一种基于分形叶片的扩压器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于分形叶片的扩压器，包括上盖板、下盖板和分形叶片组，分形叶片组夹设于上盖板和下盖板之间，上盖板、下盖板与分形叶片组之间形成气流通道，气流经气体通道后压力增大；本发明的多级分形叶片可以抑制流动分离、减小流动阻塞和流动损失、增大扩压器的扩压能力和效率，有利于提高整机效率、减小整机尺寸、提高推重比/功重比；便于加工，制作成本低；可以直接安装到离心压气机的扩压段上，便于实现压气机的改造升级。
【专利说明】
一种基于分形叶片的扩压器
技术领域
[0001]本发明涉及气体压缩装置技术领域，尤其涉及一种基于分形叶片的扩压器，其特别适用于各种带有离心式气体压缩机的装置，如航空燃气轮机、发电燃气轮机、空调压缩机等。
【背景技术】
[0002]离心压气机是大多数小型燃气轮机和涡轴发动机中的重要部件，由叶轮和扩压器组成。扩压器的作用在于不仅将离心叶轮旋转施加给气流能量中的动能转化为压力势能，还需要将离心叶轮流出的带径向和切向速度的高速气流通过叶片尽量扭转成纯轴向气流，供给燃烧室进行燃烧。扩压器性能直接影响到压气机级与燃烧室的工作状态，进而对整机性能影响较大，而且扩压器产生的流动损失约占离心压气机级损失的30%，对离心压气机的效率、压比和稳定运行工况范围有着重要影响。
[0003]离心压气机用扩压器一般可分为无叶扩压器、有叶扩压器和管式扩压器。如今在航空发动机中获得广泛应用的扩压器主要是叶片式扩压器和管式扩压器。无叶扩压器结构简单，工作范围宽，但气流基本沿等角螺旋线流动，流程长，损失大。常在压比较小，效率要求不高，径向尺寸限制较小，叶轮出口气流角(相对切向)较大的离心压气机中采用。管式扩压器是由沿周向均布的一系列扩压管道构成，相邻的两个管式扩压器通道在进口部分相贯，在扩压器进口轮盘和轮盖侧形成燕尾形前缘，相比于传统的叶片式扩压器，管式扩压器燕尾形前缘对于高马赫数的气流适应性较好，能够有效提高高压比离心的效率和稳定工作裕度，十分适合高压比离心压气机。然而管式扩压器存在加工难度大、成本高，同时加工精度难于保证等问题。
[0004]叶片式扩压器不但可以通过半径增加减速扩压，同时叶片可使气流按一定的角度偏转，使流通面积可进一步加大以提高扩压能力，其效率也比较高。与无叶扩压器相比较，同样尺寸的有叶扩压器扩压能力更强，效率更高。而且叶片扩压器能够有效控制扩压器出口气流角，而这为下游的燃烧室或回流器提供良好的来流环境。现有叶片扩压器缺点是由于有叶片的存在，叶片扩压器中容易在喉部出现阻塞现象，并且在变工况情况下有叶扩压器冲击损失较大，效率下降明显，尤其在大冲角的情况下，流道中容易产生严重的分离，甚至导致喘振的发生。而在小流量情况下，往往在叶片扩压器中首先出现流动严重恶化，从而引起整机的喘振。因此，本领域亟需一种能够兼顾扩压器气动性能和加工成本的扩压器。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于分形叶片的扩压器。
[0007](二)技术方案
[0008]本发明提供了一种基于分形叶片的扩压器，包括:上盖板1、下盖板2和分形叶片组;所述分形叶片组夹设于所述上盖板I和下盖板2之间，所述上盖板1、下盖板2与分形叶片组之间形成气流通道9，气流经所述气体通道9后压力增大。
[0009]优选地，所述分形叶片组包括沿扩压器径向分布的N级分形叶片，其中，下一级分形叶片位于上一级分形叶片的沿扩压器半径增大方向，下一级分形叶片的数量为上一级分形叶片数量的两倍，上一级分形叶片的每个叶片对应下一级分形叶片的两个叶片，下一级分形叶片的所述两个叶片对称设置在上一级分形叶片的叶片两侧。
[0010]优选地，所述扩压器沿周向分为多个扇形的扩压段，所述扩压段的数量与第一级分形叶片的数量相同，对于每一个扩压段，其第η级分形叶片的叶片数量为2"—1。
