专利名称：开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离心式压气机处理机匣，属于叶轮机械技术领域。可用于各种用
途的增压器离心压气机、工业用离心压气机以及航空离心压气机等叶轮机械。
背景技术：
离心式压气机等叶轮式压气机相对于往复式压气机，具有效率高、体积重量轻、运 转平稳等优势，但其工况范围有限。离心式压气机低流量工况下内部流场出现大尺度流动 分离等现象，出现不稳定工作现象、造成失速甚至喘振，直接导致压气机效率和压比急剧下 降，寿命严重縮短，甚至短时间内直接损坏。因此人们采取了很多方法来推迟压气机失速等 不稳定现象的发生，以扩大其稳定工作范围。 目前普遍认为处理机匣是提高压气机稳定工作范围的有效方法。但是传统的处理 机匣结构一般为轴对称结构。而当压气机处于非设计工况时，由于离心压气机涡壳的轴向 非对称性导致了叶轮出口流动的周向畸变，从而影响上游的流动参数，导致压气机叶轮及 无叶扩压器内部的周向流动参数呈现非轴对称性。传统的轴对称处理机匣结构无法考虑压 气机内部流场的非轴对称的特点，因此无法使处理机匣实现全周向上的最优扩稳效果。因 此需要采用非轴对称的自循环处理机匣，以实现在全周向上的最优扩稳效果。
如图1所示，非轴对称的自循环处理机匣一般包含抽吸环槽1、导流环槽2和回流 环槽3，其主要结构参数有抽吸环槽相对于主叶片前缘4位置Sr，抽吸环槽宽度br，气体回 流引入位置Sf，气体回流引入宽度bf，旁通高度hb，旁通宽度bb等。研究表明，抽吸环槽宽
度b对扩稳效果有较大的影响。因此设计合适的周向抽吸环槽宽度b分布，是非轴对称自
循环处理机匣结构实现最优扩稳效果的关键。
发明内容
本发明目的在于，通过设计一种非对称自循环处理机匣结构的抽吸环槽宽度br值
在圆周方向上的周向分布，以优化非对称自循环处理机匣对离心压气机的扩稳效果。 本发明的技术方案如下 开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，含有压气机涡壳，在 压气机涡壳壁面上设有抽吸环槽、导流环槽和导流环槽，所述的抽吸环槽、导流环槽和回流 环槽形成自循环通道，其特征在于所述的抽吸环槽的宽度br在圆周方向上为正弦分布，即 br = Asin( a + e 0)+A0， 其中A。为抽吸环槽平均宽度，根据离心压气机的叶轮直径D确定A。的取值 范围为0.01《|A。/D| < 0. 1 ;A为分布的幅度，O. 1 < |A/A。| < 0. 35 ; e。为初始角 度，取值范围为0。《e。《36(T ;a为机匣周向角度，为公式的自变量，其定义域为 e o《a《e 0+360° ; 上述技术方案中，所述的压气机涡壳由外壳和内嵌套组成，所述的抽吸环槽设置 在内嵌套的壁面上，所述的外壳的内壁面和内嵌套的外壁面形成所述的导流环槽和回流环槽。 本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果采用本发明所提出的开槽 宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，相比于开槽宽度在圆周方向上一致 的轴对称自循环处理机匣可以较大地提高离心式压气机的稳定工作范围，同时维持效率基 本不变。
图l是自循环通道示意图。
图2是外壳结构示意图。
图3是内嵌套结构示意图。
图4是压气机涡壳示意图。 图5是所设计抽吸环槽形式对应不同初始角度9 。的b值在圆周方向上分布示意 图。 图6是内嵌套上抽吸环槽示意图。
图7是实例中初始角度e。位置示意图。 图8a和图8b是采用开槽宽度为正弦分布的非对称自循环处理机匣与采用轴对称 自循环处理机匣以及无机匣处理时的压气机性能对比图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理、结构和工作过程作进一步的说明。 开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，含有压气机涡壳，在
压气机涡壳壁面上设有抽吸环槽1、导流环槽2和导流环槽3，所述的抽吸环槽、导流环槽和
回流环槽形成自循环通道，其特征在于所述的抽吸环槽的宽度br在圆周方向上为正弦分
布，艮卩br = Asin ( a + e o) +A0， 其中A。为抽吸环槽平均宽度，根据离心压气机的叶轮直径D确定A。的取值 范围为0.01《|A。/D| < 0. 1 ;A为分布的幅度，O. 1 < |A/A。| < 0. 35 ; e。为初始角 度，取值范围为0。《e。《36(T ;a为机匣周向角度，为公式的自变量，其定义域为 e o《a《e 0+360° ; 所述的压气机涡壳由外壳5和内嵌套6组成，所述的抽吸环槽1设置在内嵌套6 的壁面上，所述的外壳的内壁面和内嵌套的外壁面形成所述的导流环槽2和回流环槽3。
