CN116467812A - 一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构及设计方法，属于离心式叶轮机械技术领域，包括：非线性叶顶间隙分布规律：C＝15.71L⁵‑53.058L⁴+61.664L³‑26.422L²+1.433L+1.667，其中C为无量纲间隙高度，C＝t/t_T，t为叶顶间隙高度，t_T为叶片尾缘轴向间隙高度；L为叶轮叶顶无量纲叶片弦长，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘；其特征在于叶顶间隙高度沿叶片弦长非线性变化，叶轮流道弯折处叶片中点间隙高度最小，且叶片尾缘轴向间隙高度小于叶片前缘径向间隙高度。本发明提出的非线性叶顶间隙综合考虑了叶顶泄露流动和叶轮形变的问题，有针对性地抑制了间隙内部的回流和跨叶片横向泄露流动，同时保证了离心叶轮的安全运行。

Description

一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构及设计方法

技术领域

本发明属于离心式叶轮机械技术领域，具体涉及一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构及设计方法。

背景技术

离心压缩机是一种常见的流体增压设备，其一般由转动元件(叶轮)和固定元件(扩压器和蜗壳)组成，由于压缩流体介质的不同，离心压缩机广泛应用于制冷、石油、化工等领域。

强度性能好、制造工艺难度小的半开式叶轮是离心压缩机常用的叶轮形式，但半开式叶轮与轮盖之间具有一定间隙，造成流道内部产生泄露。叶顶间隙产生的泄露损失是离心压缩机内损失的主要来源，危害压气机的稳定性和增压能力，合理的叶顶间隙结构设计有利于抑制叶顶泄露及其产生的相关流动损失，从而提高离心压缩机的效率。

常规的离心压缩机叶顶间隙设计包括均匀常数叶顶间隙和前缘至尾缘线性变化叶顶间隙，其只能通过调整间隙大小实现间隙泄露的控制。此外，现有关于叶顶泄露现象的解决方案主要包括两种：一种是在叶轮叶片叶顶和固定元件表面设置磨损涂层或密封结构；另一种是设计叶顶间隙高度调整机构控制叶顶间隙的变化。然而，现有方案需要采用成本较高的材料或者额外的系统结构，不仅对压缩机的结构强度和制造工艺提出了挑战，而且对整机运行的可靠性产生更高的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构及设计方法。所述设计方法从叶顶间隙结构本身出发，为非线性叶顶间隙，以抑制离心压缩机叶轮与固定元件之间的泄露流动，减少叶顶泄露流对离心压缩机压比、效率和稳定性的影响。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构，由蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线相互匹配构成非线性叶顶间隙，所述非线性叶顶间隙分布满足下述式子：

C＝15.71L⁵-53.058L⁴+61.664L³-26.422L²+1.433L+1.667

其中，C为无量纲间隙高度，C＝t/t_T，t为叶顶间隙高度，t_T为叶片尾缘轴向间隙高度；L为叶轮叶顶无量纲叶片弦长，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘；

此时的叶顶间隙高度指蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线二者之间对应位置的法向距离。

离心压缩机非线性叶顶间隙结构包括叶片前缘径向间隙高度、叶片中点的叶顶间隙高度、叶片尾缘轴向间隙高度，其中在叶轮流道弯折处的所述叶片中点的叶顶间隙高度最小，且所述叶片尾缘轴向间隙小于所述叶片前缘径向间隙。

基于离心压缩机所述叶片叶顶子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到所述蜗壳轮盖子午型线；或者基于离心压缩机所述蜗壳轮盖子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到所述叶片叶顶子午型线，实现离心压缩机非线性叶顶间隙。

所述离心压缩机为半开式叶轮离心压缩机，优选为离心压气机。

第二方面，本发明提供一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

确定离心压缩机的种类及工况，蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线相互匹配构成非线性叶顶间隙，找到叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点；