[0011]优选地，所述N级分形叶片的叶片为直叶片或弯曲叶片。
[0012]优选地，沿扩压器半径增大方向，所述N级分形叶片的叶片长度相同；或者逐级增大;或者逐级减小。
[0013]优选地，沿扩压器半径增大方向，所述N级分形叶片的叶片高度相同；或者逐级增大;或者逐级减小。
[0014]优选地，所述N级分形叶片的叶片具有均一的厚度;或者，具有厚度不均的流线型形状。
[0015]优选地，第一级分形叶片的叶片进口端为燕尾形、锯齿形、圆弧形或多圆弧形。
[0016]优选地，所述上盖板I和下盖板2为环形板状结构，所述上盖板的内缘与下盖板的内缘之间形成气体进口 3，所述上盖板的外缘与下盖板的外缘之间形成气体出口 4，第一级分形叶片位于气体进口处，第N级分形叶片位于气体出口处。
[0017]优选地，所述扩压器还包括:折转整流通道，所述折转整流通道为环绕扩压器的圆筒状结构，其气体进口沿径向正对扩压器的气体出口 4，所述折转整流通道经90度转向，其气体出口沿轴向延伸。
[0018](三)有益效果
[0019]从上述技术方案可以看出，本发明的基于分形叶片的扩压器具有以下有益效果:
[0020](I)按照分形理论在扩压器沿半径增大方向设置多级分形叶片，可以有效地抑制流动分离、减小流动阻塞和流动损失、增大扩压器的扩压能力和效率，有利于提高整机效率、减小整机尺寸、提高推重比/功重比；
[0021](2)在半径方向的增大叶片数目按照2"—1的规律逐渐增多，下一级分形叶片对称布置在上一级分形叶片的两侧，有利于进一步增大扩压器的扩压能力、抑制流动分离和减小流动损失，进一步提高了扩压器的扩压效率；
[0022](3)分形叶片可以为直叶片，便于加工，制作成本低;也可以为弯曲叶片，以保证所需要的进气角度和出气角度；
[0023](4)分形叶片可以具有均一的厚度，便于加工制造;也可以是厚度不均的流线型形状，可以进一步减小流动损失；
[0024](5)可以在不改变原有离心压气机结构的基础上，将本发明的扩压器直接安装到离心压气机的扩压段上，便于实现压气机的改造升级；
[0025](6)第一级分形叶片的进口端可以为燕尾形等形状，可以进一步增强扩压器的扩压效果；
[0026](7)扩压器还可以包括折转整流通道和整流隔板，以引导气体流向，进一步提高压气机的效率。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例的基于分形叶片的扩压器的结构示意图；
[0028]图2为图1所示扩压器略去上盖板和下盖板的一个扩压段的俯视图；
[0029]图3为图1所示扩压器带有上盖板和下盖板的一个扩压段的三维视图；
[0030]图4为第一级分形叶片的进口端为燕尾形的示意图。
[0031]【符号说明】
[0032]1-上盖板；2-下盖板；3-气体进口；
[0033]4-气体出口 ；5-第一级分形叶片；6-第二级分形叶片；
[0034]7-第三级分形叶片；8_第四级分形叶片；9-气流通道；
[0035]10-第一级分形叶片的进口端。
【具体实施方式】
[0036]本发明提供了一种基于分形叶片的扩压器，分形是对自相似图形和结构的总称，是自然界中蕴含的普适规律，本发明利用分形理论设计扩压器分形叶片的分布方式和数目，能够有效提高扩压器的扩压能力、拓宽扩压器的稳定工作范围、防止流动分离、减小扩压器出口的掺混损失。本发明的扩压器通流面积大、流动阻塞小、流动损失小，有利于提高整机效率、减小整机尺寸、提高推重比/功重比，可以在不改变原有离心压气机结构的基础上，直接替换原来的离心压气机扩压段，便于实现装置的改造升级。
[0037]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0038]如图1-4所示，本发明实施例的基于分形叶片的扩压器，其包括上盖板1、下盖板2和分形叶片组，上盖板I和下盖板2为环形板状结构，上盖板的内缘与下盖板的内缘之间形成气体进口 3，上盖板的外缘与下盖板的外缘之间形成气体出口4，分形叶片组夹设于上盖板I和下盖板2之间，上盖板I和下盖板2与分形叶片组之间形成气流通道9，气流通道9沿扩压器半径增大方向为扩张形，也可以保持不变，气流由气体进口 3进入扩压器，经气体通道9后压力增大并由气体出口 4流出。