图2是外壳5的结构示意图。图3是内嵌套6的结构示意图。外壳和内嵌套组合 成压气机涡壳，如图4所示。 固定外壳5，并旋转内嵌套6，使二者装配的相对位置发生改变，可以得到不同初 始角度e。的抽吸环槽宽度br值在圆周方向上的正弦分布。所述的外壳和内嵌套通过螺钉 7连接组成，在外壳上周向上均布n个螺钉孔，即可得到对应于n个不同初始角度9 。的分 布曲线，通过压气机性能试验确定最优的初始相位e。。例如，图2中外壳5上共开有4个 螺钉孔，因此可以得到四种不同的抽吸环槽宽度br值在圆周方向上的正弦分布，如图5所 示。 图6是内嵌套6上抽吸环槽1的示意图。根据几何证明可知，所设计的宽度按正弦分布的抽吸环槽的上、下边缘均为平面，如图6中虚线所示。这个特性使得所设计的抽吸
环槽容易加工和进行调整绕轴心改变该直线的倾斜度时即改变置br分布的振幅A;当上
下平移该直线，即对应不同的抽吸环槽宽度b分布的抽吸环槽平均宽度A。。
在离心压气机工作过程中，小流量工况时，自循环通道内空气由抽吸环槽l，经过 导流环槽2和回流环槽3流出。具体工作过程和原理为自循环处理机匣抽吸环槽1抽吸开 槽位置处叶尖区域的气体，经导流环槽2，由回流环槽3射出。抽吸环槽1对开槽位置处叶 尖区域气体的抽吸作用造成叶尖间隙泄漏涡被抽吸环槽1吸取，泄漏流动的通道被阻断； 回流射入压气机入口 ，由于环槽内流动的相通，实现了压气机入口的流动均匀性，消除通道 激波；回流增大了入口流量，使叶片入口正攻角减小，同时抽吸环槽l的抽吸作用减弱了压 气机喉口的背压，逆压梯度减小，有效抑制了叶片表面边界层的分离。使用圆周方向上正弦 分布的抽吸环槽开槽宽度，使得在圆周方向上相应的开槽处回流效果更好，从而更有效地 利用回流的作用，使得压气机的稳定工作范围扩大。 在近堵塞工况，自循环通道内空气经回流环槽3、导流环槽2，从抽吸环槽1射出。 回流环槽3使入口周向上流动相通，从而使压气机入口流动均匀性增加，削弱了入口激波； 抽吸环槽1的射流使流通能力增强，从而拓展了堵塞边界。但是，由于近堵塞工况抽吸动力 不足，故该机匣处理对堵塞边界的扩展没有对失速边界的扩展明显。 以下为针对某一具体尺寸的离心压气机，采用开槽宽度为正弦分布的离心压气机 非对称自循环处理机匣以提高稳定工作范围的实例。 该压气机非对称自循环处理机匣br值分布为br = sin (a +180° )+4. 5，初始相 位点e。=180° ，其位置如图7所示。 图8a和图8b为该离心压气机采用本发明开槽宽度为正弦分布的非对称自循环处 理机匣与采用开槽宽度在圆周方向上一致的轴对称的自循环处理机匣，以及无机匣处理的 压气机性能对比图。 通过性能对比，可知采用本发明开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环 处理机匣相对于无机匣处理，以及采用开槽宽度在圆周方向上一致的离心压气机轴对称自 循环处理机匣可较大地提高压气机的稳定工作范围，同时维持效率基本不变。
权利要求
开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，含有压气机涡壳，在压气机涡壳壁面上设有抽吸环槽(1)、导流环槽(2)和导流环槽(3)，所述的抽吸环槽、导流环槽和回流环槽形成自循环通道，其特征在于所述的抽吸环槽的宽度br在圆周方向上为正弦分布，即br＝Asin(α+θ0)+A0，其中A0为抽吸环槽平均宽度，根据离心压气机的叶轮直径D确定A0的取值范围为0.01≤|A0/D|＜0.1；A为分布的幅度，0.1＜|A/A0|＜0.35；θ0为初始角度，取值范围为0°≤θ0≤360°；α为机匣周向角度，为公式的自变量，其定义域为θ0≤α≤θ0+360°。
2. 按照权利要求1所述的开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣， 其特征在于所述的压气机涡壳由外壳(5)和内嵌套(6)组成，所述的抽吸环槽(1)设置在 内嵌套(6)的壁面上，所述的外壳的内壁面和内嵌套的外壁面形成所述的导流环槽(2)和 回流环槽(3)。
全文摘要
开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，涉及一种离心式压气机处理机匣，属于叶轮机械技术领域。通过在压气机涡壳壁面上设置抽吸环槽、回流环槽和导流环槽，形成自循环通道，并使抽吸环槽的宽度br在圆周方向上为正弦分布，以优化非对称自循环处理机匣对离心压气机的扩稳效果。采用本发明所提出的开槽宽度为正弦分布的离心压气机非对称自循环处理机匣，相比于开槽宽度在圆周方向上一致的轴对称自循环处理机匣可以较大地提高离心式压气机的稳定工作范围，同时维持效率基本不变；此外，该非对称自循环处理机匣结构容易加工。
文档编号F04D29/42GK101737360SQ20101011028
公开日2010年6月16日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者张扬军, 杨名洋, 林韵, 玉木秀明, 郑新前, 马场隆弘 申请人:清华大学;株式会社Ihi