CN115929694A - 一种离心压气机扩压器和离心压气机 - Google Patents
一种离心压气机扩压器和离心压气机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种离心压气机扩压器和离心压气机，离心压气机扩压器包括：壳体和叶片，叶片设置于壳体的内壁上，以单个叶片为基准，以壳体中气流的流动方向为x轴，叶片的前缘为O点，垂直于x轴的方向为y轴建立xy轴坐标系；中弧线上的每一处位置的切线与y轴之间夹设叶片中弧线安装角β，且叶片中弧线安装角沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1。根据本发明能够使得吸力面空气在向下游流动过程中不发生分离，吸力面没有低马赫数区产生，消除了扩压器吸力面轮毂位置的回流，减小气流冲击损失。
Description
技术领域
本发明涉及压气机技术领域，具体涉及一种离心压气机扩压器和离心压气机。
背景技术
作为空气循环机的关键部件及空气循环机中涡轮部件的上游组件，压气机能够使来流低压空气减速、增压，并驱动高压空气进一步流入涡轮，完成膨胀做功过程。可见，压气机的增压能力直接影响涡轮的做功能力，进而影响空气循环机的***性能。压气机中对气体总压升产生直接作用的是压气机叶轮，叶轮下游的扩压器起减速扩压的作用，其必须与压气机叶轮实现良好的配合，才能使压气机整级再设计工况下拥有较高的效率和压比。
由于现有技术中的扩压器吸力面轮毂位置存在回流，气流冲击损失较大，熵增较大等技术问题，因此本发明研究设计出一种离心压气机扩压器和离心压气机。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的扩压器吸力面轮毂位置存在回流的缺陷，从而提供一种离心压气机扩压器和离心压气机。
为了解决上述问题，本发明提供一种离心压气机扩压器，其包括：
壳体和叶片，所述叶片设置于所述壳体的内壁上，以单个叶片为基准，以所述壳体中气流的流动方向为x轴，所述叶片的前缘为O点，垂直于x轴的方向为y轴建立xy轴坐标系；
所述叶片还包括尾缘、压力面和吸力面，叶片的中弧线为连接所述叶片的前缘和尾缘之间的弧线段，所述中弧线上的每一点距离所述压力面和所述吸力面的最小距离均相等；
且所述中弧线上的每一处位置的切线与所述y轴之间夹设夹角，即为叶片中弧线安装角β，且所述叶片中弧线安装角沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，β为该位置对应的叶片中弧线安装角。
在一些实施方式中，A1＝76.288±0.006，B1＝-59.586±0.058，C1＝113.578±0.137，D1＝-65.873±0.091。
在一些实施方式中，叶片弦长为连接所述叶片的前缘和尾缘之间的直线段，用C表示，叶片厚度h为叶片上任一位置处沿着所述叶片弦长的垂线方向，所述压力面与所述吸力面之间的距离；
叶片厚度的分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，h为该位置对应的叶片厚度。
在一些实施方式中，A2＝0.389±0.004，B2＝8.688±0.003，C2＝1.743±0.007，D2＝-10.298±0.004。
在一些实施方式中，在任一位置处两个相邻叶片之间的最小距离处为喉道，该距离为该位置处的喉道距离，喉道面积S为所述喉道距离乘以叶片高度；并有：
所述喉道面积S沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，S为该位置对应的喉道面积。
在一些实施方式中，A3＝37.426±0.377，B3＝-301.008±4.455，C3＝1154.700±20.081，D3＝-2052.157±43.322，E3＝1679.370±44.920，F3＝-478.755±17.983。
在一些实施方式中，两个相邻的叶片的尾缘之间沿着y轴方向的间距为节距L，叶片的稠度δ＝C/L。
在一些实施方式中，所述叶片的个数为13，扩压器出口总压/入口总压
＝0.985±0.02。
本发明还提供一种离心压气机，其包括前述的离心压气机扩压器。
本发明提供的一种离心压气机扩压器和离心压气机具有如下有益效果：
本发明通过将叶片中弧线安装角设置为沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，尤其是A1＝76.288±0.006，B1＝-59.586±0.058，
C1＝113.578±0.137，D1＝-65.873±0.091，能够使得优化后的扩压器流道内，扩压器入口位置气流贴合叶片进入流道，吸力面空气在向下游流动过程中未发生分离，吸力面没有低马赫数区产生，有效消除了原始扩压器吸力面轮毂位置的回流，从而减小气流冲击损失；并且本发明将叶片厚度的分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3，尤其是A2＝0.389±0.004，B2＝8.688±0.003，
