一種基于分形葉片的擴壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于分形葉片的擴壓器，包括上蓋板、下蓋板和分形葉片組，分形葉片組夾設于上蓋板和下蓋板之間，上蓋板、下蓋板與分形葉片組之間形成氣流通道，氣流經(jīng)氣體通道后壓力增大；本發(fā)明的多級分形葉片可以抑制流動分離、減小流動阻塞和流動損失、增大擴壓器的擴壓能力和效率，有利于提高整機效率、減小整機尺寸、提高推重比/功重比；便于加工，制作成本低；可以直接安裝到離心壓氣機的擴壓段上，便于實現(xiàn)壓氣機的改造升級。
【專利說明】
一種基于分形葉片的擴壓器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及氣體壓縮裝置技術領域，尤其涉及一種基于分形葉片的擴壓器，其特別適用于各種帶有離心式氣體壓縮機的裝置，如航空燃氣輪機、發(fā)電燃氣輪機、空調壓縮機等。
【背景技術】
[0002]離心壓氣機是大多數(shù)小型燃氣輪機和渦軸發(fā)動機中的重要部件，由葉輪和擴壓器組成。擴壓器的作用在于不僅將離心葉輪旋轉施加給氣流能量中的動能轉化為壓力勢能，還需要將離心葉輪流出的帶徑向和切向速度的高速氣流通過葉片盡量扭轉成純軸向氣流，供給燃燒室進行燃燒。擴壓器性能直接影響到壓氣機級與燃燒室的工作狀態(tài)，進而對整機性能影響較大，而且擴壓器產(chǎn)生的流動損失約占離心壓氣機級損失的30%，對離心壓氣機的效率、壓比和穩(wěn)定運行工況范圍有著重要影響。
[0003]離心壓氣機用擴壓器一般可分為無葉擴壓器、有葉擴壓器和管式擴壓器。如今在航空發(fā)動機中獲得廣泛應用的擴壓器主要是葉片式擴壓器和管式擴壓器。無葉擴壓器結構簡單，工作范圍寬，但氣流基本沿等角螺旋線流動，流程長，損失大。常在壓比較小，效率要求不高，徑向尺寸限制較小，葉輪出口氣流角(相對切向)較大的離心壓氣機中采用。管式擴壓器是由沿周向均布的一系列擴壓管道構成，相鄰的兩個管式擴壓器通道在進口部分相貫，在擴壓器進口輪盤和輪蓋側形成燕尾形前緣，相比于傳統(tǒng)的葉片式擴壓器，管式擴壓器燕尾形前緣對于高馬赫數(shù)的氣流適應性較好，能夠有效提高高壓比離心的效率和穩(wěn)定工作裕度，十分適合高壓比離心壓氣機。然而管式擴壓器存在加工難度大、成本高，同時加工精度難于保證等問題。
[0004]葉片式擴壓器不但可以通過半徑增加減速擴壓，同時葉片可使氣流按一定的角度偏轉，使流通面積可進一步加大以提高擴壓能力，其效率也比較高。與無葉擴壓器相比較，同樣尺寸的有葉擴壓器擴壓能力更強，效率更高。而且葉片擴壓器能夠有效控制擴壓器出口氣流角，而這為下游的燃燒室或回流器提供良好的來流環(huán)境?，F(xiàn)有葉片擴壓器缺點是由于有葉片的存在，葉片擴壓器中容易在喉部出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，并且在變工況情況下有葉擴壓器沖擊損失較大，效率下降明顯，尤其在大沖角的情況下，流道中容易產(chǎn)生嚴重的分離，甚至導致喘振的發(fā)生。而在小流量情況下，往往在葉片擴壓器中首先出現(xiàn)流動嚴重惡化，從而引起整機的喘振。因此，本領域亟需一種能夠兼顧擴壓器氣動性能和加工成本的擴壓器。

【發(fā)明內容】

[0005](一)要解決的技術問題
[0006]為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于分形葉片的擴壓器。
[0007](二)技術方案
[0008]本發(fā)明提供了一種基于分形葉片的擴壓器，包括:上蓋板1、下蓋板2和分形葉片組;所述分形葉片組夾設于所述上蓋板I和下蓋板2之間，所述上蓋板1、下蓋板2與分形葉片組之間形成氣流通道9，氣流經(jīng)所述氣體通道9后壓力增大。
[0009]優(yōu)選地，所述分形葉片組包括沿擴壓器徑向分布的N級分形葉片，其中，下一級分形葉片位于上一級分形葉片的沿擴壓器半徑增大方向，下一級分形葉片的數(shù)量為上一級分形葉片數(shù)量的兩倍，上一級分形葉片的每個葉片對應下一級分形葉片的兩個葉片，下一級分形葉片的所述兩個葉片對稱設置在上一級分形葉片的葉片兩側。
