CN103775388A - 掠扭式三维叶片扩压器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是掠扭式三维叶片扩压器，其结构是叶片前缘形状设计成掠形，掠角在±45°范围内，叶片适应来流展向不同气流角而扭转，主叶片从进口至轴向出口设计为三维整体结构，主叶片通道内后段设有分流叶片。优点：减弱激波和附面层的相互作用，改善扩压器内流动；消除由于部分叶高处较大的正负攻角导致的叶片表面气流分离和载荷亏损，减小流动损失，从而使离心/斜流压气机的静子部件扩压器能达到更高的效率和压比。改变激波强度甚至消除激波，同时减弱激波和附面层相互作用带来的影响；避免过大的正攻角或负攻角带来的流动损失，提高扩压器的扩张能力和工作范围，以帮助整级压气机性能的提高。

Description

掠扭式三维叶片扩压器及设计方法

技术领域

本发明涉及的是离心或斜流压气机的掠扭式三维叶片扩压器及设计方法，可以适应展向非均匀的跨声速入流条件，减小扩压器内流动损失，从而使压气机能达到更高的效率和压比，属于径流式压气机技术领域。

背景技术

半个世纪以来，动力装置不断发展，功重比要求不断提高，且同时要求尽量减小部件数量、缩小部件尺寸以减轻重量，这就需要提高离心（或斜流）压气机单级压比。在现有对离心压气机压比不断提高的要求下，扩压器进口马赫数将达到1.0左右，声速入流会导致扩压器半无叶区内形成激波。激波的存在与附面层相互作用加剧扩压器内分离的产生与发展，降低了扩压器扩压能力及效率，使得整个压气机性能急剧下降。

高负荷离心压气机叶轮出口处由于叶片从根部到尖部滑移程度和流场结构差异都很大，使得扩压器面临着展向差异明显的非均匀入流。现有扩压器采用进口段沿展向叶片角相同的直拉伸叶片（图1），这种叶片适应于均匀来流，对于速度和气流角沿展向大幅度变化的来流存在很大的损失。

速度沿展向的大幅度变化导致扩压器进口流场同时包括了亚声速和超声速区域，促发三维激波面，激波与叶片表面附面层相互作用促进吸力面流动分离，造成严重的流动损失，因此控制激波强度及位置对于提高扩压器性能有重要意义。

来流气流角沿展向的大幅度变化使得叶片沿展向的攻角也大幅度变化，造成依据平均气流角设计的扩压器近叶尖处于大的正攻角状态而叶根具有大的负攻角。近叶尖处大的正攻角状态会导致吸力面气流分离，并且这种情况使得近叶尖位置进口至喉道收缩程度增加，吸力面局部加速引发强激波，强激波与附面层干扰引发分离，分离的产生及发展导致扩压器扩压能力下降流动损失增加，且减小扩压器的工作范围；近叶根处存在较大的负攻角会导致压力面形成低速区甚至分离，导致载荷亏损。（附图2说明了攻角沿展向非均匀的流动特点。）。

发明内容

本发明提出的是一种掠扭式三维叶片扩压器及设计方法，其目的是综合适应展向非均匀跨声速入流特征，有效地控制激波位置及强度，减弱激波与附面层的相互作用，消除叶尖和叶根由于存在较大的攻角导致流动分离或者载荷亏损等流动状态，使得叶片沿展向一直处于最佳的攻角范围内，同时沿程控制通道的面积变化调节扩压程度，从而获得高性能扩压器。

本发明的技术解决方案：掠扭式三维叶片扩压器，其结构是叶片前缘形状设计成掠形，叶片适应来流展向不同气流角而扭转，主叶片从进口至轴向出口设计为三维整体结构，通道后段设有分流叶片。

掠扭式三维叶片扩压器的设计方法，包括如下步骤：

1）将扩压器通道沿展向（即叶高方向），分为n（n≥5）个截面，相邻截面之间组成一个单元通道；

2）掠形前缘构造

通过掠角，该掠角定义为轴向Z与叶片前缘曲线每点切线所夹的锐角，逆时针为正，反之为负，掠角在±45°范围内，沿展向分布得到叶片掠形的前缘曲线，从而确定n个截面的子午流道前缘进口直径； 

