CN113094833B - 具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器设计方法 - Google Patents
具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器的造型方法，该方法制备的扩压器具有管式扩压器前缘结构且径向和轴向扩压器叶片为一体化设计，相比于管式扩压器，该扩压器造型方便、加工简单、造价低廉；相比于一般叶片扩压器，其特殊的叶片前缘三维扇形结构可以更好的应对叶轮出口复杂的非定常流；同时，在流道部分采用光滑过渡的型线将径向和轴向扩压器叶片进行一体化造型，从而在有限流动空间内大幅度提高高压比离心压气机压比、效率以及稳定工作裕度，特别适用于中小型航空发动机以及微型燃气轮机的离心压气机。
Description
技术领域
本发明提供一种具有管式扩压器燕尾型前缘结构，并将径向和轴向扩压器叶片进行一体化造型的扩压器设计方法，该扩压器结合了管式扩压器以及叶片式扩压器造型的优点：相比于管式扩压器，该叶片扩压器造型方便、加工简单、造价低廉；相比于一般叶片扩压器，其特殊的叶片前缘三维扇形结构可以更好的应对叶轮出口复杂的非定常流；同时，在流道部分采用一定曲率的型线将径向和轴向扩压器叶片进行一体化造型，从而在有限流动空间内大幅度提高高压比离心压气机压比、效率以及稳定工作裕度，特别适用于中小型航空发动机以及微型燃气轮机的离心压气机部件。
背景技术
由于离心压气机具有结构紧凑、压比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工艺性好及较宽的稳定工作裕度等优点，使其广泛用于航空石化等行业流体工质的增压装置，而在过去几十年中，随着行业需求，人们对离心式压气机的性能需求也越来越高，希望能够拥有更好的气动性能以及更宽的工作裕度。为进一步提高发动机的推重比，完善高空各种飞行状态下的性能，对离心压气机的压比有更高要求。而高压比离心压气机叶轮出口气流速度高且不均匀，再加上离心叶轮出口宽度很小，扩压器进口与叶轮出口非常接近，两者之间存在强烈的非定常相互作用，恶化离心叶轮与扩压器的匹配，大大降低离心压气机的效率和稳定工作范围，导致结构紧凑损失率低的扩压器设计非常具有挑战性，成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。
管式扩压器是沿着周向均布的一系列扩压器管道构成，相邻的两个管式扩压通道在进口处相贯，这样会形成一个燕尾型的前缘，该前缘的特殊三维结构对于高马赫数来流适用性较好，非常适合用于高压比离心压气机中。但是由于管式扩压器加工难度大、成本较高，目前很难用于工程实际。所以，亟需一种能够保证高压比离心压气机气动性能的同时又能降低加工成本的新型扩压器。中国专利CN201610608677.2公开了一种具有燕尾形前尾缘结构的叶片式扩压器及其造型方法，包括分体设计的内置径向扩压器叶片、内置轴向扩压器叶片，该扩压器可由传统叶片式扩压器创造性改造而成，具有造型方便、造价低、加工简单等优点，其特殊的燕尾形前尾缘可提高扩压器对离心叶轮出口高速无序流动的适应能力，从而提高高压比离心压气机效率和稳定工作裕度。但是该专利所公开的叶片式扩压器也存在不足之处，主要表现在通道截面为椭圆形，导致通道涡强度有所加强；同时，气流在径向扩压器出口经过90度弯管后，仅靠轮盘轮盖无法做到精细化控制流动，流动较为混乱，损失较大。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有管式扩压器燕尾型前缘结构并将径向扩压器叶片和轴向扩压器叶片进行一体化设计的扩压器造型方法，通过将径向扩压器叶片和轴向扩压器叶片进行一体化设计，相比于管式扩压器，该叶片扩压器造型方便、加工简单、造价低廉；相比于一般叶片扩压器，其特殊的叶片前缘三维扇形结构可以更好的应对叶轮出口复杂的非定常流；同时，在流道部分采用光滑过渡的型线将径向和轴向扩压器叶片进行一体化造型，从而在有限流动空间内大幅度提高高压比离心压气机压比、效率以及稳定工作裕度，特别适用于中小型航空发动机以及微型燃气轮机的离心压气机。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器设计方法，所述扩压器包括扩压器轮盘、扩压器轮盖以及设置在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖之间并沿周向均匀分布的若干一体化扩压器叶片，所述扩压器轮盘、扩压器轮盖均包括径向段和轴向段，每一所述一体化扩压器叶片均包括一径向叶片段和一轴向叶片段，各所述径向叶片段分布在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖的径向段之间，各所述轴向叶片段分布在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖的轴向段之间，相邻两所述一体化扩压器叶片之间形成一扩压流道，其特征在于，所述一体化扩压器叶片的一体化造型方法如下：
