一种扩压器前缘开槽结构

技术领域

本发明涉及涡轮增压器压气机技术领域，尤其涉及一种扩压器前缘开槽结构。

背景技术

离心压气机由于具有单级压比高、工作范围广、结构简单紧凑、零部件少、可靠性高等优点在增压器中得到了广泛的应用。

现有的高性能增压器的需求使得压气机的压比不断提高，然而高压比使得离心叶轮出口气流很不均匀，再加上扩压器入口与离心叶轮出口之间距离很小，两者之间存在强烈的非定常相互作用，离心压气机在近失速工况点运行时，扩压器进口气流角为正攻角，造成其吸力面发生流动分离，从而导致压气机发生失速甚至喘振，且降低了压气机的失速裕度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扩压器前缘开槽结构，旨在解决现有技术中离心压气机在近失速工况点运行时，扩压器进口气流角为正攻角，造成其吸力面发生流动分离，从而导致压气机发生失速甚至喘振，且降低了压气机的失速裕度的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种扩压器前缘开槽结构，包括扩压器和叶轮，所述叶轮与所述扩压器连接，所述叶轮包括主流叶片和分流叶片，所述分流叶片与所述扩压器连接，所述主流叶片与所述分流叶片连接，所述叶轮具有叶片顶部和叶片根部，所述叶片顶部与所述叶片根部之间的距离为H，在所述叶片根部的叶片高度方向进行开槽深度，在所述叶片根部的叶片高度方向进行开槽的深度为H

其中，所述扩压器上具有吸力面和压力面，在所述吸力面沿径向进行开槽，同样在所述压力面沿径向进行开槽。

其中，所述吸力面沿径向进行开槽的长度为Ls，所述压力面沿径向的开槽长度为Lp，且Ls＝1.5Lp，Lc扩压器叶片叶中的弦长。

其中，所述叶轮和所述扩压器通道内结构化网格在Autogrid5中自动生成，开槽部分的网格在IGG中生成结构化网格，并采用完全非匹配的连接方式连接槽和原型扩压器的网格边界。

其中，所述叶轮和所述扩压器R/S面采用冻结转子，所述扩压器和蜗壳的SS面采用完全非匹配连接。

其中，所述叶片根部的叶片高度方向设置的开槽深度H

本发明的一种扩压器前缘开槽结构，针对离心压气机，进行扩压器1开槽设计，所述叶轮和所述扩压器通道内结构化网格在Autogrid5中自动生成，开槽部分的网格在IGG中生成结构话网格，选取的开槽参数为：Ls＝6％Lc、Lp＝9％Lc及Hs＝4％H，本发明开槽参数能够进一步使压气机的性能不降低的同时能提高压气机的失速裕度，失速裕度的定义为：

其中π为总总压比，m为质量流量，下标s为近失速点，下标d为设计点，为了能够准确捕捉黏性流动现象，固壁上的第一层网格高度为0.001mm，以确保Yplus的范围满足所选湍流模型。采用Fine/Turbo软件进行CFD数字仿真，通过Euranus求解器对三维、定常、雷诺平均N-S方程组进行求解，选用Spalart-Allmaras湍流模型进行方程封闭，求解器采用有限体积差分格式，并通过显式4阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，以此方式解决了离心压气机在近失速工况点运行时，扩压器进口气流角为正攻角，造成其吸力面发生流动分离，从而导致压气机发生失速甚至喘振，且降低了压气机的失速裕度的技术问题。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明的叶轮和扩压器子午视图。

图2是本发明的叶片根部的叶片高度方向开槽示意图。

图3是本发明的吸力面和压力面径向开槽示意图。

图4是本发明的效率和总总压比实验值和计算值对比示意图。

图5是本发明的扩压器前缘开槽结构和原型扩压器的效率和压比对比示意图。

1-扩压器、2-主流叶片、3-分流叶片、4-吸力面、5-压力面、6-叶片顶部、7-叶片根部。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图5，图1是本发明的叶轮和扩压器子午视图，图2是本发明的叶片根部的叶片高度方向开槽示意图，图3是本发明的吸力面和压力面径向开槽示意图，图4是本发明的效率和总总压比实验值和计算值对比示意图，图5是本发明的扩压器前缘开槽结构和原型扩压器的效率和压比对比示意图，图中箭头方向为气流流动方向，本发明提供了一种扩压器前缘开槽结构：包括扩压器1和叶轮，所述叶轮与所述扩压器1连接，所述叶轮包括主流叶片2和分流叶片3，所述分流叶片3与所述扩压器1连接，所述主流叶片2与所述分流叶片3连接，所述叶轮具有叶片顶部6和叶片根部7，所述叶片顶部6与所述叶片根部7之间的距离为H，在所述叶片根部7的叶片高度方向进行开槽深度，在所述叶片根部7的叶片高度方向进行开槽的深度为H

