一种开槽有叶扩压器的制作方法

本发明涉及扩压器领域，尤其涉及一种开槽的有叶扩压器。

背景技术：

扩压器应用于离心压气机中，是将流体动能转换成静压能的装置。扩压器主要有无叶扩压器和有叶(片)扩压器两种，与无叶扩压器相比，有叶扩压器通常在设计质量流量附近具有更好的静压恢复系数，可以实现更高的压气机峰值效率，因此在中大型离心压气机中得到了广泛的应用。

但是，在小质量流条件下，扩压叶片前的流体正攻角和气流在扩压器内的过度扩散导致了扩压器内流动的分离，造成扩压器的失速。在大质量流动时，扩压叶片可能会出现堵塞即其喉口流速达到当地声速，限制压气机的流动能力。这些事件限制了压气机的稳定运行范围。因此，在保持叶片扩压器高气动效率的同时，扩大叶片扩压器的运行范围一直是离心压气机发展的一个重要需求和研究领域。

技术实现要素：

本发明提供一种开槽有叶扩压器，拓宽了有叶扩压器的工作范围并保持扩压器的高气动效率。

一种开槽有叶扩压器，包括本体和设于所述本体上的叶片，所述叶片包括靠近所述本体中心的内端和远离所述本体中心的外端，所述叶片相对于经过所述内端的半径倾斜；

所述叶片表面设有连通所述叶片两侧的槽缝，所述槽缝相对于所述叶片倾斜。

进一步地，所述槽缝与所述叶片的倾斜方向相同，所述槽缝的中心线与所述叶片之间的夹角为5°-20°。

进一步地，所述槽缝的截面积从进气口向出气口逐渐减小。

进一步地，所述叶片设置于所述本体的轮毂侧，所述槽缝的宽度从进气口向出气口逐渐减小。

进一步地，所述槽缝的高度从进气口到出气口逐渐减小。

进一步地，所述槽缝的高度为叶片高度的4％-10％。

进一步地，所述槽缝端部宽度为其所在弧长的5％-20％。

进一步地，所述槽缝的开口设于叶片弦长的25％-45％处。

进一步地，所述槽缝设置于所述本体的轮缘侧。

一种压气机，包括蜗壳、叶轮和所述的扩压器。

本发明公开的一种开槽有叶扩压器，通过在叶片上开槽缝，使流体可以从叶片的进口附近压力侧流向叶片的出口附近吸力侧，产生边界层抽吸和给边界层添加能量，推迟了扩压器边界层的分离，解决了其它开槽方法遇到的扩稳和效率相矛盾的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的压气机结构示意图，压气机为带轮毂槽缝扩压器的离心压气机；

图2为本发明实施例中的扩压器结构示意图，扩压器为带槽缝的有叶扩压器；

图3为本发明实施例中的扩压器局部放大示意图；

图4为本发明实施例中的扩压器叶片俯视示意图；

图5为本发明实施例中的扩压器叶片立体示意图；

图6为本发明实施例中，不开槽扩压器喘振点流线图；

图7为本发明实施例中，开槽扩压器喘振点流线图；

图8为本发明实施例中，图6局部放大图；

图9为本发明实施例中，图7局部放大图；

图10为本发明实施例中，不开槽扩压器喘振点叶片载荷图；

图11为本发明实施例中，开槽扩压器喘振点叶片载荷图；

图12为本发明实施例中，不开槽扩压器最高效率点流线图；

图13为本发明实施例中，开槽扩压器最高效率点流线图；

图14为本发明实施例中，图12局部放大图；

图15为本发明实施例中，图13局部放大图；

图16为本发明实施例中，不开槽扩压器最高效率点叶片载荷图；

图17为本发明实施例中，开槽扩压器最高效率点叶片载荷图；

图18为本发明实施例中的扩压器开槽对压气机效率的影响图；

图19为本发明实施例中的扩压器开槽对压气机压比的影响图；

图20为本发明实施例中的扩压器开槽深度对压气机性能的影响图；

图21为本发明实施例中的扩压器开槽角度对压气机性能的影响图；

图22为本发明实施例中的扩压器开槽横截面积对压气机性能的影响图；

图23为本发明实施例中的扩压器开槽弧长对压气机性能的影响图；

图24为本发明实施例中的扩压器在不同弦长位置开槽对压气机性能的影响图。

图中：1、压气机蜗壳；2、进气罩；3、扩压器；4、叶轮罩；5、叶轮；6、槽缝；7、压力面；8、吸力面；9、进气口；10、出气口；s1、进气口截面；s2、出气口截面；α、叶片与槽缝之间的夹角；h1、槽缝入口处的高度；h2、槽缝出口处的高度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种压气机，包括蜗壳、进气罩、叶轮、叶轮罩和扩压器。在工作过程中，叶轮5在涡轮机或者其它动力装置的带动下旋转，空气经压气机壳的进气口吸入进气流道,并在离心力的作用下沿着叶轮流道流动，空气在叶轮流道受到压缩，空气的速度、压力、温度均有提高；而后压缩空气从叶轮流道输出，进入扩压器3的流道,速度下降、动能转化为压力能，压力进一步提高；最终气体进入压气机壳1的流道并从压气机壳的出气口排出，完成整个增压过程。

