可调式自循环喷气扩稳结构及具有扩稳结构的离心压气机

技术领域

本发明涉及离心压气机技术领域，尤其涉及一种用于离心压气机叶片扩压器的可调式自循环喷气扩稳结构以及具有该扩稳结构的离心压气机。

背景技术

应用于离心压气机中的扩压器主要分为叶片扩压器和无叶扩压器。图1为具有叶片扩压器的离心压气机内部结构。该离心压气机包括叶轮、叶片扩压器还有蜗壳(未示出)，叶轮出口连接叶片扩压器，叶片扩压器中设有叶片(图1中外圈的叶片)。本发明即是针对这种叶片扩压器进行流动控制与扩稳设计。

离心压气机工作时，叶轮首先对气体做功，使得气体的速度、压力等增大；然后在叶片扩压器中，气体速度减小，静压变大，气体的一部分动能转化为压力能，从而使得气体流出叶轮以后压力进一步变大，提高整个离心压气机的压比。通常运行流量远小于设计流量导致扩压器内出现旋转失速的现象，造成流体振荡；运行流量远大于设计流量导致扩压器叶片喉部出现堵塞，这均会限制离心压气机的稳定运行范围。

对流场施加射流是最主要的失速主动控制方法，且为有源控制，旨在通过合成射流的冲击效果改变流场内的流动堵塞，或者抑制流动分离，从而实现推迟失速发生的效果。然而，通过主动有源控制方法需要外加射流结构，且无法同时兼顾堵塞和失速两个方向。本发明旨在设计一种结构简单，且能够有效兼顾堵塞和失速两个方向的自循环喷气扩稳结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于离心压气机叶片扩压器的可调式自循环喷气扩稳结构，能够改变叶片扩压器流场内的流动堵塞和流动分离，改善扩压器内流动状况，提高离心压气机的稳定工作范围，且结构简单。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于离心压气机叶片扩压器的可调式自循环喷气扩稳结构，包括：设置在叶片扩压器轮缘外侧的自循环腔体，自循环腔体与叶片扩压器流道通过开设的喷气孔连通；喷气孔三个为一组，按照与离心压气机轴线的距离从近到远命名为H1、H2和H3；每一组喷气孔对应一个扩压器叶片，该组中的三个喷气孔H1、H2和H3的径向分布区域位于扩压器叶片所占据的径向区域范围内；其中，喷气孔H1位于扩压器叶片前缘靠近吸力面侧，喷气孔H2和H3均位于叶片扩压器喉部位置之后，且喷气孔H2靠近喉部，喷气孔H3靠近扩压器叶片尾缘；

所述自循环腔体内设有可调节的遮挡部件；在堵塞工况时，控制所述遮挡部件使得喷气孔H1和喷气孔H2开通而喷气孔H3被堵住；在失速工况时，控制所述调节遮挡使得喷气孔H1和喷气孔H3开通而喷气孔H2被堵住。

优选地，不同喷气孔组中，喷气孔H1的径向位置相同，喷气孔H2的径向位置相同，喷气孔H3的径向位置相同。

优选地，喷气孔H1、H2、H3的径向位置分别位于1.02R

优选地，所述喷气孔布局为：一组喷气孔H1、H2、H3沿同一径向方向布置，或者一组喷气孔H1、H2、H3沿叶片扩压器的同一叶片流向方向布置。

优选地，喷气孔组数与扩压器叶片数相同。

优选地，所述喷气孔H1与扩压器叶片前缘周向距离所对应的角度在0°到360°/2n的范围内，n为扩压器叶片数目。

优选地，所述喷气孔直径范围为0.5mm-1.5mm；所述喷气孔的流量在堵塞工况为所述叶片扩压器总流量的4％-6％，在失速工况为所述叶片扩压器总流量的2％-4％。

优选地，所述遮挡部件为一可滑动的遮挡滑块；当遮挡滑块滑到第一位置时，遮挡滑块遮挡喷气孔H3，但不遮挡喷气孔H2和H1；当遮挡滑块滑到第二位置时，遮挡滑块释放喷气孔H3，遮挡喷气孔H2，但不遮挡喷气孔H1。