[0039]如图所示，本实施例的分形叶片组包括沿扩压器径向分布的四级分形叶片:第一级分形叶片5、第二级分形叶片6、第三级分形叶片7和第四级分形叶片8，第一级分形叶片5位于气体进口 3处，第四级分形叶片8位于气体出口 4处，下一级分形叶片位于上一级分形叶片的沿扩压器半径增大方向(即由气体进口3至气体出口4方向或者下游方向)，每一级分形叶片沿周向排列且整体呈环形，下一级分形叶片的数量为上一级分形叶片数量的两倍，上一级分形叶片的每个叶片对应下一级分形叶片的两个叶片，下一级分形叶片的所述两个叶片对称布置在上一级分形叶片的该叶片的两侧。
[0040]扩压器沿周向可以分为多个扇形的扩压段，扩压段的数量与第一级分形叶片的数量相同，对于每一个扩压段来说，其包括I片第一级分形叶片5、2片第二级分形叶片6、4片第三级分形叶片7和8片第四级分形叶片8，即对于每一扩压段来说，第η级分形叶片的数目为2η-、
[0041]本发明实施例的基于分形叶片的扩压器，按照分形理论在扩压器沿半径增大方向设计多级分形叶片，可以抑制流动分离、减小流动阻塞和流动损失，增大扩压器的扩压能力和效率。具体来说，对于径向流动的扩压器来说，随着半径的增大，通流面积也逐渐增大，也就是说气体的扩压程度随着半径的增大逐渐增大，在这种情况下，如果不采取措施，仍保持叶片数目和厚度不变，将发生流动分离，增大流动损失、降低扩压能力，而本发明的基于分形叶片的扩压器的巧妙之处在于，按照分形规律，一方面随着半径方向的增大叶片数目按照2"—1的分布规律逐渐增多；另一方面，下一级分形叶片对称布置在上一级分形叶片的两侦U，分形叶片的这两种分布形态均有利于增大扩压器的扩压能力、抑制流动分离和减小流动损失，提高了扩压器的扩压效率。
[0042]在本实施例中，分形叶片可以为直叶片，直叶片便于加工、制作成本低;也可以为弯曲叶片，弯曲叶片同时匹配进气角和出气角，以保证所需要的进气角度和出气角度。各级分形叶片的长度可以相同，也可以不同，优选沿扩压器半径增大方向，分形叶片的长度逐级增大。各级分形叶片的高度可以相同，也可以不同，优选各级分形叶片的高度相同。对于每一片分形叶片，其可以具有均一的厚度，这样可以便于加工，也可以具有厚度不均的流线型形状，这样可以进一步减小流动损失。
[0043 ]优选地，如图4所示，可以对第一级分形叶片的进口端1进行修形，进口端可以为燕尾形，可以进一步增强扩压器的扩压效果。进一步地，该进口端还可以是锯齿形、圆弧形、多圆弧形。
[0044]本实施例的扩压器工作时，叶轮流出的气体由气体进口进入气流通道，并经气体出口流出扩压器，扩压器的气流通道引导气体流动方向，实现气体的减速扩压，可以在不改变原有离心压气机结构的基础上，直接安装到离心压气机的扩压段上，便于实现压气机的改造升级。
[0045]在本发明的其他实施例中，该扩压器还包括折转整流通道，折转整流通道为环绕扩压器的圆筒状结构，其气体进口沿径向正对扩压器的气体出口 4，折转整流通道经90度转向，其气体出口沿轴向，将气体流向转至下一级扩压器或燃烧室的气体进口方向。更进一步地，折转整流通道中布置有整流隔板，整流隔板可引导气体流向，进一步提高压气机的效率。
[0046]可以理解，虽然本实施例的扩压器包括四级分形叶片，但这只是示例性的说明，本发明并不限于此，基于扩压器尺寸和扩压效果等因素的考虑，扩压器的分形叶片组可以具有N级分形叶片，KN<100，其中第一级分形叶片的数量可以为3-100片，均不影响本发明技术效果的实现且落入本发明的保护范围。
[0047]至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的基于分形叶片的扩压器有了清楚的认识。