为了清楚显示叶轮和扩压器，覆盖于叶轮和扩压器之上的后盖板未画出。扩压器包括本体和设于本体上的叶片，叶片包括靠近本体中心的内端或入口和远离本体中心的外端或出口，叶片相对于经过入口的半径向叶轮的旋转方向倾斜，图2；叶片表面设有连通叶片两侧的槽缝，槽缝相对于叶片向叶轮的旋转方向进一步倾斜，倾斜角度为5°-20°如图3所示，α的角度为5°-20°。

经过研究分析发现，扩压器流动分离主要发生在壁面边界层，壁面边界层的分离降低了扩压器的扩压能力，小流量下导致扩压器失速和压气机失稳。分离还增加了流动损失。为了拓宽压气机的工作范围，并增大其气动效率，本发明中的叶片表面设置槽缝，槽缝的高度为叶片高度的4％-10％，槽缝将叶片两侧，即压力面和吸力面连通，槽缝端部宽度为其所在弧长的5％-20％，使流体可以经过槽缝从压力面流向吸力面。这样，在小流量时，扩压器承受正攻角，吸力面边界层变厚，有分离的危险。从压力面来的快速流体为吸力面的边界层增加了前进的动能，从而避免或推迟了吸力面边界层的分离。而在大流量下，扩压器承受负攻角，压力面边界层变厚，有分离的危险。此时通过槽缝从压力面向吸力面的流动，起了抽吸压力面边界层的作用，使边界层变薄，背压降低。从而避免或推迟了压力面边界层的分离。

轮毂侧或轮缘侧均可设置开槽的叶片，改善扩压器性能。由于本发明抓住了控制端壁面边界层分离这一关键，本发明中的槽缝高度仅需叶片高度的百分之几即可达到流动控制的目的。由于通过槽缝的流体质量较少，降低了槽缝流动可能带来的损失，因而有利于压气机的效率。

槽缝设于压力面的一端为进气口，设于吸力面的一端为出气口，进气口和出气口处的截面大小可以相等，也可以不等。如图4所示，气流从进气口9进入，从出气口10流出，出口截面s2的面积比入口截面s1的面积小，这样槽缝相当于喷嘴，可提高其出口流动速度，实现更好的边界层控制作用。为了实现出口截面积比入口小的目的，本发明中槽缝的宽度从入口向出口逐步减小；或者保持槽缝的宽度不变，槽缝的高度从入口向出口逐步减小，如图5所示，h1大于h2。

显然，本发明对带蜗壳和不带蜗壳的压气机都适用。以下以常见的带蜗壳的压气机为例，对本发明作进一步的解释和说明。压气机蜗壳的存在为扩压器产生了周向不对称的出口边界。如图6、图8和图10所示，当压气机在小质量流条件下工作时，随着气流在蜗壳做周向运动，叶片扩压器的背压随之增加。在普通压气机中，这使得叶片扩压器在靠近蜗壳出口的若干通道处于高背压状态，导致那里的流动与叶片的吸力面分离，造成了回流。而在轮毂侧开槽情况下，如图7、图9和图11所示，在槽两端压力梯度的驱动下，一些流体从压力面流向吸力面，这一流动使吸力面侧边界层增加了能量，同时吸走停滞的可能发生分离的边界层，从而避免了吸力面和轮毂端壁的流动分离，消除了回流，拓宽小流量运行边界。

当离心压气机处于较大流量工况时，在扩压器入口出现负攻角，导致流动分离发生在叶片的压力面处，在扩压器出口区域造成回流，如图12、图14和图16所示。与小流量不同的是，由于蜗壳对扩压器的施加的出口压力比低质量流量时低而且更均匀，所以除了蜗舌下的两个扩压器外，每个扩压器叶片通道都发生了回流。由于叶片前缘的负入射角不大，分离产生的旋涡较弱，所产生的回流区比喘振时小。然而，由于更多的扩压通道被分离。图16中负载荷(压力面的压力低于吸力面的压力)量更大。在轮毂开槽情况下，如图13、图15和图17所示，叶片负载荷消失，扩压器内的流动更加均匀。流动分离的消除减少了扩压器内部的损失，提高了静压恢复，也改善了下游蜗壳内的流动。这些都有助于减少损失和实现更高的压气机峰值效率。

