专利名称：一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，用于改善压气机 导叶与下游转轮之间气流角匹配特性，达到大幅拓宽压气机流量范围且改善压气机工况适 应性的目的。属于流体机械领域。
背景技术：
叶片式压气机是用于实现气体增压的装置，广泛应用于航空、航天、汽车、化工、电 力行业。其核心部件为可高速转动的叶片式叶轮，可分为轴流式、径流式及混流式。在一定 的高转速运转条件下，可通过压气机的最大气体质量流量称为堵塞流量；随着压比的提高， 通过压气机的气体质量流量逐渐减小，进入压气机叶轮的气流攻角会逐渐增大，引起叶轮 内部出现明显的流动分离和攻角损失。当通过压气机的气体流量减小到一定程度时，压气 机叶轮内部会形成大尺度流动分离或轴向回流，引起压气机工作不稳定，继而导致压气机 喘振，此时对应的通过压气机的气体质量流量称为喘振流量。堵塞流量和喘振流量的差称 为压气机在某一固定转速下的流量范围。流量范围是压气机的一个重要性能指标，反映压 气机适应变工况的能力，流量范围越宽，意味着压气机具有更好的工况适应性能。为拓宽压 气机的流量范围，目前最常用的方法是在压气机叶轮前安置可动态调节的导叶装置，可根 据压气机的实际工况调节导叶角度，从而对进入叶轮前的气流进行预旋并调节气流进入叶 轮时的攻角以达到拓宽流量范围的目的。对于目前所采用的可调导叶方法，尽管可在一定程度上实现攻角匹配和流量范围 拓宽的目的，但是并不能达到理想的气流预旋效果。这是因为压气机变工况时(如转速发 生变化)，叶片根部至顶部由于线速度的不同而导致气流所产生的攻角也不同。而目前所采 用的可调导叶叶片为整体刚性结构，在进行旋转调节以适应压气机变工况特性时，即导叶 改变气流角的幅度从根部到顶部基本相同。这就导致气流在进入叶轮时沿叶高方向无法同 时实现整体最佳攻角状态，从而仍然无法避免或延迟叶轮内部部分区域的分离流动，因而 对流量范围的扩展能力无法发挥至最佳状态。因而开发一种能沿叶高方向对气流进行非等 变角旋流控制的导叶装置对于进一步提升压气机性能具有重要意义。经国内外文献检索，未发现可用于实现叶轮进口气流在压气机变工况时可沿叶高 方向进行非等变角控制的导流装置。
发明内容
本发明提供一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，可以有效的解决 常规气流预旋无法同时兼顾叶根和叶尖的气流攻角问题，实现气流攻角沿径向的同步控 制，获得极佳的扩稳效果。一种叶片式压气机的微分导叶切片，微分导叶切片为整体片状结构，微分导叶 切片上的叶片沿中心轴周向有4 10片沿周向均勻分布或非均勻分布，叶片的厚度为 0. 5mm 5mm，在其中的一片或多片叶片根部正中加工有贯通的弹片槽，弹片槽宽度不大于
31mm，用于安装弹片。可调导叶装置包括导叶支架、微分导叶切片、弹片、旋转杆和旋转环，外围设备为 压气机机匣；其中导叶支架包括固定导叶、进气套管、导流锥和支架中心轴，进气套管尾部 外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽，固定导叶、导流锥、支架中心轴以及进气套管为一 次加工成型或独立加工后进行固定连接，固定导叶沿支架中心轴周向有4 10片沿周向均 勻分布或非均勻分布，导流锥位于支架中心轴前端；其连接关系为弹片固定在支架上，依 次将微分导叶切片逐一穿过弹片槽并固定在导叶支架的中心轴上，将最后一片切片的旋转 杆通过旋转杆推入槽推入限位槽中，在进气套管上对应位置套入旋转环，将进气进气套管 与压气机机匣套接，完成可调导叶装置的安装。固定导叶的等叶高截面形状可为等厚度板状或翼型前部形状，为翼型前部形状时 叶片后端厚度应为翼型叶片的最大厚度，支架中心轴的半径尺寸范围为2mm和三分之一固 定导叶直径之间；旋转杆长度大于微分叶片长度与进气套管厚度之和，其它参数与单个微 分导叶切片相同；弹片为厚度小于Imm的高弹性材料薄片，其宽度应小于单个微分导叶切 片上的弹片槽宽度，长度应大于所有微分导叶切片和旋转杆切片叠加后的总轴向长度5 IOmm0工作过程转动旋转环时，旋转杆同步转动，牵引弹片变形从而同时带动导叶切片 绕支架中心轴旋转实现导叶变形，其几何角变化近似等同于弹片的几何角变化。