3）通道构造角给定

根据来流气流角分布，确定各个截面进口处相应的叶片角，以各个截面的进口叶片角为基础给出相应的通道构造角分布；

4）单元通道设计

通道设计时通过相邻两个截面将整个扩压器通道分为n-1个单元通道，然后针对各个单元通道进行设计，如附图6所示。根据步骤3）中给出的构成单元通道的两截面各自的通道构造角分布结合子午流道确定通道中心线；给定通道截面面积沿通道中心线变化确定单元通道形状；通过通道面积和通道构造角转化成通道的实际周向面积沿子午流道分布，则子午流道回转形成的环形的一个周期面积与实际面积之间的差值即为叶片，叶片中弧线与通道中心线形状相同，且两截面叶片厚度相同；

5）截面叶片修正

根据步骤4）完成n-1个单元通道设计后，除了截面1和截面n外其余截面叶片厚度皆存在两个值，取两者的平均值为该截面的叶片厚度；经上述处理后确定了n个截面的叶片形状，则获得包含扭转特征的一系列叶型；截掉每个截面小于步骤2）中相应截面子午流道进口直径的叶片，将每个叶片前缘重新倒圆，得到一系列叶型；

6）掠扭主叶片和分流叶片设计生成

将获得的n各截面上叶型拟合成三维掠扭叶片，截取叶片尾缘至前方30%～80%长度处的叶片，减薄形成分流叶片，完成掠/扭叶片式扩压器设计。

本发明的优点：减弱激波和附面层的相互作用，改善扩压器内流动；消除由于部分叶高处较大的正负攻角导致的叶片表面气流分离和载荷亏损，减小流动损失，从而使离心/斜流压气机的静子部件扩压器能达到更高的效率和压比。改变激波强度甚至消除激波，同时减弱激波和附面层相互作用带来的影响；避免过大的正攻角或负攻角带来的流动损失，提高扩压器的扩张能力和工作范围，以帮助整级压气机性能的提高。 

附图说明

附图1是现有保形通道扩压器示意图。

附图2是扩压器进口段不同展向位置流动示意图。

附图3是掠形叶片设计示意图,其左图截取扩压器子午流道前缘，z为轴向，R为径向。

附图4-(a)为扭叶片扩压器中离心压气机扩压器进口气流角沿展向分布(来流气流角分布)示意图。

附图4-(b)为扭叶片扩压器中选取n个点值适当调整作为扩压器不同截面进口叶片角，给出通道构造角分布示意图。

附图4-(c)为根据附图4-(b)设计的扭叶片示意图，其中β定义为气流流动方向与切向的夹角，β _k 为通道构造角定义为通道中心线与子午面的夹角，Z为展向，L为子午流道方向。

附图5是掠扭叶片式扩压器示意图。

附图6-(a)为通道构造角分布示意图，L为子午流道方向。

附图6-(b)为结合子午流道确定通道中心线示意图。

附图6-(c)为通道截面面积沿通道中心线变化确定截面1和截面2 之间的通道形状示意图。

附图6-(d)为环形周期面积与实际面积之间的差值即为叶片示意图。

附图7是各段通道交接处理方法示意图。

图1中的1为主叶片，2为分流叶片，3为半无叶区。主叶片和分流叶片是直叶片，叶片进口处沿展向叶片安装角相同。

具体实施方式

下面结合附图进一步地描述本发明的技术方案：

掠扭式三维叶片扩压器，其结构是叶片前缘形状设计成掠形，掠角在±45°范围内，适应来流展向不同气流角的扭转叶片，两者相结合形成的掠扭式叶片三维扩压器，主叶片通道内后段设有分流叶片。如图5所示。

掠扭式叶片三维扩压器的设计方法，设计扩压器叶片时在展向通道选取若干截面作为设计截面，则相邻两个截面之间组成一个单元通道，通过面积分布和截面构造角分布完成单元通道形状的设计，将各个单元通道组合并调整形成完整的三维通道，即确定三维叶片形状，根据掠形前缘曲线修改叶片前缘，最终得到了包含掠扭特征的扩压器叶片。

具体设计方法，包括以下步骤

1）将扩压器通道沿展向（叶高方向）分为n（n≥5）个截面，相邻截面之间组成一个单元通道；

2）掠形前缘设计

通过掠角（掠角定义为轴向Z与叶片前缘曲线每点切线所夹的锐角，逆时针为正，反之为负，掠角在±45°范围内）沿展向分布得到叶片掠形的前缘曲线（附图3中左图），从而确定n个截面的子午流道前缘进口直径； 