根据离心压缩机的实际运行工况，确定叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量；

保持蜗壳轮盖子午型线不变改变叶片叶顶子午型线，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对蜗壳轮盖子午型线进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；或者保持叶片叶顶子午型线不变改变蜗壳轮盖子午型线，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对叶片叶顶子午型线进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；

计算偏移曲线与不变子午型线之间的距离得到叶顶间隙高度，在前缘和尾缘之间取80-150个点，获得偏移曲线上每个点的叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度，以叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度分别进行无量纲化处理，之后以叶轮叶顶无量纲叶片弦长L为横坐标，以无量纲间隙高度C为纵坐标进行五次多项式非线性拟合，获得非线性叶顶间隙分布规律，根据非线性叶顶间隙分布规律确定非线性叶顶间隙结构；

所述无量纲化处理过程是：设定叶片尾缘轴向间隙高度t_T，所述轴向为旋转轴的轴向，根据C＝t/t_T将不同位置处叶顶间隙高度t无量纲化，获得无量纲间隙高度C；

获得叶片前缘到尾缘的离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度，对离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度无量纲化得到叶轮叶顶无量纲叶片弦长L，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘。

所述非线性叶顶间隙分布规律为C＝15.71L⁵-53.058L⁴+61.664L³-26.422L²+1.433L+1.667。

叶轮流道弯折处的所述叶片中点的叶顶间隙高度最小，且所述叶片尾缘轴向间隙略小于所述叶片前缘径向间隙；叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量分别为0.5个单位、0.3个单位、0.2个单位。

对待设计的离心压缩机确定叶片尾缘轴向间隙高度t_T，利用非线性叶顶间隙分布规律得到前缘到尾缘叶顶间隙高度t随L的变化形式，进而得到该离心压缩机的非线性叶顶间隙结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明设计方法从叶顶间隙结构本身出发，从前缘至尾缘非线性变化的间隙形式，不需要额外的复杂机构和特殊材料，也可以达到较好的叶顶泄露控制效果，结构简单，设计和制造工艺成本低，适用于不同类型离心压缩机间隙设计且易于实现，同时本发明同时考虑离心压缩机的实际运行工况，具有较高的运行安全性和可靠性。

2.本发明所述非线性叶顶间隙，通过叶顶间隙高度随叶轮叶顶无量纲叶片弦长的非线性变化，实现了对流道不同位置处间隙流动的控制，能够有效抑制叶顶间隙内的回流现象，提高离心压缩机的运行稳定性，同时减小泄露流在叶轮流道弯折处叶顶附近的摩擦损失和流动损失；有效削弱叶轮流道后段相邻流道间跨叶片间隙泄露流动强度，降低泄露流对叶顶流场二次流和涡流结构的影响，增加叶片载荷，提高离心压缩机的增压能力和整机效率。特别地，对于改善流通流量和叶片展弦比较小、叶顶间隙占比较大的低比转速叶轮离心压缩机内部泄露流动的影响效果较为明显。

3.本发明通过调整叶轮结构使叶片叶顶子午型线变化，或者通过仅改变蜗壳结构，使蜗壳轮盖子午型线变化，实现对叶顶间隙的非线性分布控制，将最优的非线性叶顶间隙应用于各种类型的离心压缩机中，尤其是低比转速离心压气机。

附图说明

图1是按照本发明设计方法的非线性间隙离心压气机部分结构示意图；

图2是非线性叶顶间隙结构局部放大图及非线性叶顶间隙分布规律，其中(a)为非线性叶顶间隙结构的局部放大图；(b)为非线性叶顶间隙分布规律图，从前缘到尾缘呈非线性变化。

图3是均匀常数叶顶间隙与非线性叶顶间隙的离心压气机性能对比图。

图中标记：10—蜗壳，11—蜗壳通道，12—无叶扩压器通道，13—蜗壳轮盖子午型线，20—背部法兰，30—旋转轴，40—离心叶轮，41—叶轮主叶片，42—叶轮分流叶片，43—叶片叶顶子午型线，50非线性叶顶间隙，t_L—叶片前缘径向间隙高度，t_M—叶片中点的叶顶间隙高度，t_T—叶片尾缘轴向间隙高度。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。以下对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的实施方式并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

