CN103671270B - 一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机，包括进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗室，扩压器中设置有导流用扩压器叶片，扩压器叶片通过扩压器叶片旋转轴与隔板相连接；激振器通过传动机构与扩压器叶片相连接，当激振器工作时产生振动，传递给扩压器叶片，扩压器叶片绕扩压器叶片旋转轴振动，对扩压器内流场进行主动控制；或者，扩压器叶片通过传动机构与弹性元件相连接，当扩压器中有气体流过时，扩压器叶片产生自激振荡，实现对扩压器内部流场进行自适应控制。本发明提供的离心压缩机在不断变化的流场中，叶片绕转轴进行微幅振荡，可以有效的使流道适应于流动的变化，减少流动中的分离，降低了能量损失，提高扩压器的整体性能。

Description

一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机

技术领域

本发明属于离心压缩机技术领域，涉及一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，作为冶金、建材、电力、石油、化工、环境工程等工业部门的重要设备，离心式压缩机在生产中的作用越来越受到重视，是关键的耗能动力设备，其当前的发展趋势是：进一步提高其压比、增加负荷，同时要求其工况适应范围宽。因此，离心式压缩机的连续、平稳运行，以及节能降耗技术，是一首要的、亟待解决的问题。

在此背景下，为了减少流动过程的损失，提高压缩机的效率，针对压缩机内部元件的结构优化与流动控制逐步发展起来。例如对叶轮的优化，通过采用改变叶片形状，布置涡流发生器，叶片开缝等方法有效的提高了性能。而在现有的针对压缩机部件的研究中，对于扩压器的结构优化及流动控制方法现在却较少涉及。

扩压器是离心式压缩机的一个重要部件，它担负着将叶轮出口的动能高效率的转化为压力能的作用。且由于扩压器中的损失约占压缩机整体损失的30%，因此，针对扩压器的流场控制及结构优化，对于提高压缩机级效率和级压比，改变最佳工况点位置，扩大稳定工作范围起着十分重要的作用。对于被广泛使用的两种扩压器类型，相对于无叶扩压器，叶片扩压器以其扩压程度大，尺寸小，效率高等优点有更广泛的发展前途，但是它所存在的一些缺点，特别是在当变工况条件下，随着流量的减少，流道易产生严重的分离，从而导致喘振的发生等因素制约了其更大规模的发展和应用。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机，能够有效地改善机组内部流动特性、减少流动过程的分离、扩大稳定工况的范围，使得叶轮与扩压器之间的流动得到优化匹配和控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机，包括进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗室，其特征在于，扩压器中设置有导流用扩压器叶片，扩压器叶片通过扩压器叶片旋转轴与隔板相连接；

激振器通过传动机构与扩压器叶片相连接，当激振器工作时产生振动，传递给扩压器叶片，扩压器叶片绕扩压器叶片旋转轴振动，对扩压器内流场进行主动控制；

或者，扩压器叶片通过传动机构与弹性元件相连接，当扩压器中有气体流过时，扩压器叶片产生自激振荡，实现对扩压器内部流场进行自适应控制。

所述通过激振器或弹性元件使扩压器叶片产生整体振荡，通过扩压器叶片的振荡提高扩压器的气动性能。

所述通过激振器对扩压器内流场进行主动控制，扩压器叶片整体振荡时，扩压器叶片的最大偏转角度为10°。

所述激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为固定扩压器叶片静态失速时升力系数振荡的频率。

所述通过激振器对扩压器内流场进行主动控制，扩压器叶片整体振荡时的俯仰运动描述为α（t）=α₀+α_Asin（ωt），其中α为扩压器叶片偏转角度，t为时间，α₀为扩压器叶片初始偏转角度，α_A为振荡偏转的角度，ω为激振器的工作频率。

所述通过弹性元件对扩压器内流场进行自适应控制时，弹性元件的强度由扩压器叶片所受气体力和扩压器叶片最大偏转角度决定。

所述的扩压器叶片旋转轴设置在扩压器叶片的压力中心处。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1）与传统的扩压器结构相比较，本发明提供的扩压器叶片可振荡的离心压缩机在不断变化的流场中，叶片绕转轴进行微幅振荡，从而可以有效的使流道适应于流动的变化，减少流动中的分离，降低了能量损失，提高了扩压器的整体性能，并在改变工况的情况下，降低了叶片通道发生气流脱离引起旋转失速的可能性，从而在根本上降低了喘振的发生。