由于弹片 为单端固定结构，因此距离旋转杆越近的微分导叶切片周向旋转角越大，从而实现导叶几 何角沿轴向的平滑过渡；同时由于每一片微分导叶切片都绕中心轴旋转，微分导叶切片半 径越大的区域周向转角越大，而越接近支架中心轴处则周向转角越小，从而实现了导叶几 何角沿叶高方向的非等角变化控制。此外，通过改变弹片的径向位置，还可以调节旋转环的 最大允许转动角从而调节微分导叶切片的几何角调节范围。工作原理根据压气机内部流动的三维流动分析发现，压气机叶轮进口的气流攻 角沿叶高方向上的变化近似成线性递增的规律，基于此规律和扩稳的要求，通过旋转环和 旋转杆连动实现叶片在轴向和径向两个自由度方向上的灵活调整，并维持导叶出口几何角 沿径向的的线性变化，且变化幅度可以随意控制。采用这种方法，可以有效的解决常规气流 预旋无法同时兼顾叶根和叶尖的气流攻角问题，实现气流攻角沿径向的同步控制，获得极 佳的扩稳效果。有益效果本发明采用微分式叶片结构，实现了导叶沿叶高方向上的几何角非等 角变化，获得了压气机叶轮全工况条件下的攻角匹配方法，填补了国内外压气机在进口可 调预旋全叶高气流角匹配控制途径的空白；本发明的微分式叶片及其操纵机构结构简单， 安装方面，成本较低，在对原有压气机性能不造成明显影响的前提下，将压气机的喘振线向 小流量方向大幅推移，显著拓宽了压气机的流量范围，使得压气机的工况适应性得到显著 改善；本发明可以广泛应用于离心、轴流压气机、风扇，尤其适用于车用涡轮增压器压气机； 对于提高压气机的工作稳定性和可靠性具有重要的现实意义，尤其对车用涡轮增压器压气 机的而言，应用价值尤为明显。
图1为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构示意4
图2为一种叶片式压气机的微分导叶切片结构示意3为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构立体结构图(前端)；图4为一种叶片式压气机的可调导叶装置结构立体结构图(后端)。图中1_导叶支架，2-微分导叶切片，3-弹片槽，5-旋转杆，6-进气套管，7-导流 锥，8-支架中心轴，9-限位槽，10-弹片，12-旋转杆推入槽，13-旋转环，14-机匣。
具体实施例方式如图2所示，一种叶片式压气机的微分导叶切片，微分导叶切片2为整体片状结 构，微分导叶切片2上的叶片沿中心轴周向有8片沿周向均勻分布，叶片的厚度为3mm，在其 中两片叶片根部正中加工有贯通的弹片槽3，弹片槽3宽度为0. 9mm，用于安装弹片10。如图1、3、4所示，一种叶片式压气机的可调导叶装置，包括导叶支架1、微分导叶 切片2、弹片10、旋转杆5和旋转环13，外围设备为压气机机匣14 ；其中导叶支架1包括固 定导叶、进气套管6、导流锥7和支架中心轴8，进气套管6尾部外圆周上有定位台阶，内壁 上有限位槽9，固定导叶、导流锥7、支架中心轴以及进气套管为一次加工成型，固定导叶沿 支架中心轴8周向有8片沿周向均勻分布，导流锥7位于支架中心轴8前端，其连接关系 为弹片10固定在导叶支架1上，依次将微分导叶切片2逐一穿过弹片槽3并固定在导叶 支架1的中心轴8上，将最后一片切片的旋转杆5通过旋转杆推入槽12推入限位槽9中， 在进气套管6上对应位置套入旋转环13，将进气进气套管6与压气机机匣14套接，完成可 调导叶装置的安装。操作过程如图1所示，转动旋转环13时，旋转杆5同步转动，牵引弹片10变形从 而同时带动微分导叶切片2绕支架中心轴8旋转实现导叶变形，其几何角变化近似等同于 弹片10的几何角变化。由于弹片10为单端固定结构，因此距离旋转杆5越近的微分导叶 切片2周向旋转角越大，从而实现导叶几何角沿轴向的平滑过渡；同时由于每一片微分导 叶切片2都绕中心轴8旋转，微分导叶切片2半径越大的区域周向转角越大，而越接近支架 中心轴8处则周向转角越小，从而实现了导叶几何角沿叶高方向的非等角变化控制。此外， 通过改变弹片10的径向位置，还可以调节旋转环13的最大允许转动角从而调节微分导叶 切片2的几何角调节范围。