本发明设计方法适用于离心压缩机，下面以离心压气机为例进行说明。

在综合考虑离心压气机叶轮运行安全、运行中的形变和针对叶轮叶片不同位置处叶顶泄露对流动影响程度的情况下，通过改变离心叶轮叶片叶顶子午型线或蜗壳轮盖子午型线，实现叶顶间隙结构的控制来达到前缘至尾缘非线性变化叶顶间隙的目的，获得提升压气机性能的最优的非线性叶顶间隙分布规律。

本实施例离心压气机的非线性叶顶间隙设计基于：

一方面，考虑到离心叶轮流道复杂的三维扭曲，流体在叶轮流道内压差的作用下，会产生沿间隙从叶片尾缘至前缘的径向回流和相邻流道间的跨叶片周向间隙流动，特别在叶片中部流道周向和轴向弯折处，间隙泄露流与机匣摩擦损失增加，另外间隙径向回流与周向间隙流动在弯折处作用加剧，加之哥氏力和粘性力的影响，泄露流动对叶顶流场二次流和涡流结构产生扰动，加剧流道内的流动损失，因此，减小叶片中部间隙高度有利于抑制间隙流动的相互作用及其对叶顶流场的扰动；

另一方面，离心压缩机实际运行时，由于离心力、气动压力和热载荷的作用，离心叶轮会产生一定程度的形变，同时考虑叶轮转动时轴系移动，进而造成叶顶间隙高度发生变化。关于离心叶轮流固耦合研究发现，实际运行中离心叶轮叶片前缘和尾缘处形变最大，因此结合叶轮运行安全裕度和可靠性，叶片前尾缘处间隙高度相对增加，此外，叶轮流道下游流体具有较大的周向速度，加剧了叶顶泄露流动，削弱叶轮后段叶片载荷和做功能力，所以，叶片尾缘轴向间隙高度设置应小于前缘径向间隙高度。

所述非线性叶顶间隙分布规律，即为叶片叶顶子午型线与蜗壳轮盖子午型线之间间隙高度，基于叶片尾缘轴向间隙高度无量纲化后，随叶片弦长的变化规律，叶轮流道弯折处叶片中点的叶顶间隙高度最小，而叶片前缘径向间隙高度和叶片尾缘轴向间隙有所增加，且叶片尾缘轴向间隙高度小于叶片前缘径向间隙高度。

在一些设计中，包括蜗壳和背部法兰，所述蜗壳和背部法兰与离心叶轮装配，构成离心压缩机增压空间，其中蜗壳轮盖子午型线与叶轮叶片叶顶子午型线相互匹配构成非线性叶顶间隙。

一种可能的设计方案，所述非线性叶顶间隙基于已知离心压缩机叶轮叶片叶顶子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到蜗壳轮盖子午型线；或者基于已知离心压缩机蜗壳轮盖子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到叶轮叶片叶顶子午型线，最后装配得到非线性叶顶间隙。

所述无量纲间隙高度C为不同位置处叶顶间隙高度基于叶片尾缘轴向间隙高度t_T无量纲化得到，其表达为C＝t/t_T，其中t为叶顶间隙高度，t_T为叶片尾缘轴向间隙高度；

所述叶轮叶顶无量纲叶片弦长L是对离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度无量纲化得到的，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘。

根据离心压气机的工况和种类确定叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量，叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量分别为0.5个单位、0.3个单位、0.2个单位；

保持蜗壳轮盖子午型线13不变改变叶片叶顶子午型线43，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对蜗壳轮盖子午型线13进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；或者保持叶片叶顶子午型线43不变改变蜗壳轮盖子午型线13，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对叶片叶顶子午型线43进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；