[0010]優(yōu)選地，所述擴壓器沿周向分為多個扇形的擴壓段，所述擴壓段的數(shù)量與第一級分形葉片的數(shù)量相同，對于每一個擴壓段，其第η級分形葉片的葉片數(shù)量為2"—1。
[0011]優(yōu)選地，所述N級分形葉片的葉片為直葉片或彎曲葉片。
[0012]優(yōu)選地，沿擴壓器半徑增大方向，所述N級分形葉片的葉片長度相同；或者逐級增大;或者逐級減小。
[0013]優(yōu)選地，沿擴壓器半徑增大方向，所述N級分形葉片的葉片高度相同；或者逐級增大;或者逐級減小。
[0014]優(yōu)選地，所述N級分形葉片的葉片具有均一的厚度;或者，具有厚度不均的流線型形狀。
[0015]優(yōu)選地，第一級分形葉片的葉片進口端為燕尾形、鋸齒形、圓弧形或多圓弧形。
[0016]優(yōu)選地，所述上蓋板I和下蓋板2為環(huán)形板狀結構，所述上蓋板的內緣與下蓋板的內緣之間形成氣體進口 3，所述上蓋板的外緣與下蓋板的外緣之間形成氣體出口 4，第一級分形葉片位于氣體進口處，第N級分形葉片位于氣體出口處。
[0017]優(yōu)選地，所述擴壓器還包括:折轉整流通道，所述折轉整流通道為環(huán)繞擴壓器的圓筒狀結構，其氣體進口沿徑向正對擴壓器的氣體出口 4，所述折轉整流通道經(jīng)90度轉向，其氣體出口沿軸向延伸。
[0018](三)有益效果
[0019]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明的基于分形葉片的擴壓器具有以下有益效果:
[0020](I)按照分形理論在擴壓器沿半徑增大方向設置多級分形葉片，可以有效地抑制流動分離、減小流動阻塞和流動損失、增大擴壓器的擴壓能力和效率，有利于提高整機效率、減小整機尺寸、提高推重比/功重比；
[0021](2)在半徑方向的增大葉片數(shù)目按照2"—1的規(guī)律逐漸增多，下一級分形葉片對稱布置在上一級分形葉片的兩側，有利于進一步增大擴壓器的擴壓能力、抑制流動分離和減小流動損失，進一步提高了擴壓器的擴壓效率；
[0022](3)分形葉片可以為直葉片，便于加工，制作成本低;也可以為彎曲葉片，以保證所需要的進氣角度和出氣角度；
[0023](4)分形葉片可以具有均一的厚度，便于加工制造;也可以是厚度不均的流線型形狀，可以進一步減小流動損失；
[0024](5)可以在不改變原有離心壓氣機結構的基礎上，將本發(fā)明的擴壓器直接安裝到離心壓氣機的擴壓段上，便于實現(xiàn)壓氣機的改造升級；
[0025](6)第一級分形葉片的進口端可以為燕尾形等形狀，可以進一步增強擴壓器的擴壓效果；
[0026](7)擴壓器還可以包括折轉整流通道和整流隔板，以引導氣體流向，進一步提高壓氣機的效率。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實施例的基于分形葉片的擴壓器的結構示意圖；
[0028]圖2為圖1所示擴壓器略去上蓋板和下蓋板的一個擴壓段的俯視圖；
[0029]圖3為圖1所示擴壓器帶有上蓋板和下蓋板的一個擴壓段的三維視圖；
[0030]圖4為第一級分形葉片的進口端為燕尾形的示意圖。
[0031]【符號說明】
[0032]1-上蓋板；2-下蓋板；3-氣體進口；
[0033]4-氣體出口 ；5-第一級分形葉片；6-第二級分形葉片；
[0034]7-第三級分形葉片；8_第四級分形葉片；9-氣流通道；
[0035]10-第一級分形葉片的進口端。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明提供了一種基于分形葉片的擴壓器，分形是對自相似圖形和結構的總稱，是自然界中蘊含的普適規(guī)律，本發(fā)明利用分形理論設計擴壓器分形葉片的分布方式和數(shù)目，能夠有效提高擴壓器的擴壓能力、拓寬擴壓器的穩(wěn)定工作范圍、防止流動分離、減小擴壓器出口的摻混損失。本發(fā)明的擴壓器通流面積大、流動阻塞小、流動損失小，有利于提高整機效率、減小整機尺寸、提高推重比/功重比，可以在不改變原有離心壓氣機結構的基礎上，直接替換原來的離心壓氣機擴壓段，便于實現(xiàn)裝置的改造升級。