3）通道构造角设计

根据来流气流角分布（附图4-(a)），确定各个截面进口处相应的叶片角，以各个截面的进口叶片角为基础给出相应的通道构造角分布（附图4-(b)）； 

4）单通道设计

通道设计时通过相邻两个截面将整个扩压器通道分为n-1个单元通道，然后针对各个单元通道进行设计。附图6-(a)~附图6-(d)中给出截面1和截面2所夹的单段通道设计过程，进口直径选为截面1和截面2进口直径的最小值，根据步骤2中给出的截面1和截面2的通道构造角分布（附图6-(a)）结合子午流道确定通道中心线（附图6-(b)）；给出通道截面面积沿通道中心线变化确定截面1和截面2 之间的通道形状（附图6-(c)）；通过通道面积和通道构造角转化成实际环形面积沿子午流道分布，则环形周期面积与实际面积之间的差值即为叶片（附图6-(d)），叶片中弧线与通道中心线形状相同，且截面1和截面2的叶片厚度相同；其余截面之间的通道设计过程相同；

5）截面叶片修正

根据步骤3）完成n-1个单元通道设计后，除了截面1和截面n外其余截面叶片厚度皆存在两个值，取两者的平均值为该截面的叶片厚度，附图7；经上述处理后确定了n个截面的叶片形状，则获得包含扭转特征的一系列叶型（即可拟合成扭转叶片附图4-(c)）；截掉每个截面小于步骤1中相应截面子午流道进口直径的叶片，将每个叶片前缘重新倒圆，得到包含掠形特征的一系列叶型；

6）掠扭主叶片和分流叶片设计

将各截面上叶型拟合成三维叶片，完成扩压器掠扭主叶片设计。截取掠扭叶片某一位置至尾缘的叶片，按照一定比例缩小形成分流叶片，完成了掠扭叶片扩压器设计。

所述的扩压器叶片前缘掠形乃是通过调整扩压器叶片前缘曲线形状，改变入口激波在半无叶区的位置有效地调整激波强度，削弱激波和附面层的相互作用，推迟分离的起始位置，减少了激波损失和分离损失。

所述的扩压器叶片扭转，通过调整展向不同位置通道构造角，使得进口处叶片沿展向气流方向皆处于最佳攻角范围内，适应叶轮出口攻角沿展向大幅度变化的特点，削弱了近叶尖由于较大的正攻角导致吸力面加速很快产生的强激波及分离；同时避免了靠近叶根处由于较大的负攻角状态引起的压力面低速区及扩压能力下降，提高了扩压器及压气机整级性能。

所述的扩压器三维整体叶片，将扩压器流道从进口至轴向出口融合为一整体，实现了对整个流通过程气流扩张和转折的控制，有利于减小流动过程中的损失，使扩压器达到最大工作能力。

实现方法：将扩压器三维叶片沿展向分为n个截面，通过对子午流道前缘线的控制实现掠形的设计，附图3；通过对通道构造角的控制完成叶片扭转的设计，附图4-(a)~附图4-(c)；通过沿程面积及通道构造角之间的关系完成整个扩压器通道设计；将以上三种设计方法结合实现掠/扭式叶片的扩压器设计。

实施例

1）确定扩压器的整体尺寸，包括进口直径300mm、进口叶片高度15mm、最大直径450mm及轴向长度95mm，设计子午流道形状。将扩压器子午流道沿展向（叶片高度方向）均分为7个截面。

2）给定掠角沿展向为常值15°，即前掠，第3个截面（中间截面）的进口直径为设计值300mm，结合进口叶片高度15mm，则可以确定进口前缘曲线（如附图3中左图，其中掠角α=15°，截面n=7），进而确定了 1~7截面的进口直径d ₁ ~d ₇ 。

3）根据来流气流角沿展向的分布规律确定7个截面进口处的通道角β ₁ ~β ₇ （附图4-(a)，其中截面n=7）。第1个截面进口通道角为β ₁ ，出口处为0°，设计出通道构造角分布，截面2~7同上，则确定了每个截面的通道构造角分布（附图4-(b),其中截面n=7）。