优选地，所述自循环腔体(3)与叶片扩压器共用叶片扩压器轮缘壁面。

本发明还提供了一种具有扩稳结构的离心压气机，在离心压气机的叶片扩压器中设置上述任意一种可调式自循环喷气扩稳结构。

有益效果：

(1)本发明在叶片扩压器轮缘外侧设置自循环腔体，并开设连通自循环腔体和叶片扩压器流道的喷气孔，喷气孔三个为一组，在不同工况时，通过开通不同位置的喷气孔实现局部连通，使得流道内的叶片扩压器流量通过一个喷气孔流入自循环腔体再通过另一个喷气孔流回叶片扩压器，从而产生向流场施加射流的作用。可见，该方法不需要外加射流结构，结构简单，易实现。

(2)本发明三个喷气孔位置的设置配合遮挡关系能够满足失速工况和堵塞工况。而且，本发明一优选实施例还给定了H1、H2、H3的径向位置分别位于1.02R

(3)本发明给出了两种喷气孔布局，而沿同一径向方向布置所有喷气孔组的方式更容易加工，而且对于扩压器叶片数目相等但叶片包角不同的叶片扩压器离心压气机，更具有普适性。

(4)不同喷气孔组中喷气孔H1、H2、H3分别设置在同一径向上，形成三个圆环，以便于加工，并维持原有流场周向分布规律，统一控制射流施加效果。

(5)在一优选实施例中，喷气孔组数与扩压器叶片数相同，避免因同一径向上的喷气射流作用于叶片扩压器流道不同周向位置而引发流场分布周向不均现象，破坏流场周向平衡。

(6)在一优选实施例中，喷气孔H1与叶片前缘周向距离所对应的角度在0°到360°/2n的范围内，对扩压器叶片吸力面侧因流动分离而产生的低能区域进行有效冲击，从而抑制流动分离进行扩稳。

(7)为了兼顾堵塞与失速两种工况，设计了开孔直径和不同工况下的叶片扩压器总流量，从而在失速工况下形成高速射流，在堵塞工况下形成有效分流。

附图说明

图1为离心压气机叶片扩压器的示意图；

图2为具有本发明可调式自循环喷气扩稳结构的离心压气机结构示意图；

图3为可调式自循环喷气扩稳结构的结构示意图；

图4(a)为本发明可调式自循环喷气扩稳结构在堵塞工况下的工作示意图；

图4(b)为本发明可调式自循环喷气扩稳结构在失速工况下的工作示意图；

图5(a)为喷气孔径向分布的示意图；

图5(b)为喷气孔流向分布的示意图；

其中，1-叶轮流道，2-叶片扩压器流道，3-自循环腔体，4-遮挡部件(遮挡滑块)，H1,H2,H3-喷气孔，R

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于离心压气机叶片扩压器的可调式自循环喷气扩稳结构。该方案在叶片扩压器轮缘外侧设置一腔体，并开设连通腔体和叶片扩压器流道的喷气孔，喷气孔三个为一组，在不同工况时，通过开通不同位置的喷气孔实现局部连通，使得流道内的叶片扩压器流量通过一个喷气孔流入腔体再通过另一个喷气孔流回叶片扩压器，从而产生向流场施加射流的作用。由于所设置的腔体内能够实现气流的自循环流动，因此本发明将其称为自循环腔体。可见，该方法不需要外加射流结构，结构简单，易实现，而且通过不同的遮挡关系可以同时兼顾不同工况，下文会具体分析。

参见图2，叶轮流道1出口连接叶片扩压器流道2。在叶片扩压器流道2的轮缘外侧设置自循环腔体3，自循环腔体3与叶片扩压器流道通过开设的喷气孔连通。喷气孔三个为一组，按照与离心压气机轴线的距离从近到远命名为H1、H2和H3。每一组喷气孔对应一个叶片，一组中的三个喷气孔H1、H2和H3的径向分布区域位于叶片所占据的径向范围内。优选地，喷气孔组数与扩压器叶片数相同，以避免因同一径向上喷气射流作用于叶片扩压器流道不同周向位置而引发的流场分布周向不均现象，破坏流场周向平衡，从而实现满足周向平衡条件下最高能力的施加射流。在实际中，若要实现流场周向不均匀控制也可以部分扩压器叶片设置喷气孔组。

喷气孔H1位于扩压器叶片前缘靠近吸力面侧，喷气孔H2和H3均位于叶片扩压器喉部位置之后，且喷气孔H2靠近喉部，喷气孔H3靠近扩压器叶片尾缘。一般来说，为了方便加工，以及统一控制射流施加效果，所有组喷气孔的位置设计相同，即所有喷气孔组中，喷气孔H1的径向位置相同，喷气孔H2的径向位置相同，喷气孔H3的径向位置相同，这些喷气孔组成三个圆环。

