專利名稱：一種徑向單列葉片擴(kuò)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離心壓氣機(jī)技術(shù)中的徑向單列葉片擴(kuò)壓器，即一種在單列葉片擴(kuò)壓器的葉片前半部分具有順沿氣流流動(dòng)方向開割連通葉型背、腹面且通道形狀由進(jìn)口至出口呈漸縮收斂狀的通流槽縫結(jié)構(gòu)的徑向葉片擴(kuò)壓器。本發(fā)明既可獨(dú)立地用于徑向單列葉片擴(kuò)壓器，也可實(shí)施應(yīng)用于組成雙列或多列徑向串置葉片擴(kuò)壓器中的任意一列(或全部)單列葉片擴(kuò)壓器。本發(fā)明適用于機(jī)翼形、圓弧形、三角形和直線形等各種葉型形狀結(jié)構(gòu)的徑向葉片擴(kuò)壓器。
離心壓氣機(jī)中的徑向葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)主要有無(wú)葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種基本型式。與無(wú)葉擴(kuò)壓器相比，葉片擴(kuò)壓器的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)工況下的壓氣機(jī)級(jí)的等熵效率較高(約高3～5％)、徑向尺寸較小和在葉輪出口氣流絕對(duì)流出角較小的情況下仍能高效率工作；其缺點(diǎn)是對(duì)工況變化的適應(yīng)性差。這是因?yàn)楫?dāng)工況變化時(shí)，葉片進(jìn)口的氣流流入角就相應(yīng)發(fā)生變化。這樣，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，會(huì)使葉片進(jìn)口處的氣流角α3與葉片構(gòu)造的葉片進(jìn)口幾何角α3A出現(xiàn)方向上的不一致而形成沖角λ3＝α3A-α3(

圖1)，從而引起氣流與葉片頭部的“撞擊”，產(chǎn)生“撞擊損失”。一般，工況變化偏離設(shè)計(jì)工況的程度越大(也即沖角越大)，“撞擊損失”就越大?！白矒魮p失”實(shí)質(zhì)上是一種因沖角增生的邊界層流動(dòng)損失。在大沖角情況下，葉片頭部附近葉型表面上的邊界層內(nèi)的氣體流動(dòng)會(huì)承受不住沿流動(dòng)方向存在的很高正壓梯度的阻力作用而出現(xiàn)流動(dòng)分離。正值大沖角產(chǎn)生的葉型腹面表面流動(dòng)分離(圖2)，使擴(kuò)壓器葉柵中的氣體流動(dòng)出現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)脫離”或“喘振”現(xiàn)象，致使壓氣機(jī)不能正常穩(wěn)定工作。負(fù)值大沖角產(chǎn)生的葉型背面表面流動(dòng)分離(圖3)，則導(dǎo)致擴(kuò)壓器葉柵流道中的有效通流面積因分離脫流區(qū)的擠占而急劇減少，出現(xiàn)“分離堵塞”現(xiàn)象，流經(jīng)擴(kuò)壓器的氣流無(wú)法再靠擴(kuò)壓器葉片流道幾何面積的擴(kuò)張正常實(shí)施減速擴(kuò)壓，致使葉片擴(kuò)壓器中的流動(dòng)損失劇增、壓氣機(jī)增壓壓力與效率大幅度下降。因此，大沖角是誘發(fā)葉片擴(kuò)壓器中氣流產(chǎn)生嚴(yán)重分離流動(dòng)的最敏感和最重要的因素，其結(jié)果是使裝有葉片擴(kuò)壓器的離心壓氣機(jī)的變工況性能變差——在等轉(zhuǎn)速條件下壓比和效率隨流量變化的特性曲線陡峭，高效率區(qū)與穩(wěn)定工作區(qū)的流量范圍狹窄。