轮毂侧叶片开槽和轮缘侧叶片开槽，它们都对改善压气机喘振和堵塞有积极的影响。

当在轮毂端开槽时，比较轮缘侧叶片开槽能够有效增加压气机的喘振边界。如图8计算结果所示。这是因为轮毂端开槽可以推迟扩压器出口轮毂处出现的端壁面边界层分离和倒流，从而更有效的提高扩压器的稳定性。而且，轮毂侧开槽的喘振端效率和最高效率均好于轮缘侧开槽。在轮缘侧开槽时，堵塞端效率好于轮毂侧开槽，如图8所示。因此，可以认为在中小流量下轮毂侧叶片开槽比轮缘侧叶片开槽更好。

如图4所示，截面1为进气口处垂直于所述槽缝的面，截面2为出气口处垂直于所述槽缝的面，如图4所示，如果固定某一槽高度h，改变槽的形状(宽度)，使得截面2的横截面积大于截面1处的横截面积，使得槽形从进口到出口成为渐扩的形状，压气机喘振端的性能得到改善。

进一步的，而如果固定某一高度h，改变槽的形状，使得截面2的横截面积等于截面1处的横截面积，扩压器的喘振和堵塞范围也有一定的拓展。

进一步的，而如果固定某一高度h，改变槽的形状，使截面2的横截面积小于截面1处的横截面积，使得槽形从进口到出口成为渐缩的形状，则喘振边界和堵塞边界都的得到了拓展，而堵塞(大流量)端的改善更加明显，并且保持了很高的气动效率。如图22所示，相同质量流量的情况下，截面积从进口到出口逐渐减小时，气动效率最高，因此，槽形从进口到出口为渐缩的形状是最佳的形状。

如图23所示，不同弧长对应的质量流量起始点不同，即工作范围不同，其中槽的宽度在其入口周向弧长的5％-20％时，气动效率较高，且工作范围明显更宽，即起始点对应的质量流量更小，所以，槽的最佳宽度在其入口周向弧长的5％-20％。

进一步的，而如果固定槽的宽度而改变槽的深度，使截面2的横截面积小于截面1处的横截面积，如图5所示，也能产生类似槽的宽度改变的效果，但效果要略差一点。

进一步的，当槽深处于较浅的高度时，对于拓展离心压气机的喘振和堵塞边界的效果很小；随着高度适当的增加，对于拓展离心压气机的喘振和堵塞产生了显著的效果；如果槽深继续增加，则对于拓展压气机的喘振和堵塞边界的效果减小，而且效率降低，如图20所示，随质量流量增大，得出最佳的槽深为4-10％叶片的高度。

根据以上方法确定开槽的较佳进口位置，以及确定角度和宽度的各自的影响，之后将各个因素进行叠加，从而达到理想的开槽效果。

本实施例中的槽缝适用于多种形状的叶片，如机翼型、楔形、直线型或者其他类型。

本发明公开的扩压器，可以直接加工现有的扩压器，即对现有扩压器的叶片进行加工、去除叶片的一部分材料，形成槽缝结构，不改变现有离心压气机的零件数量与安装方式。

槽缝6可以设置在轮毂端也可以设置在轮缘端，而为了方便说明，本申请提供的一个实施例中将槽缝6设置在轮毂的一端。另外，在开设槽缝6时，可以选择在每个叶片上均设置槽缝6,而仅在部分叶片设置槽缝6的方式仍可以起到离心压气机的拓稳效果。这时槽缝的具体位置与数量以实际需求为准。在轮毂端开槽和在轮缘侧开槽的气动效率比较如图18所示，两种情况下，压比比较如图19所示。

本发明公开的扩压器，在扩压叶片表面设置槽缝，连接叶片的压力面和吸力面。轮毂端和轮缘端开槽均显著降低了压气机的喘振流量，拓宽了运行范围；轮毂端开槽也提高了压气机的效率。

本实施例中，槽缝与叶片的倾斜方向相同，槽缝的中心线与叶片之间的夹角为5°-20°。如图21所示，此夹角范围内，效率明显较高，尤其在质量流量较大时，3°与30°夹角对应效率下降明显较快。因此，槽缝的中心线与叶片之间的夹角为5°-20°为较佳的选择。

槽缝的开口设于叶片弦长的25％-45％处，如图24所示，开口设于弦长的25％-45％之间，压气机效率更高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。