無葉擴壓器

有些通風機葉輪出口，氣流速度相當大，特別是前向葉片。高速氣流從葉輪出口流入機殼時，因為流道截面積的突然擴大，所以產生較大的突然擴大損失。同時，在渦殼中又不能夠充分地把動能轉變為靜壓能，致使通風機的動壓比較大。為減少突然擴大損失及提高通風機的靜壓及其效率，在有些通風機葉片出口設有無葉擴壓器。

基本介紹

• 中文名：無葉擴壓器
• 外文名：vaneless diffuser
• 分類：靜止、迴轉無葉擴壓器
• 用途：提高通風機的靜壓
• 套用：製冷壓縮機、過程壓縮機
• 特點：沒有喉部面積存在

分類

通風機中所套用的無葉擴壓器有靜止無葉擴壓器(簡稱靜止擴壓器)和迴轉無葉擴壓器(簡稱迴轉擴壓器)。

靜止擴壓器安裝在葉輪外面，同定於機殼上，環狀流道互相平行。由葉輪出來的高速氣流，經過靜止的截面逐漸擴大的擴壓器，將部分動能轉變為靜壓能，從而提高通風機的靜壓及靜壓效率。

對某些通風機，在渦殼上加靜止擴壓器，用以把部分動壓轉變為靜壓，但效果不是很好。為達到與靜止擴壓器相同的目的，有時在離心通風機中，採用了迴轉無葉擴壓器。此無葉擴壓器在國內國外的一些通風機中，都得到了套用。由於這種擴壓器隨葉輪一起迴轉，通常稱為迴轉擴壓器。

結構特點

無葉擴壓器廣泛用於製冷壓縮機、過程壓縮機和渦輪增壓器壓氣機中，只要設計合理，就可以使無葉擴壓器具有較高的靜壓恢復能力。在結構上無葉擴壓器所具有的一個突出特點是沒有喉部面積存在，因此在擴壓器內不可能出現堵塞流動現象，這也是採用無葉擴壓器的離心壓氣機工作範圍寬廣的主要原因。與有葉擴壓器相比，由於無葉擴壓器不存在葉片和葉輪之間相互干涉而產生的振動現象，因此也就不存在由於兩者之間相互振動而引起的疲勞失效問題。

無葉擴壓器具有結構簡單、工作範圍寬廣、容易製造而被廣泛採用。無葉擴壓器有兩種基本結構形式：一種是平行壁式結構；一種是先經過收縮段後再流進平行段的結構。後一種結構由於氣流先流過收縮段，有助於氣體的穩定流動。擴壓器入口氣流流動是非常複雜的，從葉輪每一個葉片槽道流出的氣流為射流一尾跡的非定常流動。

研究歷程

Stanitz(1952)通過對一個進口流動角為76°半徑比為1.8的無葉擴壓器內部氣流流動進行理論研究發現，氣流在擴壓器進口和出口之間的運動軌跡是一條360°的弧線，因此擴壓器流道越長，所產生的摩擦損失也就越大。一般情況下，一個無葉擴壓器的總壓恢復係數是0.5。對於可壓縮流動，也即理想氣體，如空氣，當壓力增加，密度也增加，因此沿擴壓器半徑方向上的流動角也是增加的，而摩擦力的存在使流動角有減小的趨勢，因此氣流運動軌跡還是接近於對數螺旋線。當然，流動角在實際中不可能達到90°，因為在這種情況下將不可能有氣流流出擴壓器。對於有些非理想氣體，如氟利昂，流動角沿擴壓器流動方向則是減小的。與有葉擴壓器相比，工質在無葉擴壓器中由於是作對數螺旋線運動，因此無葉擴壓器中工質運行軌跡的長度要大於有葉擴壓器中工質運動軌跡的長度，這也是無葉擴壓器中流動損失大於有葉擴壓器中流動損失的原因。

Herbert(1978)在Stanitz(1952)工作的基礎上又考慮了擴壓器壁面邊界層增長因素。他假設在葉輪出口處的邊界層厚度為零，其厚度在流動方向上逐漸增厚。通過研究發現，擴壓器內邊界層速度分布可以用管內湍流的1/7次方關係進行計算。如果無葉擴壓器流道充分長，端壁上的邊界層將可能相互會合，這種情況下將不存在中心流動區，速度分布可以採用管內湍流的1/7次方分布計算，很明顯壁面邊界層厚度是通道寬度的一半。Schumann
(1986)使用他所建立的一個理論模型計算了徑向無葉擴壓器內三維非軸對稱湍流流動，並把計算結果和採用三維黏性程式的計算結果進行了比較，發現兩者吻合的很好，這也進一步說明採用簡單數學模型研究無葉擴壓器性能也是一種可行方法。

無葉擴壓器的不穩定流動

在離心式葉輪機械中，浪涌可由許多原因引起，旋轉失速現象一般也是浪涌的先導。正如前幾節所敘述的那些不穩定流動現象，它們是局部的不穩定流動，!但漸漸能發展到總體的不穩定流動——浪涌。浪涌可由旋轉失速引起，但在性質-七，兩者又木是一回事。它除了局部性與總體性的這種差別外，浪涌只能發生在可壓縮流動中。正如從第一節的分析可知，它的流動振盪頻率通常與進口或出口容積相關聯的海姆霍茲諧振有關。在離心泵中，並不發生浪涌。但不管怎么樣，在小流量時總可以觀察到流動的嚴重變壞。泵中流動的破壞，可以是由某種形式的旋轉失速引起。

離心式葉輪機械的旋轉失速可分為三種：

(1)與葉輪相關的旋轉失速。這種旋轉失速類似於發生在軸流式轉子大正攻角時所發生的不穩定流動現象。

(2)在葉片擴壓器中的旋轉失速，它也發生在大攻角中。

(3)徑向無葉擴壓器中的旋轉失速。

旋轉失速現象，可以這樣來描述。無葉擴壓器中的低速區域集中在稱之為失速單元的若干區域內，其總周長可均勻地劃分成若干區。這些區域分別具有大的或小的局部速度。這些失速基元以流動速度向量方向繞軸旋轉，其旋轉速度是若干變數的函式，但是明顯地慢於切向流動速度。仔細地研究所測得的速度，對一個固定觀察者來講，可以發現，速度由定常部分和一個近似於正弦變化的部分所組成。當失速基元通過觀察者時，形成最小速度。