[0037]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0038]如圖1-4所示，本發(fā)明實施例的基于分形葉片的擴壓器，其包括上蓋板1、下蓋板2和分形葉片組，上蓋板I和下蓋板2為環(huán)形板狀結構，上蓋板的內緣與下蓋板的內緣之間形成氣體進口 3，上蓋板的外緣與下蓋板的外緣之間形成氣體出口4，分形葉片組夾設于上蓋板I和下蓋板2之間，上蓋板I和下蓋板2與分形葉片組之間形成氣流通道9，氣流通道9沿擴壓器半徑增大方向為擴張形，也可以保持不變，氣流由氣體進口 3進入擴壓器，經(jīng)氣體通道9后壓力增大并由氣體出口 4流出。
[0039]如圖所示，本實施例的分形葉片組包括沿擴壓器徑向分布的四級分形葉片:第一級分形葉片5、第二級分形葉片6、第三級分形葉片7和第四級分形葉片8，第一級分形葉片5位于氣體進口 3處，第四級分形葉片8位于氣體出口 4處，下一級分形葉片位于上一級分形葉片的沿擴壓器半徑增大方向(即由氣體進口3至氣體出口4方向或者下游方向)，每一級分形葉片沿周向排列且整體呈環(huán)形，下一級分形葉片的數(shù)量為上一級分形葉片數(shù)量的兩倍，上一級分形葉片的每個葉片對應下一級分形葉片的兩個葉片，下一級分形葉片的所述兩個葉片對稱布置在上一級分形葉片的該葉片的兩側。
[0040]擴壓器沿周向可以分為多個扇形的擴壓段，擴壓段的數(shù)量與第一級分形葉片的數(shù)量相同，對于每一個擴壓段來說，其包括I片第一級分形葉片5、2片第二級分形葉片6、4片第三級分形葉片7和8片第四級分形葉片8，即對于每一擴壓段來說，第η級分形葉片的數(shù)目為2η-、
[0041]本發(fā)明實施例的基于分形葉片的擴壓器，按照分形理論在擴壓器沿半徑增大方向設計多級分形葉片，可以抑制流動分離、減小流動阻塞和流動損失，增大擴壓器的擴壓能力和效率。具體來說，對于徑向流動的擴壓器來說，隨著半徑的增大，通流面積也逐漸增大，也就是說氣體的擴壓程度隨著半徑的增大逐漸增大，在這種情況下，如果不采取措施，仍保持葉片數(shù)目和厚度不變，將發(fā)生流動分離，增大流動損失、降低擴壓能力，而本發(fā)明的基于分形葉片的擴壓器的巧妙之處在于，按照分形規(guī)律，一方面隨著半徑方向的增大葉片數(shù)目按照2"—1的分布規(guī)律逐漸增多；另一方面，下一級分形葉片對稱布置在上一級分形葉片的兩偵U，分形葉片的這兩種分布形態(tài)均有利于增大擴壓器的擴壓能力、抑制流動分離和減小流動損失，提高了擴壓器的擴壓效率。
[0042]在本實施例中，分形葉片可以為直葉片，直葉片便于加工、制作成本低;也可以為彎曲葉片，彎曲葉片同時匹配進氣角和出氣角，以保證所需要的進氣角度和出氣角度。各級分形葉片的長度可以相同，也可以不同，優(yōu)選沿擴壓器半徑增大方向，分形葉片的長度逐級增大。各級分形葉片的高度可以相同，也可以不同，優(yōu)選各級分形葉片的高度相同。對于每一片分形葉片，其可以具有均一的厚度，這樣可以便于加工，也可以具有厚度不均的流線型形狀，這樣可以進一步減小流動損失。
[0043 ]優(yōu)選地，如圖4所示，可以對第一級分形葉片的進口端1進行修形，進口端可以為燕尾形，可以進一步增強擴壓器的擴壓效果。進一步地，該進口端還可以是鋸齒形、圓弧形、多圓弧形。
[0044]本實施例的擴壓器工作時，葉輪流出的氣體由氣體進口進入氣流通道，并經(jīng)氣體出口流出擴壓器，擴壓器的氣流通道引導氣體流動方向，實現(xiàn)氣體的減速擴壓，可以在不改變原有離心壓氣機結構的基礎上，直接安裝到離心壓氣機的擴壓段上，便于實現(xiàn)壓氣機的改造升級。
[0045]在本發(fā)明的其他實施例中，該擴壓器還包括折轉整流通道，折轉整流通道為環(huán)繞擴壓器的圓筒狀結構，其氣體進口沿徑向正對擴壓器的氣體出口 4，折轉整流通道經(jīng)90度轉向，其氣體出口沿軸向，將氣體流向轉至下一級擴壓器或燃燒室的氣體進口方向。更進一步地，折轉整流通道中布置有整流隔板，整流隔板可引導氣體流向，進一步提高壓氣機的效率。
