具有抽气和射流机匣结构的离心压气机.pdf

具有抽气和射流机匣结构的离心压气机属于叶轮机械技术领域。其特征在于，在涡壳的机匣壁面上开有至少3条以压气机转轴为中心周向均布的抽气－射流导流通道，其含有抽气通道和射流通道，抽气通道开口于无叶扩压器通道入口的机匣壁面处，且该抽气通道垂直于该入口机匣壁面，射流通道开口于涡壳与叶片形成的流道的最大扭曲曲率处，其方向与最大曲率处的主流绝对速度方向相同；抽气通道和射流通道之间由导流通道连接。本抽气－射流导流通道能够抽去扩压器段机匣壁面的附面层，抑制扩压段的流动分离；并在叶轮流道内注入高能量的射流，使用流动激励的方法抑制叶轮叶片吸力面流动分离，最终抑制小流量情况下的流动分离，提高离心压气机失速裕度和效率。

1、  具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，含有压气机转轴(1)、叶轮(3)、叶片(4)、叶轮背盘(6)和涡壳(7)，所述叶轮背盘(6)与涡壳(7)形成无叶扩压器通道(8)，其特征在于，在涡壳(7)的机匣壁面上开有至少3条以压气机转轴(1)为中心周向均布的抽气-射流导流通道(9)，所述抽气-射流导流通道(9)含有抽气通道(10)和射流通道(14)，所述抽气通道(10)开口于无叶扩压器通道(8)入口的机匣壁面处，且该抽气通道(10)垂直于该入口机匣壁面，所述射流通道(14)开口于所述涡壳(7)与叶片(4)形成的流道的最大扭曲曲率处，所述射流通道(14)的方向与该最大曲率处的主流绝对速度方向相同；所述抽气通道(10)和射流通道(14)之间由导流通道(12)连接。

2、  如权利要求1所述的具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，其特征在于，所述抽气通道(10)和导流通道(12)的连接处形成抽气通道球形气室(11)。

3、  如权利要求1所述的具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，其特征在于，所述射流通道(14)和导流通道(12)的连接处形成射流通道球形气室(13)。

4、  如权利要求1所述的具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，其特征在于，所述抽气通道(10)、导流通道(12)和射流通道(14)的孔径为1～2mm。

5、  如权利要求3所述的具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，其特征在于，所述抽气通道球形气室(11)和射流通道球形气室(13)的直径为3～4mm。