為了降低和弱化大沖角繞流在現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)徑向單列葉片擴(kuò)壓器葉柵流道內(nèi)誘生嚴(yán)重分離流動(dòng)的影響程度，本發(fā)明提供了一種可使離心壓氣機(jī)變工況性能獲得大幅度改善的葉片擴(kuò)壓器新結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)核心是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)徑向單列葉片擴(kuò)壓器葉型表面上的氣體流動(dòng)采用了下述邊界層流動(dòng)控制措施——在葉片進(jìn)口前緣附近的葉片前半部分，沿氣流流動(dòng)方向開割連通葉型腹面與背面的通流槽縫，利用通過(guò)槽縫縫隙氣流的射吹或抽吸對(duì)葉型表面的邊界層流態(tài)加以控制，從而可有效地抑止、限制或推遲大沖角繞流時(shí)位于槽縫后面的大部分葉片型面上的邊界層分離流動(dòng)的發(fā)生與發(fā)展。
利用槽縫縫隙氣流控制葉型表面邊界層流動(dòng)分離的機(jī)理如下因大沖角繞流而在葉片擴(kuò)壓器葉柵葉片進(jìn)口前緣附近的背面或腹面產(chǎn)生的邊界層低速流動(dòng)或分離流動(dòng)，可以利用擴(kuò)壓器葉片流道中的高速主流氣流——或者用分流出的一小部分高速主氣流，使其流經(jīng)槽縫縫隙對(duì)槽縫出口側(cè)葉型表面上的邊界層低速(或分離)氣流進(jìn)行射吹；或者用它在通流槽縫出口側(cè)葉型表面附近高速流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的引射抽吸作用，將通流槽縫進(jìn)口側(cè)葉型表面上的邊界層低速(或分離)氣流經(jīng)過(guò)槽縫抽吸到槽縫出口側(cè)的葉型表面，使邊界層低速(或分離)氣流與高速主氣流相混合，大大提高了流向槽縫后面葉型表面氣流的速度，從而大幅度增強(qiáng)了槽縫后葉片型面上的邊界層抗流動(dòng)分離的能力，顯著降低了大沖角繞流葉片擴(kuò)壓器葉柵時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)損失，提高了變工況效率，擴(kuò)大了穩(wěn)定工作的工況范圍。
顯然，實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是確定與槽縫有關(guān)的下列參數(shù)——槽縫數(shù)量、槽縫本身的幾何形狀和尺寸、以及槽縫在擴(kuò)壓器葉片中的配置位置。對(duì)于一個(gè)幾何形狀尺寸已知的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的徑向單列葉片擴(kuò)壓器葉柵(其葉片進(jìn)口幾何角α3A通常與設(shè)計(jì)工況的進(jìn)口氣流角α3相一致，即沖角λ3≈0)，這些參數(shù)可根據(jù)由非設(shè)計(jì)工況的常用工況范圍所確定的擴(kuò)壓器葉片進(jìn)口沖角的變化范圍和欲對(duì)葉型表面邊界層流動(dòng)實(shí)施控制的力度要求予以確定。具體實(shí)施原則如下●沿氣流方向開割通流槽縫的方式——槽縫進(jìn)、出口位置側(cè)葉型表面的選擇，應(yīng)依對(duì)擴(kuò)壓器葉柵常用工況相應(yīng)沖角范圍實(shí)施控制的要求確定。通常存在下述兩種基本情況①槽縫進(jìn)口在葉型背面?zhèn)榷隹谠诟姑鎮(zhèn)鹊那闆r(圖4)當(dāng)氣流以較大的正沖角流入葉片擴(kuò)壓器葉柵時(shí)，在葉片前緣附近的葉片進(jìn)口部分，葉型背面?zhèn)鹊臍饬魇沁吔鐚雍穸群鼙〉母咚贇饬?，但在葉型腹面?zhèn)仁沁吔鐚雍穸群芎竦倪吔鐚拥退倩蛄鲃?dòng)分離的氣流。這時(shí)，槽縫中的氣流是由背面?zhèn)攘飨蚋姑鎮(zhèn)鹊母咚贇饬鞣至鳌Ｋ鼘?duì)槽縫出口位置前的葉型腹面上形成的厚邊界層低速(或分離)氣流在槽縫出口位置進(jìn)行射吹并與之混合，使流向槽縫出口位置后的葉型腹面?zhèn)鹊臍饬魉俣全@得顯著提高、邊界層厚度變薄。