计算偏移曲线与不变子午型线之间的距离得到叶顶间隙高度，在前缘和尾缘之间取100个点，获得偏移曲线上每个点的叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度，以叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度分别进行无量纲化处理，之后以叶轮叶顶无量纲叶片弦长L为横坐标，以无量纲间隙高度C为纵坐标进行五次多项式非线性拟合，获得非线性叶顶间隙分布规律，根据非线性叶顶间隙分布规律确定非线性叶顶间隙结构；

离心压缩机非线性叶顶间隙分布规律为：

C＝15.71L⁵-53.058L⁴+61.664L³-26.422L²+1.433L+1.667。

任意的离心压缩机，由于出口处间隙大小对叶轮做功能力和气动损失影响较为明显，根据其安全运行的设计要求，对某个离心压气机确定合理的叶片尾缘轴向间隙高度t_T，利用上述式子得到前缘到尾缘叶顶间隙高度t随L的变化形式，即得到该离心压缩机的非线性叶顶间隙结构。

参阅图1至图3为参照本发明实施例离心压缩机为离心压气机，离心压气机包括蜗壳、离心叶轮和扩压器等几个部分。如图1所示，该离心压气机部分组件包括蜗壳10、背部法兰20、旋转轴30和离心叶轮40，其中蜗壳局部有蜗壳流道11、无叶扩压器流道12和蜗壳轮盖子午型线13；离心叶轮40包括叶轮主叶片41和叶轮分流叶片42，叶轮主叶片与叶轮分流叶片具有相同的叶片叶顶子午型线43。

本示例离心压气机如图1装配后，蜗壳轮盖子午型线13与叶片叶顶子午型线43相互匹配构成非线性叶顶间隙50，为一种非线性叶顶间隙离心压气机，其工作原理为：气体从上方轴向进口进入压气机，并通过旋转轴30带动离心叶轮40转动，在离心力的作用下，将机械能转化为气体的动能和压能，然后经过蜗壳流道11和无叶扩压器流道12，进一步将气体动能转化为压能，最终从右侧蜗壳出口排出。

本示例中，叶片尾缘轴向间隙高度t_T＝0.3mm，具体的离心压缩机叶轮根据其几何参数选取，可为其它任何值。本示例离心压气机非线性叶顶间隙50分布满足规律：t＝4.713L⁵-15.917L⁴+18.499L³-7.927L³+0.43L+0.5，其叶片前缘径向间隙高度t_L＝0.5mm，叶片中点的叶顶间隙高度t_M＝0.2mm。根据已知离心叶轮40的叶片叶顶子午型线43按照上述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到蜗壳轮盖子午型线13，也可，根据已知离心叶轮40的蜗壳轮盖子午型线13按照上述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到叶片叶顶子午型线43，因此，装配后蜗壳轮盖子午型线13与叶片叶顶子午型线43相互匹配构成非线性叶顶间隙50。

本示例上述非线性叶顶间隙离心压气机，相对于现有的均匀常数叶顶间隙离心压气机，实现了叶片前缘至尾缘叶顶间隙的非线性变化，更好地优化了离心叶轮叶顶间隙的泄露流动，有效抑制叶顶间隙内的回流和跨叶片横向泄露流动，减少了流道内的潜流损失和叶顶泄露相关的流动损失，提高了离心压气机的运行稳定性。如图3所示，该图为分别采用均匀常数叶顶间隙和非线性叶顶间隙的离心压气机整级性能对比，在不同转速下，修正效率＝等熵效率/最大等熵效率，图3中上面三组转速数据表示不同间隙结构下的总压比的对比数据，下面三组转速数据表示不同间隙结构下的修正效率的对比数据。可见采用非线性叶顶间隙的离心压气机在三种转速下，效率和总压比均有明显提升。

本发明提出的非线性叶顶间隙综合考虑了叶顶泄露流动和叶轮形变的问题，有针对性地抑制了间隙内部的回流和跨叶片横向泄露流动，同时保证了离心叶轮的安全运行。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构，其特征在于：由蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线相互匹配构成非线性叶顶间隙，所述非线性叶顶间隙分布满足下述式子：

