在靠近蜗舌附近的周向位置时ε<1，而在远离蜗舌的周向位置时ε>1，klinear为所述蜗壳流道截面的面积半径比(A/r)在周向上的增长速率，通过计算得到，δk为修正参数，在不同周向位置取值可以不同，取值范围为-0.5·klinear<δk<0.5·klinear。
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