CN204511524U - 一种叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构，针对带有入口导叶、且流体工质在进口截面为明显稳态非均匀或周期性非稳态分布的叶轮机械，将该入口导叶设计为非轴对称分布结构。本实用新型针对流体工质在入口导叶进口截面的流动状态参数分布特点，采用非轴对称分布入口导叶结构，使工质在入口导叶出口截面的压力、速度、流动方向等状态参数的分布更接近设计工况，弥补目前的叶轮机械设计体系采用稳定均匀进口流动状态假设条件的不足，以提高叶轮的能量转换效率和运行稳定性，为入口导叶的设计增加了两个自由度。
Description
技术领域
本实用新型涉及流体力学领域中的叶轮机械，具体地说是叶轮机械中的非轴对称分布的入口导叶结构。
背景技术
以各种流体作为工作介质的叶轮机械应用已十分广泛，结构型式也多种多样，为生产生活提供电力、动力和各种产品。叶轮机械内的流动的工质通过静止的导叶改变流体的状态(如压力、温度、速度等)，通过旋转的动叶消耗或输出机械轴功，因此，叶轮性能的高低主要取决于各排叶片的设计水平。
在目前的叶轮机械设计体系中，均假设流动工质在进口截面为稳定、均匀状态，各排导叶和动叶(出于结构强度或内置管道线路考虑的支板除外)都是轴对称分布的，即周向均匀分布且几何形状相同(如图3所示)，在设计、计算分析、加工、安装时不考虑叶片排的周向差异。但在诸多叶轮机械的应用中，有部分机组入口导叶前的进口截面工质为稳态非均匀或周期性非稳态分布，例如：①涡轮增压器，虽然有的采用双进气管结构，尽可能地减小进气的不均匀性，但仍达不到设计叶轮时采用的工质稳定均匀进口流动状态假设条件；②地面或船用燃机配有将气流由径向转为轴向的进气蜗壳(或集气室)，特别是对进气蜗壳尺寸有严格限制时，进气的均匀性会受到影响；③齿轮箱式压缩或膨胀机组，叶轮一般悬臂安装在齿轮轴上，且需要将气流由径向转为轴向的进气蜗壳，那么转子动力学的稳定性要求则限制了蜗壳的轴向尺寸(要求叶盘离齿轮箱较近)，而齿轮的线速度、各齿轮轴之间的中心距又限制了蜗壳的径向尺寸(如图1、2所示)，因此尺寸受限的进气蜗壳一般不能将折转90°的气流组织得很好，蜗壳与入口导叶交接面的工质有明显的非轴对称分布特点；④航空发动机由于侧风、旋流、机动动作或发射武器导致的进气畸变是突发性的进口非均匀状态，不包含在本实用新型所针对的问题范畴。上述①、②、③三种典型的进气蜗壳结构即使经过尽可能地优化设计，也仍然会由于尺寸限制、气流折转以及中间的环形导流盆结构，使得入口导叶前的流场一直出现不同程度的非稳定、非均匀状态，即入口导叶及下游的其它叶片工作在非设计工况，不同周向位置叶片的气动载荷、流场、受力、噪声差异明显，下游动叶承受非轴对称气流的冲击，从而降低叶轮的性能和运行的稳定性。
实用新型内容
为了进一步提高流体工质在进口截面为明显稳态非均匀或周期性非稳态分布的叶轮机械的性能，提高叶轮的效率和稳定运行范围，本实用新型公开了一种叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构，该结构对入口导叶的周向分布和叶片形状进行优化，使工质流过入口导叶与轮毂、机匣组成的通道时损失更小、出口状态更接近设计工况，弥补目前叶轮机械设计体系采用稳定均匀进口流动状态假设条件的不足，为入口导叶的设计增加了两个自由度，设计更加灵活，尤其适用于带有进气蜗壳的各类叶轮机械。本实用新型的非轴对称分布的入口导叶结构在设计时，引入了考虑工质进口非稳定均匀流动状态的入口导叶非轴对称分布的设计理念，挖掘提高叶轮性能和稳定性的潜力，对机组的结构布置和造价没有明显影响，具有很好的应用前景。
为了达到上述目的，本实用新型的技术解决方案如下：
一种叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构，所述叶轮机械包括至少一排静止的入口导叶及位于入口导叶下游的至少一排旋转的动叶，所述入口导叶和动叶沿周向布置，有共同的轴心，其特征在于：所述入口导叶为非轴对称分布结构，流体工质依次从叶轮机械的入口导叶通道及其下游相邻位置的动叶通道流过。
对于流体工质在进口截面为明显稳态非均匀或周期性非稳态分布，且包含入口导叶及其下游至少一排动叶的叶轮机械，根据入口导叶前的进口截面上流动工质的流场特点对入口导叶进行非轴对称分布设计，主要通过数值计算软件分析入口导叶的整周流场来完成优化，必要时通过实验方法验证设计方案。
优选地，本实用新型的叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构中，各所述入口导叶周向非均匀分布，各导叶间隔不均匀，但各所述入口导叶的几何形状、安装角都相同。
优选地，本实用新型的叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构中，各所述入口导叶周向均匀分布，但入口导叶的几何形状、安装角不完全相同。
优选地，本实用新型的叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构中，各所述入口导叶周向非均匀布置，且入口导叶的几何形状、安装角也不完全相同。
优选地，所述入口导叶几何形状的不同体现在叶片造型参数的不完全相同。优选地，所述叶片造型参数为入口几何角、出口几何角、前缘半径、尾缘半径、厚度分布、轮毂型线、机匣型线或叶片积叠线。
对于所述的非轴对称分布的入口导叶，周向不同流道的喉道面积、稠度、流场分布等参数可能不完全相同，但目的都是为下游动叶提供更合适的入口条件。
优选地，所述入口导叶的个数为大于1且小于300的整数。
优选地，所述叶轮机械为单级或多级结构的压缩机、泵或膨胀机。
优选地，所述叶轮机械的旋转叶轮为径流式、混流式或轴流式。