2）本发明提供的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，具有叶片整体振荡结构的扩压器有着结构简单、紧凑，效果明显的特点。当采用激振器方案时，通过外加振动***进行主动控制，可以快速通过改变激励器的振动频率，从而有效的控制扩压器内的叶片振荡，进而改善流动状况，以适应不同工况的要求。当采用弹性单元方案时，除了本身的结构非常简单以外，作为一种自适应控制方法，可以不需要再进行后续操作，对于生产实践，更为简单方便。这些控制方法的运用，相对于其它的控制方法，都有其不可比拟的优势。

3）相对于压缩机其它部件的流动控制，例如叶轮的外形设置，叶片开缝等变化，本发明提供的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，扩压器的结构优化使叶片整体上进行微幅振荡，相对于局部的优化与控制，达到的效果更为明显。

4）本发明提供的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，也具有很高的安全性，由于是通过采用不同方法实现对叶片的整体振荡，并没有对叶片本身的结构和外形进行处理，例如叶片开缝，开孔，改变外形等，因此对于叶片本身的力学要求不造成影响。同时，由于降低了喘振的发生可能，会对压缩机的安全和稳定生产，起到积极显著的影响。

本发明针对叶片扩压器运行当中的存在的变工况下的效率降低、流动容易分离从而导致喘振等相关特点，提出在传统的扩压器叶片上的基础上，通过采用不同的流动控制方法，实现扩压器叶片整体振荡的叶片扩压器结构。最终可以有效地改善机组内部流动特性、减少流动过程的分离、扩大稳定工况的范围，而为实现整个压缩机的高效利用提供新的途径。

通过本发明的应用，可以有效的提高离心压缩机的生产效率，扩大稳定工况，减少能源的消耗，会对相关的工业领域发展和国民经济产生促进作用的同时，还会提高压缩机相关领域的技术的不断发展。

附图说明

图1为本发明的扩压器叶片整体振荡效果示意图（以一个叶片振动为例）。

图2为单个叶片振动局部放大图。

图3为实施方式1的示意框图。

图4为实施方式2的示意框图。

图5为固定翼型叶片与整体振荡式翼型叶片的升力系数曲线对比图。

图6为翼型叶片上仰阶段涡结构的演化情况。

图7为翼型叶片下俯阶段涡结构的演化情况。

图8为不同攻角下不同频率振动翼型叶片的升力系数曲线。

图9为不同振幅时振动翼型叶片的升力系数曲线。

其中：1-翼型叶片。2-示例翼型叶片初始位置。3-示例翼型叶片振荡偏转位置。4-装配孔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，是一种叶片整体振荡式扩压器，使得叶轮与扩压器之间的流动得到优化匹配和控制，从而扩大稳定工况范围以及提高效率。针对叶片扩压器运行当中存在的变工况下的效率降低，流道容易分离从而导致喘振等相关特点，提出了在传统的扩压器叶片上的基础上，通过采用不同流动控制方法，包括主动和自适应方法，实现扩压器叶片的整体振荡，从而可有效的推迟流动分离，减小分离的区域及流动损失。同时，使变工况下的流动稳定性有了很大的提高，扩大了稳定工况的范围，有效地减少了旋转失速的发生，从而在根源上抑制了压缩机出现喘振，最终达到了改善扩压器性能，提高效率的目的。

本发明主要通过采用两种不同的技术方案实现扩压器叶片的整体振荡：

一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机，包括进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗室，其特征在于，扩压器中设置有导流用扩压器叶片，扩压器叶片通过扩压器叶片旋转轴与隔板相连接；

激振器通过传动机构与扩压器叶片相连接，当激振器工作时产生振动，传递给扩压器叶片，扩压器叶片绕扩压器叶片旋转轴振动，对扩压器内流场进行主动控制（通过采用外置振动连杆***对扩压器叶片进行强迫振荡，这是主动控制）；

或者，扩压器叶片通过传动机构与弹性元件相连接，当扩压器中有气体流过时，扩压器叶片产生自激振荡，实现对扩压器内部流场进行自适应控制（比如在扩压器叶片通过连杆连接弹簧***，扩压器叶片在流-固耦合作用下产生自激振荡，从而获得叶片的整体振荡，是自适应控制）。

所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，通过激振器或弹性元件使扩压器叶片产生整体振荡，通过扩压器叶片的振荡提高扩压器的气动性能。

具体的在通过激振器对扩压器内流场进行主动控制，扩压器叶片整体振荡时，扩压器叶片的最大偏转角度为10°；激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为固定扩压器叶片静态失速时升力系数振荡的频率。