权利要求
一种叶片式压气机的微分导叶切片，其特征在于，微分导叶切片(2)为整体片状结构，微分导叶切片(2)上的叶片沿中心轴周向有4～10片沿周向均匀分布或非均匀分布，其中一片或两片以上的叶片根部正中加工有贯通的弹片槽(3)，用于安装弹片(10)。
2.如权利要求1所述的一种叶片式压气机的微分导叶切片，其特征在于，微分导叶切 片(2)上的叶片的厚度为0. 5mm 5mm，弹片槽宽度不大于1mm。
3.一种叶片式压气机的可调导叶装置，包括导叶支架(1)、微分导叶切片(2)、弹片 (10)、旋转杆(5)和旋转环(13)，外围设备为压气机机匣(14)；其特征在于，导叶支架(1) 包括固定导叶、进气套管(6)、导流锥(7)和支架中心轴(8)，进气套管(6)尾部外圆周上有 定位台阶，内壁上有限位槽(9)，固定导叶、导流锥(7)、支架中心轴(8)以及进气套管(6) 为一次加工成型或独立加工后进行固定连接，导流锥(7)位于支架中心轴(8)前端，其连接 关系为弹片(10)固定在导叶支架⑴上，依次将微分导叶切片⑵逐一穿过弹片槽⑶ 并固定在导叶支架(1)的中心轴(8)上，将最后一片切片的旋转杆(5)通过旋转杆推入槽 (12)推入限位槽(9)中，在进气套管(6)上对应位置套入旋转环(13)，将进气进气套管(6) 与压气机机匣(14)套接。
4.如权利要求3所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，固定导叶沿 支架中心轴(8)周向有4 10片沿周向均勻分布或非均勻分布。
5.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，固定导叶 的等叶高截面形状可为等厚度板状或翼型前部形状，为翼型前部形状时叶片后端厚度为翼 型叶片的最大厚度。
6.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，支架中心 轴(8)的半径尺寸范围为2mm和三分之一固定导叶直径之间。
7.如权利要求3或4所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，旋转杆 长度大于微分导叶切片(2)长度与进气套管(6)厚度之和，其它参数与单个微分导叶切片 (2)相同。
8.如权利要求3所述的一种叶片式压气机的可调导叶装置，其特征在于，弹片(10)为 厚度小于Imm的高弹性材料薄片，其宽度小于单个微分导叶切片(2)上的弹片槽(3)宽度， 长度大于所有微分导叶切片(2)和旋转杆(5)切片叠加后的总轴向长度5 10mm。
全文摘要
本发明涉及一种叶片式压气机的微分导叶切片及可调导叶装置，属于流体机械领域。微分导叶切片为整体片状结构，微分叶片数目与分布规律与导叶支架结构中的固定导叶相同，在其中的一支或多支微分叶片根部正中加工有贯通的弹片槽，可调导叶装置包括导叶支架、微分导叶切片、弹片和旋转环，其中导叶支架中的固定导叶、套筒、导流锥和支架中心轴一次加工成型，套筒尾部外圆周上有定位台阶，内壁上有限位槽，弹片固定在导叶支架上，微分导叶切片逐一穿过弹片槽并固定在导叶支架的中心轴上，旋转杆通过旋转杆推入槽推入限位槽中并套入旋转环；本发明实现了导叶沿叶高方向上的几何角非等角变化，获得了压气机叶轮全工况条件下的攻角匹配方法。
文档编号F04D29/32GK101975190SQ20101050331
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者张弦, 祁明旭, 马朝臣 申请人:北京理工大学