4）截面1-7个将整个扩压器通道分为1-2、2-3、3-4、4-5、5-6和6-7共六个单元通道，对每个通道进行单独设计。首先设计1-2单通道，进口直径选取为d ₁ 和d ₂ 的最小值，设计子午流道（即整体子午流道的相应比例值，如截面2子午线坐标R ₂ =R ₁ +(R ₇ -R ₁ )×1÷6，Z ₂ =Z ₁ +(Z ₇ -Z ₁ )×1÷6，对前缘进行相应的修改），根据截面1和截面2的通道构造角分布和子午流道形状计算出通道中心线（附图6(a)- 图6 (b)）。给出通道中心线上5个位置L ₁ ~L ₅ 处有效流通面积A ₁ ~A ₅ ,通过曲线拟合得到整个通道面积分布，进而得到通道形状（附图6-(c)）,根据沿通道中心线的有效流通面积和通道角求出子午流道上相应位置的流道环形面积，将周期通道的环形面积和流道环形面积的差值即为叶片厚度和高度的乘积，从而确定了叶片厚度（附图6-(d)），截面1和截面2在子午流道L位置处叶片厚度为                                                

。按照上述步骤获得其余五个通道形状和相应叶片厚度。

5）除了截面1和截面7外，截面2~6在单通道设计过程中皆计算出了两个叶片厚度，如截面2存在

两个厚度，将两个值取平均得到截面2相应子午流道位置处的叶片厚度t ₂ （附图7，其中n=7），则得到该截面叶片形状，截去直径小于d ₂ 的所有点，将叶片前缘重新倒圆，获得截面2最终的叶片形状，其他6个截面处理方法同上。

6）将7个截面的叶片进行展向拟合得到了掠扭的三维叶片。截取叶片50%至尾缘处，将叶片厚度减薄至原来的40%，得到分流叶片，组合成完整的扩压器（附图5）。

所述的扩压器叶片前缘掠形乃是通过调整扩压器叶片前缘曲线形状，改变入口激波在半无叶区的位置有效地调整激波强度，削弱激波和附面层的相互作用，推迟分离的起始位置，减少了激波损失和分离损失。

扩压器叶片扭转，是通过调整展向不同位置通道构造角，使得进口处叶片沿展向气流方向皆处于最佳攻角范围内，适应叶轮出口攻角沿展向大幅度变化的特点，削弱了近叶尖由于较大的正攻角导致吸力面加速很快产生的强激波及分离；同时避免了靠近叶根处由于较大的负攻角状态引起的压力面低速区及扩压能力下降，提高了扩压器及压气机整级性能。

Claims (2)

1.掠扭式三维叶片扩压器，其特征是叶片前缘形状设计成掠形，叶片适应来流展向不同气流角而扭转，主叶片从进口至轴向出口设计为三维整体结构，通道后段设有分流叶片。

2.掠扭式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1）将扩压器通道沿展向，即叶高方向，分为n个截面，n≥5，相邻截面之间组成一个单元通道；

2）掠形前缘构造

通过掠角，该掠角定义为轴向Z与叶片前缘曲线每点切线所夹的锐角，逆时针为正，反之为负，掠角在±45°范围内，沿展向分布得到叶片掠形的前缘曲线，从而确定n个截面的子午流道前缘进口直径； 

3）通道构造角给定

根据来流气流角分布，确定各个截面进口处相应的叶片角，以各个截面的进口叶片角为基础给出相应的通道构造角分布；

4）单元通道设计

通道设计时通过相邻两个截面将整个扩压器通道分为n-1个单元通道，然后针对各个单元通道进行设计，根据步骤3）中给出的构成单元通道的两截面各自的通道构造角分布结合子午流道确定通道中心线；给定通道截面面积沿通道中心线变化确定单元通道形状；通过通道面积和通道构造角转化成通道的实际周向面积沿子午流道分布，则子午流道回转形成的环形的一个周期面积与实际面积之间的差值即为叶片，叶片中弧线与通道中心线形状相同，且两截面叶片厚度相同；

5）截面叶片修正

根据步骤4）完成n-1个单元通道设计后，除了截面1和截面n外其余截面叶片厚度皆存在两个值，取两者的平均值为该截面的叶片厚度；经上述处理后确定了n个截面的叶片形状，则获得包含扭转特征的一系列叶型；截掉每个截面小于步骤2）中相应截面子午流道进口直径的叶片，将每个叶片前缘重新倒圆，得到一系列叶型；

6）掠扭主叶片和分流叶片设计生成

将获得的n各截面上叶型拟合成三维掠扭叶片，截取叶片尾缘至前方30%～80%长度处的叶片，减薄形成分流叶片，完成掠/扭叶片式扩压器设计。

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