C2＝1.743±0.007，D2＝-10.298±0.004，以及喉道面积S沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5，尤其是A3＝37.426±0.377，
B3＝-301.008±4.455，C3＝1154.700±20.081，D3＝-2052.157±43.322，E3＝1679.370±44.920，F3＝-478.755±17.983，能够使得优化后的扩压器流道内部熵值明显低于初始设计方案，流道内不存在高熵区，仅仅在叶片表面以及尾迹区域产生了比较高的熵值；所以，该扩压器能够保证来流空气贴合叶片表面进入流道且在向下游流动过程中不产生吸力面分离，同时抑制了流道内非必要的损失，将熵增控制在叶表边界层内，流道内无明显损失。
附图说明
图1是本发明的离心压气机扩压器的结构图；
图2是本发明的离心压气机扩压器与蜗壳的装配结构图；
图3是本发明的离心压气机扩压器的叶片结构示意图；
图4是本发明的叶片安装角沿流向的分布曲线图；
图5是本发明的叶片厚度沿流向的分布曲线图；
图6是本发明的扩压器的喉道面积沿流向的分布曲线图；
图7是本发明优化后的扩压器流道内的马赫数分布图(与现有方案对比)；
图8是本发明优化后的扩压器流道内的熵分布图(与现有方案对比)。
附图标记表示为：
1、壳体；2、叶片；21、前缘；22、尾缘；23、压力面；24、吸力面；25、中弧线；3、喉道；4、蜗壳。
具体实施方式
如图1-8所示，本发明提供一种离心压气机扩压器，其包括：
壳体1和叶片2，所述叶片2设置于所述壳体1的内壁上，以单个叶片2为基准，以所述壳体1中气流的流动方向为x轴，所述叶片2的前缘21为O点，垂直于x轴的方向为y轴建立xy轴坐标系；
所述叶片2还包括尾缘22、压力面23和吸力面24，叶片的中弧线25为连接所述叶片2的前缘21和尾缘22之间的弧线段，所述中弧线25上的每一点距离所述压力面23和所述吸力面24的最小距离均相等；
且所述中弧线25上的每一处位置的切线与所述y轴之间夹设夹角，即为叶片中弧线安装角β，且所述叶片中弧线安装角沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，β为该位置对应的叶片中弧线安装角。
本发明通过将叶片中弧线安装角设置为沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，尤其是A1＝76.288±0.006，B1＝-59.586±0.058，
C1＝113.578±0.137，D1＝-65.873±0.091，能够使得优化后的扩压器流道内，扩压器入口位置气流贴合叶片进入流道，吸力面空气在向下游流动过程中未发生分离，吸力面没有低马赫数区产生，有效消除了原始扩压器吸力面轮毂位置的回流，从而减小气流冲击损失。
本发明解决了如下技术问题：
1.本发明消除了原始扩压器吸力面轮毂位置的回流(由于吸力面空气在向下游流动过程中未发生分离，吸力面没有低马赫数区)；
2.扩压器入口位置气流贴合叶片进入流道，降低了气流冲击损失；
3.本发明将熵增控制在叶表边界层内，流道内无明显损失。
在一些实施方式中，A1＝76.288±0.006，B1＝-59.586±0.058，C1＝113.578±0.137，D1＝-65.873±0.091。
图3为扩压器叶片的部分几何设计参数，包括扩压器的安装角及节距、弧长以及流向的示意图，这些几何参数的可以通过下述设计方法确定。
扩压器入口设计：
1.确定扩压器入口气体状态总参数，如总温、总压等；
2.给出扩压器入口半径，并利用角动量守恒定理计算得到扩压器入口的切向速度；
3.利用流量函数计算得到扩压器入口的气流角，从而能确定叶片入口的安装角β；
4.完成上述计算后即可确定扩压器入口的流向速度分量，进而可得出入口的气体状态静参数。
扩压器出口设计：
5.给定扩压器叶片的出口安装角度；
6.给出扩压器出口与入口的半径比值；
7.计算扩压器叶片弧长、当量扩张角、稠度等，确定当量扩张角、稠度是否在合理的范围区间，如果满足要求即可推出设计流程，如不满足则需要返回步骤5进行新一轮迭代设计。
在确定上述的几何参数之后，即可展开叶片的三维造型设计，即确定叶片安装角度、厚度在流向上的分布。如图4所示，扩压器叶片中弧线安装角沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3；系数值见表1(x1为沿流向相对位置0≤x1≤1，β为对应流向相对位置的叶片安装角)，由此，叶片安装角度沿流向分布能够确定。
表1扩压器叶片中弧线安装角沿流向分布函数系数值
| 系数 | 值 |
| <![CDATA[A<sub>1</sub>]]> | 76.288±0.006 |
| <![CDATA[B<sub>1</sub>]]> | -59.586±0.058 |
| <![CDATA[C<sub>1</sub>]]> | 113.578±0.137 |
| <![CDATA[D<sub>1</sub>]]> | -65.873±0.091 |
在一些实施方式中，叶片弦长为连接所述叶片2的前缘21和尾缘22之间的直线段，用C表示(即叶片弦长为C)，叶片厚度h为叶片上任一位置处沿着所述叶片弦长的垂线方向，所述压力面23与所述吸力面24之间的距离；