所述扩压器上具有吸力面4和压力面5，在所述吸力面4沿径向进行开槽，同样在所述压力面5沿径向进行开槽；

所述吸力面4沿径向进行开槽的长度为Ls，所述压力面5沿径向的开槽长度为Lp，且Ls＝1.5Lp，Lc扩压器1叶片叶中的弦长；

所述叶轮和所述扩压器1通道内结构化网格在Autogrid5中自动生成，开槽部分的网格在IGG中生成结构化网格，并采用完全非匹配的连接方式连接槽和原型扩压器1的网格边界；

所述叶轮和所述扩压器1R/S面采用冻结转子，所述扩压器1和蜗壳的SS面采用完全非匹配连接。

在本实施方式中，针对离心压气机，进行扩压器1开槽设计，所述叶轮和所述扩压器1通道内结构化网格在Autogrid5中自动生成，开槽部分的网格在IGG中生成结构话网格，选取的开槽参数为：Ls＝6％Lc、Lp＝9％Lc及Hs＝4％H，本发明开槽参数能够进一步使压气机的性能不降低的同时能提高压气机的失速裕度，失速裕度的定义为：

其中π为总总压比，m为质量流量，下标s为近失速点，下标d为设计点，为了能够准确捕捉黏性流动现象，固壁上的第一层网格高度为0.001mm，以确保Yplus的范围满足所选湍流模型。采用Fine/Turbo软件进行CFD数字仿真，通过Euranus求解器对三维、定常、雷诺平均N-S方程组进行求解，选用Spalart-Allmaras湍流模型进行方程封闭，求解器采用有限体积差分格式，并通过显式4阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解，以此方式解决了离心压气机在近失速工况点运行时，扩压器1进口气流角为正攻角，造成其吸力面4发生流动分离，从而导致压气机发生失速甚至喘振，且降低了压气机的失速裕度的技术问题。

请参阅图4，针对本发明开槽扩压器1的是否能不降低效率且拓宽工作范围，给出了原型压气机试验结果和数值计算结果的性能曲线对比，其中纵坐标为总压比或等熵效率，横坐标为质量流量，试验和数值计算得到的压气机堵塞流量分别为4.67、4.72kg/s，计算值比实验值低1.1％，其误差是可以接受的。试验和数值计算所得压力、效率特性线在整个流量范围内基本吻合；

请参阅图5，针对原型扩压器1和本发明的所述扩压器前缘开槽结构均性能曲线进行数值计算，并且都计算值喘振点和堵塞点，并进行对比，经过本发明的开槽后，和原型扩压器1相比，在压气机级性能不降低的前提下，失速裕度提高了13.3％。

请参阅下表，为验证不同开槽参数对压气机稳定工作范围的影响，对于开槽参数的选取，选取了不同开槽参数：Hs取2％H、4％H、6％H、8％H四种参数，而Ls选取4％Lc、6％Lc、8％Lc三种，Lp选取6％Lc、9％Lc、12％Lc三种，然后排列组合后共12中方案。

扩压器1开槽参数

进一步地，所述叶片根部7的叶片高度方向设置的开槽深度H

在本实施方式中，开槽长度一定程度上主导泄漏流量，开槽深度主要控制泄漏涡强度，因而相比开槽长度，开槽深度对扩稳效果及级性能影响更加显著。在开槽长度一定时，开槽深度存在一个临界值。小于临界值时，间隙泄漏流可以抑制扩压器1通道内流动分离，开槽处理提升裕度的同时压气机性能不变或略有提升；大于临界值时，开槽处理会急剧恶化压气机性能；

总之，所述扩压器前缘开槽结构扩稳主要借助间隙泄漏流来抑制扩压器1通道内部流动分离，改善流场，从而拓宽离心压气机的稳定工作范围，间隙泄漏流和涡系结构的强弱直接影响扩稳效果及其对级性能的影响，因此扩压器1开槽参数，即开槽长度及深度的选取依据是获得合适强度的间隙泄漏流。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。