[0048]需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如:
[0049](I)分形叶片还可以选用其他结构；
[0050](2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
[0051](3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0052]综上所述，本发明的基于分形叶片的扩压器可用于航空、发电、化工、冶金、暖通空调的压缩机，是一种扩压能力大、稳定工作范围宽、流动损失小、结构简单紧凑、便于加工和制造的扩压器。
[0053]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于分形叶片的扩压器，其特征在于，包括:上盖板(I)、下盖板(2)和分形叶片组;所述分形叶片组夹设于所述上盖板(I)和下盖板(2)之间，所述上盖板(1)、下盖板(2)与分形叶片组之间形成气流通道(9)，气流经所述气体通道(9)后压力增大。2.如权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述分形叶片组包括沿扩压器径向分布的N级分形叶片，其中，下一级分形叶片位于上一级分形叶片的沿扩压器半径增大方向，下一级分形叶片的数量为上一级分形叶片数量的两倍，上一级分形叶片的每个叶片对应下一级分形叶片的两个叶片，下一级分形叶片的所述两个叶片对称设置在上一级分形叶片的叶片两侧。3.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器沿周向分为多个扇形的扩压段，所述扩压段的数量与第一级分形叶片的数量相同，对于每一个扩压段，其第η级分形叶片的叶片数量为2"—1。4.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，所述N级分形叶片的叶片为直叶片或弯曲叶片。5.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，沿扩压器半径增大方向，所述N级分形叶片的叶片长度相同；或者逐级增大;或者逐级减小。6.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，沿扩压器半径增大方向，所述N级分形叶片的叶片高度相同；或者逐级增大;或者逐级减小。7.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，所述N级分形叶片的叶片具有均一的厚度；或者，具有厚度不均的流线型形状。8.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，第一级分形叶片的叶片进口端为燕尾形、锯齿形、圆弧形或多圆弧形。9.如权利要求2所述的扩压器，其特征在于，所述上盖板(I)和下盖板(2)为环形板状结构，所述上盖板的内缘与下盖板的内缘之间形成气体进口(3)，所述上盖板的外缘与下盖板的外缘之间形成气体出口(4)，第一级分形叶片位于气体进口处，第N级分形叶片位于气体出口处。10.如权利要求9所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器还包括:折转整流通道，所述折转整流通道为环绕扩压器的圆筒状结构，其气体进口沿径向正对扩压器的气体出口(4)，所述折转整流通道经90度转向，其气体出口沿轴向延伸。
【文档编号】F04D29/44GK106089807SQ201610487727
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】李钢
【申请人】中国科学院工程热物理研究所