具有抽气和射流机匣结构的离心压气机
技术领域：
具有抽气和射流机匣结构的离心压气机属于叶轮机械技术领域，涉及车用、船用增压器离心压气机、工业用离心压气机以及航空离心压气机等叶轮机械机匣的改进。
技术背景：
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将在叶轮及扩压器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，寿命严重缩短，甚至短时间内直接损坏。
现有离心压气机叶片和扩压器形状根据设计点工况确定，在设计点获得较优性能。在设计流量下，叶轮对气体做功，在叶片表面无大尺度流动分离现象发生；叶轮出口的气体能量中，有较大部分的动能，扩压器将动能转化为静压能，在设计流量下也无流动分离现象。但在低流量工况下，叶片气流攻角的增大使叶轮叶片吸力面附面层增厚，进一步在逆压梯度的作用下发生大尺度流动分离现象，有较大尺度的涡生成、发展和破碎，并伴随着较大的流动损失；流量进一步减小时分离更加严重，将导致压气机出现不稳定工作现象，造成失速甚至喘振。小流量时，扩压器内在机匣壁面同样有大尺度流动分离现象发生，会造成失速现象及流动损失增加，甚至喘振。为了提高压气机效率，需要抑制叶轮叶片吸力面以及扩压器段机匣壁面的流动分离。
发明内容：
本发明目的在于，克服现有技术的缺陷，提出了一种具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，在该离心压气机的机匣壁面开了抽气-射流导流通道，从位于扩压器入口处的机匣壁面抽取小股高能量流体，经小孔径通道从叶轮所在的机匣壁面的小孔注入叶轮流道，能够起到吸取扩压器附面层和加强叶轮通道流动的双重效果。
本发明含有压气机转轴(1)、叶轮(3)、叶片(4)、叶轮背盘(6)和涡壳(7)，所述叶轮背盘(6)与涡壳(7)形成无叶扩压器通道(8)，其特征在于，在涡壳(7)的机匣壁面上开有至少3条以压气机转轴(1)为中心周向均布的抽气-射流导流通道(9)，所述抽气-射流导流通道(9)含有抽气通道(10)和射流通道(14)，所述抽气通道(10)开口于无叶扩压器通道(8)入口的机匣壁面处，且该抽气通道(10)垂直于该入口机匣壁面，所述射流通道(14)开口于所述涡壳(7)与叶片(4)形成的流道的最大扭曲曲率处，所述射流通道(14)的方向与该最大曲率处的主流绝对速度方向相同；所述抽气通道(10)和射流通道(14)之间由导流通道(12)连接。
所述抽气通道(10)和导流通道(12)的连接处形成抽气通道球形气室(11)。
所述射流通道(14)和导流通道(12)的连接处形成射流通道球形气室(13)。
所述抽气通道(10)、导流通道(12)和射流通道(14)的孔径为1～2mm。
所述抽气通道球形气室(11)和射流通道球形气室(13)的直径为3～4mm。
试验证明，本发明所提出的具有抽气和射流机匣结构的离心压气机，通过其抽气-射流导流通道的作用，能够抽去扩压器段机匣壁面的附面层，抑制扩压段的流动分离；并在叶轮流道内注入高能量的射流，使用流动激励的方法抑制叶轮叶片吸力面流动分离，最终抑制小流量情况下的流动分离，提高离心压气机失速裕度和效率。
附图说明：
图1是本发明的总体剖视示意图。
图2是抽气-射流导流通道剖视示意图。
图3是沿导流通道12的剖视图。
图4是射流流道周向方向夹角示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，压气机转轴1，叶轮固定螺栓2，叶轮3，叶轮3上有叶片4，密封块5，叶轮背盘6，涡壳7，均为现有压气机通用部件，无叶扩压器通道8由叶轮背盘6与涡壳7组合形成。入口气流方向为B，压气机叶轮4旋转方向为C。本发明特征在于，在涡壳7的机匣壁面上开有不少于3条的抽气-射流导流通道9，各条抽气-射流导流通道9以压气机转轴1为中心周向均布，此导流通道后端吸气孔开口于无叶扩压器8入口的机匣壁面处，前端射流孔开口于叶片4之间形成的流道的最大扭曲曲率处，气体从后端吸气孔进入，经导流通道由前端射流孔喷出。
如图2所示，抽气-射流导流通道9由抽气通道10、导流通道12和射流通道14组成。为减小气流在流动转折处的损失，抽气通道10和导流通道12的连接处，射流通道14和导流通道12的连接处做成球形，分别为抽气通道球形气室11和射流通道球形气室13。
为扩大压气机失速裕度，提高压气机效率，抽气-射流导流通道9各部分的尺寸和位置可以满足下述条件。抽气通道10、导流通道12和射流通道14的直径为1～2mm，具体直径的确定可视抽气-射流导流通道9的条数以及压气机流量而定，使得经由抽气-射流导流通道9抽走的气体流量约为压气机工作流量的1％～2％，一般以1～2mm为佳。抽气通道球形气室11和射流通道球形气室13的直径为3～4mm。
抽气通道10垂直于扩压器8入口机匣壁面。在图2所示剖面上，射流通道14与入口气流方向B之反方向成夹角a，约为20°～30°；射流通道14与叶轮旋转方向C的夹角为b(如图3所示)；如图4所示，射流通道14其射流方向应与叶片通道最大曲率处主流绝对速度c方向一致，即相对于静止壁面的绝对速度方向，此绝对速度c为相对于旋转的叶轮在叶片通道最大曲率处主流相对速度w与叶轮在该处的周向旋转牵连速度u二者的合成速度。
抽气-射流导流通道9在离心压气机制造过程中随涡壳7一起铸造完成。
在离心压气机工作过程中，沿气体流动的方向，压力逐渐升高，即抽气通道10在壁面上的小孔内气体压力高于射流通道14在壁面上的小孔内气体，由于抽气-射流导流通道9直径远小于叶片通道，有一小股气体从压气机后部经由抽气-射流导流通道9注入前部叶片通道最大曲率处，约占总气体流量的1～2％。由于抽气位置在于无叶扩压器通道8的入口处，抽取的气体恰好是引发无叶扩压器通道8中气体流动分离的边界层，有助于减小损失，提高扩压段效率，扩大失速裕度；而经由射流通道射出的气体为从后部抽取的气体，其压力高，为高能量气体，对最易发生分离的前部叶片通道最大曲率处的流动为一激励，能有效吹走叶片吸力面不断增厚的边界层，抑制其分离，减小分离损失，扩大压气机失速裕度。
本发明利用此抽气-射流导流通道9同时实现了抽取扩压器入口边界层和加入叶片通道高能量激励来抑制离心压气机流动分离的双重收益，能有效扩大压气机的失速裕度，提高压气机效率。