與正沖角的情況不同，當(dāng)氣流以較大負(fù)沖角繞流擴(kuò)壓器葉柵時(shí)，葉片進(jìn)口部分的葉型背面?zhèn)鹊臍饬魇呛襁吔鐚拥牡退倩蛄鲃?dòng)分離氣流，而葉型腹面?zhèn)仁歉咚贇饬?。由于腹面?zhèn)雀咚贇饬鞯囊涑槲饔?，使背面?zhèn)鹊囊徊糠诌吔鐚拥退倩蛄鲃?dòng)分離氣流沿槽縫流向腹面?zhèn)?，并在槽縫出口位置與腹面?zhèn)鹊母咚贇饬骰旌虾罅飨虿劭p出口位置后的葉型腹面。這時(shí)，槽縫進(jìn)口位置前背面?zhèn)鹊牡蛣?dòng)能邊界層流體因部分被抽吸轉(zhuǎn)移到腹面?zhèn)龋沽飨虿劭p進(jìn)口位置后背面?zhèn)鹊牧黧w動(dòng)能顯著增加、邊界層厚度減薄。
顯然，這種開割通流槽縫的方法是靠重新分配氣流中的能量的辦法去影響邊界層，不論沖角正負(fù)均能顯著弱化大沖角產(chǎn)生的不利影響。鑒于在邊界層控制方式上，“射吹”較“抽吸”效果更佳。因此，本開割槽縫方式更適合應(yīng)用于正值大沖角繞流擴(kuò)壓器葉柵的情況——它能有效抑制、弱化和延遲槽縫出口位置后葉型腹面上邊界層分離流動(dòng)的發(fā)生與發(fā)展，推遲“喘振現(xiàn)象”的出現(xiàn)。
②槽縫進(jìn)口在葉型腹面?zhèn)榷隹谠谌~型背面?zhèn)鹊那闆r(圖5)經(jīng)過(guò)與①完全相同的分析，可得如下結(jié)論本開割槽縫方式與圖4所示的開割方式一樣，對(duì)大沖角(不論沖角是正還是負(fù))繞流擴(kuò)壓器葉柵產(chǎn)生的不利影響均能實(shí)施有效控制。但本開割槽縫方式更適合應(yīng)用于負(fù)值大沖角繞流的情況，它能有效抑制、弱化和延遲槽縫位置后葉型背面上邊界層分離流動(dòng)的發(fā)生與發(fā)展，推延“分離堵塞現(xiàn)象”的出現(xiàn)。
除了上述兩種開割槽縫的基本方式外，在同時(shí)要求大幅度推延“喘振現(xiàn)象”和“分離堵塞現(xiàn)象”發(fā)生的場(chǎng)合，采用將上述兩種方式合二為一的復(fù)合方式(圖6)，也應(yīng)屬一種值得考慮的選擇。
●通流槽縫出口位置的選擇通流槽縫對(duì)縫后葉片表面上的氣體流動(dòng)應(yīng)起優(yōu)佳的導(dǎo)流與邊界層流動(dòng)控制作用，使其在很大的工況變化范圍內(nèi)都保持良好的繞流狀態(tài)，從而保證擴(kuò)壓器和整個(gè)離心壓氣機(jī)的效率高、高效率區(qū)與穩(wěn)定工作區(qū)的流量范圍寬廣。
為此，首先應(yīng)使槽縫出口位置位于大沖角繞流該槽縫出口所在葉面時(shí)在葉面上出現(xiàn)的流動(dòng)分離點(diǎn)的位置之前。由于分離點(diǎn)的位置隨工況而變，因此，對(duì)于葉片擴(kuò)壓器葉柵，一般，只能近似地將通流槽縫的出口位置選擇在葉片流道進(jìn)口喉部截面與葉型表面交點(diǎn)的前方附近，如圖4～圖6所示。另外，槽縫出口位置應(yīng)盡量靠近葉片前緣，以使縫后具有良好流態(tài)的葉片部分占據(jù)葉片總長(zhǎng)的比例增大。若令S表示沿槽縫出口位置所在葉型表面度量的由槽縫出口寬度的中點(diǎn)至葉片進(jìn)口前緣的型面弧線長(zhǎng)度，L表示由葉片進(jìn)口前緣至出口尾緣的該型面弧線總長(zhǎng)，如圖4和圖5所示，則表征槽縫出口位置的參數(shù)S/L宜在(0.15～0.40)范圍內(nèi)選擇。