在叶片扩压器流道中喉部(R

喷气孔H2的径向位置要根据叶片扩压器通道里静压分布来确定。首先，为了有效分流，H2必须位于喉部位置之后。优选地，由于从喉部开始，叶片扩压器通道内静压逐渐增大，为了防止返流H2处的静压必须小于H1处的静压。根据研究发现，喉部之后，流体静压迅速增大，因此为了保证分流的有效性，喷气孔H2径向位置尽量靠近喉部，推荐R

当压气机流量远小于设计流量时，流出叶轮的流体子午速度减小，绝对速度切向分量增大，导致流入叶片扩压器时攻角增大，产生流动分离，诱发扩压器失速。此时，位于扩压器叶片前缘和尾缘附近的喷气孔H1和H3开始工作，叶片扩压器内高速流体从H3流出，经过自循环腔体由H1流入，形成的高压射流对扩压器叶片前缘分离区域产生冲击效果，抑制流动分离，从而延缓失速，扩大压气机小流量的稳定工作范围，工作示意图如图4(b)所示。在此工况下，要求两个喷气孔压差越大越好，因此堵住喷气孔H2，选择压差较大的H1和H3喷气孔来产生高速射流，达到扩稳效果。

喷气孔H3径向位置的选择范围为R

喷气孔H1径向位置的选择取决于扩压器叶片前缘吸力面侧流动分离区域的范围大小，以冲击流动分离中心位置最佳。根据研究数据R

每组喷气孔(H1，H2，H3)周向位置的选择有两种情况，如图5(a)和图5(b)所示，一为同一组的三个喷气孔沿同径向方向布置，参见图5(a)，则三个喷气孔的连线与叶片交叉，H1一定位于扩压器叶片前缘靠近吸力面侧；二为同一组的三个喷气孔沿流向方向布置，参见图5(b)，则三个喷气孔的连线与叶片无交叉，基本与叶片的流向方向一致。根据以上技术原理分析，只有喷气孔H1有周向位置要求，即必须位于流动分离区域，且以流动分离中心位置最佳。

根据研究数据喷气孔H1需设置在扩压器叶片吸力面侧，与扩压器叶片前缘周向距离所对应的角度在0°-360°/2n的范围内，n为扩压器叶片数目，该角度以1/3(360°/2n)最佳。以16个扩压器叶片数目为例，则喷气孔H1周向位置为：位于扩压器叶片吸力面侧，离叶片前缘0°-11°范围内，以3.5°最佳。而喷气孔H2和H3应避免与扩压器叶片产生干涉，除此之外，对周向位置没有要求。考虑到便于加工，以及对具有不同扩压器叶片包角但叶片数目相等的叶片扩压器的普适性，以第一种布置方式为优选，即三个喷气孔沿同一径向方向布置。

喷气孔的开孔大小要兼顾堵塞与失速两种工况。在堵塞工况，为了有效分流，要求开孔较大；而在失速工况，为了形成高速射流，要求较小开孔。兼顾两者，开孔直径选择0.5mm-1.5mm，以1mm最佳。

根据开孔大小，所述可调式自循环喷气扩稳结构的喷气流量在堵塞工况为所述叶片扩压器总流量的4％-6％，在失速工况为所述叶片扩压器总流量的2％-4％。

为了实现喷气孔的选择。自循环腔体3内设有可调节的遮挡部件4；在堵塞工况时，控制所述遮挡部件使得喷气孔H1和喷气孔H2工作而喷气孔H3被堵住；在失速工况时，控制所述调节遮挡使得喷气孔H1和喷气孔H3工作而喷气孔H2被堵住。

遮挡部件4可以采用任何一种结构，只要能实现上述功能即可。图3示出了一种简洁的优选结构。该遮挡部件4为一可滑动的遮挡滑块，对该遮挡滑块的长度进行特殊设计，令该遮挡滑块位于H2和H3之间，且长度略大于H2和H3之间的间隔。当在堵塞工况时，遮挡滑块滑到第一位置，遮挡滑块堵住喷气孔H3，不遮挡喷气孔H2和H1；当在失速工况时，遮挡滑块滑到第二位置，遮挡滑块释放喷气孔H3，堵住喷气孔H2，但不堵住喷气孔H1。

自循环腔体3针对每组喷气孔独立设计，不同喷气孔组上方的环形腔体相互不连通在一起。优选地，每组与叶片扩压器共用叶片扩压器轮缘壁面。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。