叶片厚度的分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，h为该位置对应的叶片厚度。
本发明将叶片厚度的分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3，尤其是A2＝0.389±0.004，B2＝8.688±0.003，C2＝1.743±0.007，D2＝-10.298±0.004，以及喉道面积S沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5，尤其是A3＝37.426±0.377，B3＝-301.008±4.455，C3＝1154.700±20.081，D3＝-2052.157±43.322，E3＝1679.370±44.920，F3＝-478.755±17.983，能够使得优化后的扩压器流道内部熵值明显低于初始设计方案，流道内不存在高熵区，仅仅在叶片表面以及尾迹区域产生了比较高的熵值；所以，该扩压器能够保证来流空气贴合叶片表面进入流道且在向下游流动过程中不产生吸力面分离，同时抑制了流道内非必要的损失，将熵增控制在叶表边界层内，流道内无明显损失。
在一些实施方式中，A2＝0.389±0.004，B2＝8.688±0.003，C2＝1.743±0.007，D2＝-10.298±0.004。
叶片厚度沿流向变化由图5给出。其厚度分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3；系数值见表2(x1为沿流向相对位置0≤x1≤1，h为对应流向相对位置的叶片厚度)。且叶片是以中弧线为基准，厚度于中弧线两侧对称分布的。由此，叶片厚度得到确定。
表2叶片厚度沿流向分布函数系数值
| 系数 | 值 |
| <![CDATA[A<sub>2</sub>]]> | 0.389±0.004 |
| <![CDATA[B<sub>2</sub>]]> | 8.688±0.003 |
| <![CDATA[C<sub>2</sub>]]> | 1.743±0.007 |
| <![CDATA[D<sub>2</sub>]]> | -10.298±0.004 |
在一些实施方式中，在任一位置处两个相邻叶片之间的最小距离处为喉道3，该距离为该位置处的喉道距离，喉道面积S为所述喉道距离乘以叶片高度(叶片为拉伸体，叶片高度为在其拉伸方向的长度，即如图3所示在垂直于纸面方向的叶片长度即为叶片高度)；并有：
所述喉道面积S沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，S为该位置对应的喉道面积。
在一些实施方式中，A3＝37.426±0.377，B3＝-301.008±4.455，C3＝1154.700±20.081，D3＝-2052.157±43.322，E3＝1679.370±44.920，F3＝-478.755±17.983。
综上，能够进一步确定其喉道面积沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5；系数值见表3(x1为沿流向相对位置0.2≤x1≤0.8，S为对应流向相对位置的扩压器喉部通流面积)。
表3喉道面积沿流向分布函数系数值
| 系数 | 值 |
| <![CDATA[A<sub>3</sub>]]> | 37.426±0.377 |
| <![CDATA[B<sub>3</sub>]]> | -301.008±4.455 |
| <![CDATA[C<sub>3</sub>]]> | 1154.700±20.081 |
| <![CDATA[D<sub>3</sub>]]> | -2052.157±43.322 |
| <![CDATA[E<sub>3</sub>]]> | 1679.370±44.920 |
| <![CDATA[F<sub>3</sub>]]> | -478.755±17.983 |
在一些实施方式中，两个相邻的叶片2的尾缘之间沿着y轴方向的间距为节距L，叶片的稠度δ＝C/L。
图7为本发明设计工况下离心压气机扩压器流道内的马赫数分布，初始设计方案以及优化设计方案的入口保持了良好的流动状态，且在优化后的扩压器流道内，吸力面空气在向下游流动过程中未发生分离，吸力面没有低马赫数区产生。
图8为本发明设计工况下离心压气机扩压器流道内的熵分布，优化后的扩压器流道内部熵值明显低于初始设计方案，且优化方案仅仅在叶片表面以及尾迹区域产生了比较高的熵值，该部分损失是无法避免的；而且优化方案的流道内不存在高熵区。所以，该扩压器能够保证来流空气贴合叶片表面进入流道且在向下游流动过程中不产生吸力面分离，同时抑制了流道内非必要的损失。
在一些实施方式中，所述叶片2的个数为13，扩压器出口总压/入口总压＝0.985±0.02。如下表4所示：
表4初始、优化方案对比
表4为本发明的优化方案与优化前的初始方案的对比，优化方案叶片数极大地减少，而且空气在扩压器内流动产生的损失明显减小。
本发明还提供一种离心压气机，其包括前述的离心压气机扩压器。