优选地，所述流体工质为气体、液体或多相流体。
本实用新型的优点与有益效果为：
1.进一步挖掘了流体工质在进口截面为明显稳态非均匀或周期性非稳态分布的叶轮机械入口导叶优化设计的潜力，提出了非轴对称入口导叶结构，弥补目前叶轮机械设计体系采用稳定均匀进口流动状态假设条件的不足，在对机组现有结构和造价没有明显影响的情况下，提高机组的性能和运行的稳定性，适用于各种结构类型、流动工质的叶轮机械；
2.在实际应用中，可以根据设计精度、造价、装配难度等灵活选取所述的三种非轴对称入口导叶结构。
附图说明
图1为本实用新型的应用带有进气蜗壳的齿轮箱式轴流涡轮三维模型示意图；
图2为带有进气蜗壳的齿轮箱式轴流涡轮的截面结构示意图；
图3为现有技术叶轮机械设计采用的轴对称分布结构，其中，A为平面示意图，B为立体结构示意图；
图4为本实用新型的非轴对称入口导叶结构，叶片周向非均匀分布，各个入口导叶的几何形状、安装角都相同，其中，A为平面示意图，B为立体结构示意图；
图5为本实用新型的非轴对称入口导叶结构，叶片周向均匀布置，但入口导叶的几何形状、安装角不完全相同，其中，A为平面示意图，B为立体结构示意图；
图6为本实用新型的非轴对称入口导叶结构，叶片周向非均匀布置，且入口导叶的几何形状、安装角也不完全相同，其中，A为平面示意图，B为立体结构示意图；
图7为本实用新型的非轴对称入口导叶结构，各个入口导叶安装角不完全相同的示意图，其中，A为立体示意图，B为平面示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不因此而限定本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实用新型的应用在带有进气蜗壳的齿轮箱式轴流涡轮中的非轴对称入口导叶结构，包括进气蜗壳4、一排静止的入口导叶5及其下游至少一排旋转的动叶6，各动叶6安装在轮盘7上，以及保证所述叶轮机械正常运转的转子、润滑、密封、支撑、紧固、测量、控制等零部件，从进气蜗壳4进入涡轮的流动工质依次从入口导叶通道及其下游相邻位置的动叶通道流过，状态参数发生变化，带动涡轮做功，通过设置在；齿轮轴3上的齿轮，达到吸收或输出机械轴功的目的。
图2为带有进气蜗壳4和变速齿轮箱1的轴流涡轮，进气蜗壳4使流体工质由径向转为轴向，流体工质经蜗壳出口8进入轴流涡轮，然后依次经过入口导叶5及其下游相邻位置的设置在轮盘7上的动叶6，呈现不同程度的非轴对称状态，使得入口导叶5多数工作在非设计工况。
图3为现有技术设计采用的轴对称分布结构，图4-6给出了入口导叶非轴对称分布的三种结构；图4为本实用新型的叶片周向非均匀分布，不同周向位置的叶片间距不同，但各个入口导叶的几何形状、安装角都相同；图5为本实用新型的为叶片周向均匀布置，但入口导叶的几何形状、安装角不完全相同，不同周向位置的叶片积叠线不同(直叶片和弯叶片的区别)；图6为本实用新型的叶片周向非均匀布置，且入口导叶的几何形状、安装角也不完全相同，结构比图4、5更复杂。图7为入口导叶安装角不完全相同的示意图，安装角的不同可以使不同周向位置的通道尺寸也不同，以达到优化流场分布的目的。
本实用新型实施例适用于带有入口导叶、流体工质在进口截面为明显稳态非均匀或周期性非稳态分布的叶轮机械，尤其是带有进气蜗壳的机组。
通过上述实施例，完全有效地实现了本实用新型的目的。该领域的技术人员可以理解本实用新型包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本实用新型就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本实用新型并不限于所公开的实施例，任何不偏离本实用新型的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (8)
1.一种叶轮机械非轴对称分布的入口导叶结构，所述叶轮机械包括至少一排静止的入口导叶及位于入口导叶下游的至少一排旋转的动叶，所述入口导叶和动叶沿周向布置，有共同的轴心，其特征在于：所述入口导叶为非轴对称分布结构，流体工质依次从叶轮机械的入口导叶通道及其下游相邻位置的动叶通道流过。
2.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，所述叶轮机械为单级或多级结构的压缩机、泵或膨胀机。
3.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，所述叶轮机械的旋转叶轮为径流式、混流式或轴流式。
4.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，所述入口导叶周向非均匀分布，各导叶间隔不均匀，但各所述入口导叶的几何形状、安装角都相同。
5.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，各所述入口导叶周向均匀分布，但入口导叶的几何形状、安装角不完全相同。
6.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，各所述入口导叶周向非均匀布置，且入口导叶的几何形状、安装角也不完全相同。
7.根据权利要求4至6任一项所述的入口导叶结构，其特征在于，各所述入口导叶几何形状的不同体现在叶片的造型参数的不完全相同，所述叶片造型参数为入口几何角、出口几何角、前缘半径、尾缘半径、厚度分布、轮毂型线、机匣型线或叶片积叠线。
8.根据权利要求1所述的入口导叶结构，其特征在于，入口导叶的个数为大于1且小于300的整数。
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