●槽縫出口寬度尺寸的選擇槽縫出口寬度尺寸δ(圖4～圖6)主要應(yīng)由欲對(duì)葉型表面邊界層流動(dòng)實(shí)施控制的力度要求確定。δ值越大，流過(guò)槽隙參與邊界層控制的氣體流量越大，對(duì)邊界層控制的力度也越大。但過(guò)大的δ值會(huì)使參與控制的流量過(guò)大，導(dǎo)致高速主流動(dòng)能損耗過(guò)大，擴(kuò)壓器效率降低；反之，過(guò)小的δ值，對(duì)邊界層控制的力度則太小，不足以實(shí)現(xiàn)有效控制。一般，槽縫出口寬度尺寸宜在δ＝(0.008～0.03)L范圍內(nèi)選擇。
●槽縫形狀的選擇根據(jù)槽縫自進(jìn)口至出口槽縫通道寬度的變化，三種槽縫形狀——縫寬保持不變的平行直線(或曲線)壁槽縫、縫寬呈漸縮收斂狀的斜直線(錐形)壁槽縫和流線形曲線壁槽縫，本發(fā)明均可采用。但應(yīng)用效果以縫寬呈漸縮收斂狀的流線形曲壁槽縫最佳，錐形壁槽縫次之，平行壁槽縫最差。因此，實(shí)用中宜優(yōu)先采用流線形曲壁槽縫(如說(shuō)明書附圖所示)和錐形壁槽縫，平行壁槽縫則盡量少用或不用。
●槽縫數(shù)量的選擇現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)徑向單列葉片擴(kuò)壓器葉柵中的葉片所采用的葉型，其葉型厚度變化和中線彎度均較小。在無(wú)沖角和小沖角繞流的情況下，這種葉型的表面一般不會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)分離，只是在大沖角繞流情況下，在葉片進(jìn)口部分附近的葉型表面上，才出現(xiàn)流動(dòng)分離。因此，一般在葉片進(jìn)口部分附近，沿流動(dòng)方向只需開割一條如圖4或圖5所示的槽縫，就足可以對(duì)縫后葉面上的氣體流動(dòng)實(shí)施有效的控制。但在某些設(shè)計(jì)工況葉片進(jìn)口氣流角具有超常范圍(即超出α3～α3A＝15°～30°的設(shè)計(jì)推薦范圍)的特殊情況，其葉型厚度變化和葉型中線彎度均較大。導(dǎo)致這種葉型即使在無(wú)沖角或小沖角繞流的情況下，在葉片中間部分附近葉型表面的某個(gè)部位(譬如最大彎度位置附近)，也會(huì)因氣動(dòng)載荷過(guò)大而出現(xiàn)流動(dòng)分離。對(duì)于這種葉型，除在葉片進(jìn)口部分附近開割一條通流槽縫外，還要在易出現(xiàn)流動(dòng)分離的葉片中間部位再增加開割一條形如圖4或圖5所示的通流槽縫，以實(shí)施對(duì)葉面上氣體流動(dòng)的有效控制(圖7和圖8)。
注意到在葉片進(jìn)口前半部分具有圖4或圖5槽縫開割方式的本發(fā)明徑向單列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是一種以縫前葉片部分作為前列葉片、縫后部分作為后列葉片的現(xiàn)有技術(shù)徑向串置雙列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)蛻化的特殊形式。同樣，對(duì)圖7或圖8所示的具有雙槽的本發(fā)明徑向單列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)，則可認(rèn)為它是一種現(xiàn)有技術(shù)徑向串置三列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)的蛻化，或?qū)⑵湟暈槭且环N以中間槽縫為分界的由縫前部分的本發(fā)明結(jié)構(gòu)徑向單列葉片擴(kuò)壓器作為前列葉片擴(kuò)壓器與縫后部分作為后列徑向單列葉片擴(kuò)壓器組合而成的現(xiàn)有技術(shù)徑向串置雙列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)的蛻化。