C＝15.71L⁵-53.058L⁴+61.664L³-26.422L²+1.433L+1.667

其中，C为无量纲间隙高度，C＝t/t_T，t为叶顶间隙高度，t_T为叶片尾缘轴向间隙高度；L为叶轮叶顶无量纲叶片弦长，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘；

此时的叶顶间隙高度指蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线二者之间对应位置的法向距离。

2.如权利要求1所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构，其特征在于，离心压缩机非线性叶顶间隙结构包括叶片前缘径向间隙高度、叶片中点的叶顶间隙高度、叶片尾缘轴向间隙高度，其中在叶轮流道弯折处的所述叶片中点的叶顶间隙高度最小，且所述叶片尾缘轴向间隙小于所述叶片前缘径向间隙。

3.如权利要求1所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构，其特征在于，基于离心压缩机所述叶片叶顶子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到所述蜗壳轮盖子午型线；或者基于离心压缩机所述蜗壳轮盖子午型线，并按照所述非线性叶顶间隙分布规律偏移得到所述叶片叶顶子午型线，实现离心压缩机非线性叶顶间隙。

4.如权利要求1所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构，其特征在于，所述离心压缩机为半开式叶轮离心压缩机，优选为离心压气机。

5.一种离心压缩机非线性叶顶间隙结构设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

确定离心压缩机的种类及工况，蜗壳轮盖子午型线与叶片叶顶子午型线相互匹配构成非线性叶顶间隙，找到叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点；

根据离心压缩机的实际运行工况，确定叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量；

保持蜗壳轮盖子午型线不变改变叶片叶顶子午型线，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对蜗壳轮盖子午型线进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；或者保持叶片叶顶子午型线不变改变蜗壳轮盖子午型线，在叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点这三个点在法向方向按照各自的法向偏移量对叶片叶顶子午型线进行整体非线性偏移，得到偏移曲线；

计算偏移曲线与不变子午型线之间的距离得到叶顶间隙高度，在前缘和尾缘之间取80-150个点，获得偏移曲线上每个点的叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度，以叶顶间隙高度和离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度分别进行无量纲化处理，之后以叶轮叶顶无量纲叶片弦长L为横坐标，以无量纲间隙高度C为纵坐标进行五次多项式非线性拟合，获得非线性叶顶间隙分布规律，根据非线性叶顶间隙分布规律确定非线性叶顶间隙结构；

所述无量纲化处理过程是：设定叶片尾缘轴向间隙高度t_T，所述轴向为旋转轴的轴向，根据C＝t/t_T将不同位置处叶顶间隙高度t无量纲化，获得无量纲间隙高度C；

获得叶片前缘到尾缘的离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度，对离心叶轮叶片叶顶子午弦线长度无量纲化得到叶轮叶顶无量纲叶片弦长L，L＝l/l₀，其中l为叶片叶顶任意点至前缘点弦线长度，l₀为叶片叶顶弦线总长度，L∈[0,1]，0代表叶片前缘，1代表叶片尾缘。

6.根据权利要求5所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构设计方法，其特征在于，所述非线性叶顶间隙分布规律为C＝15.71L⁵-53.058L⁴+61.664L³-26.422L²+1.433L+1.667。

7.根据权利要求5所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构设计方法，其特征在于，叶轮流道弯折处的所述叶片中点的叶顶间隙高度最小，且所述叶片尾缘轴向间隙略小于所述叶片前缘径向间隙；叶片前缘、叶片尾缘和叶片中点的各自的法向偏移量分别为0.5个单位、0.3个单位、0.2个单位。

8.根据权利要求5所述的离心压缩机非线性叶顶间隙结构设计方法，其特征在于，对待设计的离心压缩机确定叶片尾缘轴向间隙高度t_T，利用非线性叶顶间隙分布规律得到前缘到尾缘叶顶间隙高度t随L的变化形式，进而得到该离心压缩机的非线性叶顶间隙结构。