具体的在通过弹性元件对扩压器内流场进行自适应控制时，弹性元件的强度由扩压器叶片所受气体力和扩压器叶片最大偏转角度决定；所述的扩压器叶片旋转轴设置在扩压器叶片的压力中心处。

结合图1、图2、图3、图4给出以下具体的实施例。

实施例1

本实施例通过激振器进行叶片的整体振荡：

激振器通过传动机构与扩压器叶片相连接，当激振器工作时产生振动，传递给扩压器叶片，扩压器叶片绕扩压器叶片旋转轴振动，对扩压器内流场进行主动控制。连杆作为主要的传动机构布置于扩压器叶片装配孔下方，通过连杆的传动作用实现将扩压器叶片与振动***相连接。

激振器振幅为5mm，振动频率可以从0Hz到200Hz间变化，当激振器处于某种设定激振频率时，通过连杆将激励传递到叶片，使叶片绕装配孔进行微幅振荡，如图1，图2所示。通过激振器的往复振动，最终实现叶片的整体强迫振荡。此种方式为一种主动的流动控制。

实施例2

本实施例通过弹性元件进行叶片的整体振荡：

扩压器叶片通过传动机构与弹性元件相连接，当扩压器中有气体流过时，扩压器叶片产生自激振荡，实现对扩压器内部流场进行自适应控制。具体的弹性元件采用弹簧，连杆作为主要的传动机构布置于扩压器叶片装配孔下方，通过连杆的传动作用实现将扩压器叶片与振动***相连接。在扩压器内部来流的作用下，由于叶片在扩压器内与气流存在强烈的流-固耦合作用，叶片偏转带动连杆转动使连接在连杆上的弹簧***发生变形，而弹簧的变形最终又反作用于叶片结构，即通过连杆传递作用力使叶片偏转，进而改变了流动状况，从而实现叶片的叶片绕转轴进行微幅振荡的自激振荡。此种方式是一种自适应控制。

本发明通过采用不同流动控制方法，包括主动和自适应方法，实现扩压器叶片的整体振荡，从而有效的改善流场的性能。为了验证叶片整体振荡的积极效果，通过对叶片绕装配点进行微幅振荡过程进行数值模拟来分析叶片振荡俯仰运动对扩压器内部流场的影响。在这里，通过设定叶片振荡运动的规律，即设置叶片俯仰运动为：

α（t）=α₀+α_Asin（ωt）

其中：其中α为扩压器叶片偏转角度，t为时间，α₀为扩压器叶片初始偏转角度，α_A为振荡偏转的角度，ω为激振器的工作频率；

具体的a₀=10°，α_A分别取2°、6°、10°；ω=2πf。f取0.5fn、2fn、5fn，fn为静态失速里当攻角α=10°升力系数振荡的频率，可以从其升力系数和时间的曲线能够得到。

在模拟过程选取了雷诺数为10500，翼型叶片在初始攻角为α₀=10°附近做整体振荡俯仰运动时的状态。并通过设置三组不同频率与振幅下的叶片俯仰运动数据进行研究，并与静止状态下的叶片运动状况进行对比，通过上面一些计算结果，得到了翼型叶片的整体振荡可以减缓前缘主涡的快速发展和脱落，具有显著的驻涡作用，可以有效的延缓失速发生和改善叶片在流场中的运动特性。与上面提出的整体振荡式扩压器叶片所要达到的效果吻合。同时对于外加激励的不同的频率与振幅对于叶片的运动影响也做了有效的分析，得到了最优的频率及振幅。

图5所示为固定翼型叶片与整体振荡式翼型叶片的升力系数曲线对比图（Re=10500，α₀=10°，α_A=6°，f=2f_n），从图中可以明显地看出整体振荡式翼型叶片的升力系数比固定叶片有显著的提高，并且可以看出动态失速的攻角也比静态失速的攻角增大和退后了很多。对升力系数起主要作用的是前缘分离主涡在振动翼面停留（即分离涡的驻立）的时间和攻角范围。因此，整体震荡式翼型叶片在振动过程保持较高的升力系数。

图6所示为翼型叶片上仰阶段涡结构的演化情况，（Re=10500，α₀=10°，α_A=10°，f=2f_n），在上仰阶段，当攻角α=7.43°时，整体振荡式翼型叶片表面流动结构为层流流动，在叶片上表面，流线从叶片前缘穿出壁面，又从后缘穿入壁面，这表明翼型叶片壁面流体在随壁面一起运动，并且从前缘流向后缘。随着攻角增大到α=10.293°，此时叶片后缘出现分离涡并开始脱落到尾迹中。攻角增大到α=16.83°时，叶片前缘开始出现分离涡。在攻角α=18.87°时，叶片表面的漩涡结构尺度就比较大了，出现大尺度的漩涡，但是没有脱落。