本发明提出了一种离心压气机扩压器以及一种适用于低压比离心压气机的低稠度扩压器设计思路，能够确定适合大多数低压压气机的低稠度扩压器型式，且利用此设计思路可以抑制扩压器吸力面分离涡的产生，消除由此产生的损失，提升了扩压器的气动性能；结合此方法提出的离心压气机扩压器具有以下优点：转子的入口来流能够与叶片几何完全匹配，能有效抑制因攻角产生的冲击损失。在满足性能要求的情况下，可以通过减少叶片数目，减轻扩压器质量，降低机加工难度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种离心压气机扩压器，其特征在于：包括：
壳体(1)和叶片(2)，所述叶片(2)设置于所述壳体(1)的内壁上，以单个叶片(2)为基准，以所述壳体(1)中气流的流动方向为x轴，所述叶片(2)的前缘(21)为O点，垂直于x轴的方向为y轴建立xy轴坐标系；
所述叶片(2)还包括尾缘(22)、压力面(23)和吸力面(24)，叶片的中弧线(25)为连接所述叶片(2)的前缘(21)和尾缘(22)之间的弧线段，所述中弧线(25)上的每一点距离所述压力面(23)和所述吸力面(24)的最小距离均相等；
且所述中弧线(25)上的每一处位置的切线与所述y轴之间夹设夹角，即为叶片中弧线安装角β，且所述叶片中弧线安装角沿流向分布规律遵循三次函数：β＝A1+B1x1+C1x1 2+D1x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，β为该位置对应的叶片中弧线安装角。
2.根据权利要求1所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
A1＝76.288±0.006，B1＝-59.586±0.058，C1＝113.578±0.137，D1＝-65.873±0.091。
3.根据权利要求1所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
叶片弦长为连接所述叶片(2)的前缘(21)和尾缘(22)之间的直线段，用C表示，叶片厚度h为叶片上任一位置处沿着所述叶片弦长的垂线方向，所述压力面(23)与所述吸力面(24)之间的距离；
叶片厚度的分布规律遵循三次函数：h＝A2+B2x1+C2x1 2+D2x1 3，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，h为该位置对应的叶片厚度。
4.根据权利要求3所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
A2＝0.389±0.004，B2＝8.688±0.003，C2＝1.743±0.007，D2＝-10.298±0.004。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
在任一位置处两个相邻叶片之间的最小距离处为喉道(3)，该距离为该位置处的喉道距离，喉道面积S为所述喉道距离乘以叶片高度；并有：
所述喉道面积S沿流向分布规律遵循五次函数：S＝A3+B3x1+C3x1 2+D3x1 3+E3x1 4+F3x1 5，其中x1为中弧线上的任一位置的x值除以中弧线总长在x轴上的投影长度，0≤x1≤1，S为该位置对应的喉道面积。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
A3＝37.426±0.377，B3＝-301.008±4.455，C3＝1154.700±20.081，
D3＝-2052.157±43.322，E3＝1679.370±44.920，F3＝-478.755±17.983。
7.根据权利要求3所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
两个相邻的叶片(2)的尾缘之间沿着y轴方向的间距为节距L，叶片的稠度δ＝C/L。
8.根据权利要求3所述的离心压气机扩压器，其特征在于：
所述叶片(2)的个数为13，扩压器出口总压/入口总压＝0.985±0.02。
9.一种离心压气机，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的离心压气机扩压器。
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|---|---|---|---|---|
| CN116241508A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-09 | 潍柴动力股份有限公司 | 压气机的出气管、压气机及发动机 |
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2023
- 2023-01-11 CN CN202310039017.7A patent/CN115929694A/zh active Pending
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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