[0046]可以理解，雖然本實施例的擴壓器包括四級分形葉片，但這只是示例性的說明，本發(fā)明并不限于此，基于擴壓器尺寸和擴壓效果等因素的考慮，擴壓器的分形葉片組可以具有N級分形葉片，KN<100，其中第一級分形葉片的數(shù)量可以為3-100片，均不影響本發(fā)明技術效果的實現(xiàn)且落入本發(fā)明的保護范圍。
[0047]至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明的基于分形葉片的擴壓器有了清楚的認識。
[0048]需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0049](I)分形葉片還可以選用其他結構；
[0050](2)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍；
[0051](3)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。
[0052]綜上所述，本發(fā)明的基于分形葉片的擴壓器可用于航空、發(fā)電、化工、冶金、暖通空調的壓縮機，是一種擴壓能力大、穩(wěn)定工作范圍寬、流動損失小、結構簡單緊湊、便于加工和制造的擴壓器。
[0053]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于分形葉片的擴壓器，其特征在于，包括:上蓋板(I)、下蓋板(2)和分形葉片組;所述分形葉片組夾設于所述上蓋板(I)和下蓋板(2)之間，所述上蓋板(1)、下蓋板(2)與分形葉片組之間形成氣流通道(9)，氣流經(jīng)所述氣體通道(9)后壓力增大。2.如權利要求1所述的擴壓器，其特征在于，所述分形葉片組包括沿擴壓器徑向分布的N級分形葉片，其中，下一級分形葉片位于上一級分形葉片的沿擴壓器半徑增大方向，下一級分形葉片的數(shù)量為上一級分形葉片數(shù)量的兩倍，上一級分形葉片的每個葉片對應下一級分形葉片的兩個葉片，下一級分形葉片的所述兩個葉片對稱設置在上一級分形葉片的葉片兩側。3.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，所述擴壓器沿周向分為多個扇形的擴壓段，所述擴壓段的數(shù)量與第一級分形葉片的數(shù)量相同，對于每一個擴壓段，其第η級分形葉片的葉片數(shù)量為2"—1。4.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，所述N級分形葉片的葉片為直葉片或彎曲葉片。5.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，沿擴壓器半徑增大方向，所述N級分形葉片的葉片長度相同；或者逐級增大;或者逐級減小。6.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，沿擴壓器半徑增大方向，所述N級分形葉片的葉片高度相同；或者逐級增大;或者逐級減小。7.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，所述N級分形葉片的葉片具有均一的厚度；或者，具有厚度不均的流線型形狀。8.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，第一級分形葉片的葉片進口端為燕尾形、鋸齒形、圓弧形或多圓弧形。9.如權利要求2所述的擴壓器，其特征在于，所述上蓋板(I)和下蓋板(2)為環(huán)形板狀結構，所述上蓋板的內緣與下蓋板的內緣之間形成氣體進口(3)，所述上蓋板的外緣與下蓋板的外緣之間形成氣體出口(4)，第一級分形葉片位于氣體進口處，第N級分形葉片位于氣體出口處。10.如權利要求9所述的擴壓器，其特征在于，所述擴壓器還包括:折轉整流通道，所述折轉整流通道為環(huán)繞擴壓器的圓筒狀結構，其氣體進口沿徑向正對擴壓器的氣體出口(4)，所述折轉整流通道經(jīng)90度轉向，其氣體出口沿軸向延伸。
【文檔編號】F04D29/44GK106089807SQ201610487727
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】李鋼
【申請人】中國科學院工程熱物理研究所