图7所示为翼型叶片下俯阶段涡结构的演化情况，（Re=10500，α₀=10°，α_A=10°，f=2f_n），整个下俯阶段，整体振荡式翼型叶片表面流动结构呈现出大尺度漩涡的附着和脱落，即使在下俯阶段中的攻角较小的时候，大尺度涡也存在。当攻角减少到α=17.03°时，叶片前缘出现二次涡结构，之后随着攻角的逐渐减小，叶片表面的大尺度的漩涡逐渐开始脱落，直到α=3°时，叶片表面的大尺度涡才完全脱落到尾迹中。

图8所示为不同攻角（叶片和气流的夹角）下不同频率振动翼型叶片的升力系数曲线，其中（a）攻角为2°，（b）攻角为6°，（c）攻角为10°，可以看出，相同攻角振幅下，不同的振动频率，升力系数迟滞环线形状不同。在本算例中，频率越大，其相应攻角下的升力系数越大。

图9所示为不同振幅时振动翼型叶片的升力系数曲线，（选取Re=10500，α₀=10°，f=0.5f_n），攻角变化时候的振幅也为影响整体振荡式翼型叶片动态失速特性的另一个重要参数。从图9可以看出，相同频率下，不同振幅的升力系数的迟滞环曲线的形状也是不同的，在上行过程中，振幅越大，同一个攻角下的升力系数越大，但是振幅为6°和10°时在相同攻角下的升力系数的差值相对比较小一点。在下行过程中，振幅越大，同一个攻角下的升力系数变化不大，变化大的攻角区域也是在静态失速攻角的附近。

表1为不同频率和振幅下的平均升力系数Cl，从表1中可以明显看出，对于频率来讲，当频率f=0时，无论振幅为多大，实际为静止翼型叶片的绕流问题，所以升力系数都是静止翼型叶片的升力系数；随着频率的增大，平均升力系数也随着增大，也就是说，在所取的频率范围内，频率越大，叶片的平均升力系数也越大，成正相关。对于振幅来讲，同样，在振幅为零时，实际为静止翼型叶片绕流，升力系数都为静止攻角下的升力系数。从表1也可以看出，随着振幅的增大，平均升力系数也随着增大，也就是说，在所取的振幅范围内，振幅越大，叶片的平均升力系数也越大，成正相关。

表1不同频率和振幅下的平均升力系数C_l（Re=10500，α₀=10°）

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思（即实现扩压器叶片的整体振荡）的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种扩压器叶片可振荡的离心压缩机，包括进气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗室，其特征在于，扩压器中设置有导流用扩压器叶片，扩压器叶片通过扩压器叶片旋转轴与隔板相连接；

激振器通过传动机构与扩压器叶片相连接，当激振器工作时产生振动，传递给扩压器叶片，扩压器叶片绕扩压器叶片旋转轴振动，对扩压器内流场进行主动控制；

或者，扩压器叶片通过传动机构与弹性元件相连接，当扩压器中有气体流过时，扩压器叶片产生自激振荡，实现对扩压器内部流场进行自适应控制。

2.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，通过激振器或弹性元件使扩压器叶片产生整体振荡，通过扩压器叶片的振荡提高扩压器的气动性能。

3.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，通过激振器对扩压器内流场进行主动控制，扩压器叶片整体振荡时，扩压器叶片的最大偏转角度为10°。

4.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，激振器的工作频率为0.5f_n～5f_n，f_n为固定扩压器叶片静态失速时升力系数振荡的频率。

5.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，通过激振器对扩压器内流场进行主动控制，扩压器叶片整体振荡时的俯仰运动描述为α（t）=α₀+α_Asin（ωt），其中α为扩压器叶片偏转角度，t为时间，α₀为扩压器叶片初始偏转角度，α_A为振荡偏转的角度，ω为激振器的工作频率。

6.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，通过弹性元件对扩压器内流场进行自适应控制时，弹性元件的强度由扩压器叶片所受气体力和扩压器叶片最大偏转角度决定。

7.如权利要求1所述的扩压器叶片可振荡的离心压缩机，其特征在于，所述的扩压器叶片旋转轴设置在扩压器叶片的压力中心处。