將本發(fā)明徑向單列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)徑向串置雙列葉片擴(kuò)壓器結(jié)構(gòu)對(duì)比，無(wú)疑，本發(fā)明在縮小徑向尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性和制造成本方面的優(yōu)勢(shì)明顯。因此，在性能基本接近的情況下，將本發(fā)明結(jié)構(gòu)的徑向單列葉片擴(kuò)壓器葉柵作為組成葉柵之一(或全部)，代替(置換)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)徑向串置雙列或多列葉柵中的相應(yīng)葉柵組成(圖9)，是一種值得推廣應(yīng)用的方案。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行具體說(shuō)明。
圖10為本發(fā)明構(gòu)造的徑向單列葉片擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。徑向單列葉片擴(kuò)壓器由圓環(huán)形底板1和擴(kuò)壓器葉片2組成的圓環(huán)形葉柵共兩部分構(gòu)成。葉柵的葉片2固結(jié)在底板1上成為一體(整體精密鑄造、釬焊、電火花或數(shù)控銑加工形成)。在葉柵的葉片2的進(jìn)口前緣附近的葉片前半部分，具有一條連通葉片2的背面3和腹面4、且形狀由背面3至腹面4呈漸縮收斂狀的槽縫5，利用該通流槽縫5可對(duì)葉片擴(kuò)壓器葉柵繞實(shí)施有效控制，改善離心壓氣機(jī)的變工況性能。圖10示例采用的只是圖4示出的一種槽縫開割方式。實(shí)用中，根據(jù)需要同樣也可合理選擇采用本發(fā)明介紹的其它槽縫開割方案。
權(quán)利要求
1.一種徑向單列葉片擴(kuò)壓器，它由圓環(huán)形底板1和擴(kuò)壓器葉片2組成的圓環(huán)形葉柵所構(gòu)成，其特征在于在葉片2進(jìn)口的前半部分，具有順沿氣流流動(dòng)方向開割的連通葉型背面3與腹面4的通流槽縫5；
2.按權(quán)利要求1所述的徑向單列葉片擴(kuò)壓器，其特征在于葉片2進(jìn)口前緣部分附近的槽縫5的出口寬度中點(diǎn)至葉片2前緣沿槽縫5出口所在葉型表面3(或4)度量的弧長(zhǎng)S，應(yīng)在該葉型表面3(或4)總弧長(zhǎng)L的(0.15～0.40)倍范圍內(nèi)；槽縫5的出口寬度δ應(yīng)在L的(0.008～0.03)倍范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及離心壓氣機(jī)技術(shù)中的一種徑向單列葉片擴(kuò)壓器。其技術(shù)特征是在葉片進(jìn)口的前半部分，沿氣流流動(dòng)方向，具有開割連通葉型背面與腹面的通流槽縫結(jié)構(gòu)。利用通過(guò)槽縫縫隙氣流的射吹或抽吸，對(duì)縫后葉型表面的邊界層流態(tài)實(shí)施有效控制，使其在很大的工況變化范圍內(nèi)都保持良好的繞流狀態(tài)，大幅度改善了離心壓氣機(jī)的變工況性能——提高效率、擴(kuò)大高效區(qū)與穩(wěn)定工作區(qū)的流量變化范圍。本發(fā)明既可獨(dú)立地用于徑向單列葉片擴(kuò)壓器，也可作為組成之一(或全部)應(yīng)用于組成雙列或多列徑向串置葉片擴(kuò)壓器中的任意一列(或全部)單列葉片擴(kuò)壓器。
文檔編號(hào)F04D29/44GK1560479SQ200410016469
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月23日
發(fā)明者孫敏超 申請(qǐng)人:孫敏超