SS1.以所述扩压器轮盘或扩压器轮盖作为基体盘，利用机加工的方式在所述基体盘上加工出若干沿周向均布的基础扩压器叶片，各所述基础扩压器叶片以现有叶片式扩压器的叶片作为基元叶片进行造型，各所述基础扩压器叶片的径向叶片段以光滑过渡的方式转向其轴向叶片段，径向叶片段的前端形成为基础扩压器叶片的前缘，轴向叶片段的后端形成为基础扩压器叶片的尾缘；
SS2.在各所述基础扩压器叶片的前缘部分加工出一个扇形曲面结构，所述扇形曲面在所述基础扩压器叶片的吸力面侧与叶片通道喉部所在的吸力面型线相切，且所述扇形曲面从叶片的吸力面侧朝向压力面侧弯曲，以适应叶轮出口的高速来流马赫数，并且所述扇形曲面从叶片的吸力面侧朝向压力面侧的剖切深度不大于叶片通道喉部的长度，以保证叶片通道喉部的面积在剖切前后保持基本不变。
优选地，步骤SS2中，加工所述扇形曲面结构时，在所述基础扩压器叶片的前缘部分的基础上，采用光滑的Bezier曲线造型，并与叶片通道喉部所在的吸力面型线相切，曲线朝向压力侧弯曲，以适应叶轮出口的高速来流马赫数。
优选地，步骤SS2中，为保证基础扩压器叶片在引入前缘扇形结构的同时保证扩压器的喉部面积不发生变化，故在进行基元叶片造型的同时，引入喉部长度的参数，但是由于喉部长度过长会导致扩压器扩张能力不够，过短则整流效果较差，所以需要根据来流的情况来确定具有合适长度的喉部长度。
进一步地，各基元扩压器叶片前缘由多点Bezier曲线控制，根据来流情况确定扇形结构的大小，为保证扩压器喉部面积在剖切前后基本不变，剖切深度不能长于喉部长度。
优选地，步骤SS1中，通过Bezier曲线将径向叶片段和轴向叶片段光滑连接，并将基础扩压器叶片的吸力面和压力面型线沿着周向有一定的角度偏移，并以通道中线为轴对称形状，保证整体流道呈喇叭状。
进一步地，将通道中线通过一定的曲率控制，使吸力面和压力面型线具有更好的扩压和导流能力并且损失更小。
优选地，所述扩压器的轮盖和扩压器轮盘均包括径向和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，且两者之间光滑过渡连接。所述扩压器轮盖、扩压器轮盘与扩压器叶片一起构成一体化叶片扩压器。
优选地，所述扩压器设置在离心压气机气流出口部分，且扩压器进口半径R3与离心叶轮出口半径R2之比为1.03～1.1。
本发明的具有径/轴一体化叶片式扩压器，在扩压器进口处具有管式扩压器燕尾型前缘几何形状，在扩压通道中形成具有类似叶片扩压器的通道。
优选地，步骤SS1中，用于造型的基础扩压器叶片的扩张半角不大于6°，叶片通道的喉部长度L与喉部宽度之比为1/3～1，且扩压器叶片的数目为17～29。
进一步地，扩压器前缘扇形的大小可以通过调整前缘Bezier控制线获得；扩压通道的横截面积可以通过改变基元叶片的前缘预压缩角度和扩压器扩张半角获得，从而调整扩压器进出口面积比。
本发明的另一个发明目的在于提供一种利用上述造型方法获得的扩压器。
本发明的发明目的还在于提供一种离心压气机，其特征在于，所述离心压气机包括本发明的上述扩压器。
与传统叶片式扩压器相比，本发明制备的融合管式特征且径/轴向一体化叶片式扩压器，其进口的扇形前缘结构对于高马赫数气流适应性较好，可以在较为紧凑的空间里有效提高离心压气机的效率和稳定工作裕度；与管式扩压器相比，本发明的叶片式扩压器不但继承了管式扩压器的优点，同时可以采用传统叶片式扩压器加工工艺，有效解决了管式扩压器存在的加工难度大，成本高以及加工精度难保证等问题。此外采用一体化的扩压器造型，可以有效控制流体在大转角处流向，有效减小流动损失，因此可以获得比传统叶片式以及管式扩压器更高的性能。
附图说明
图1为本发明的制备的具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器的结构示意图。
图2为一体化扩压器叶片与扩压器轮盖形成的整体盘结构示意图。
图3为基元叶型前缘造型参数示意图。
图4为具有燕尾前缘且径向和轴向叶片段一体化的扩压器叶片的三维示意图。
图5为本发明的扩压器应用于高压比离心压气机的示意图。
附图标记说明：
1－扩压器轮盘；2－扩压器轮盖；3－扇形前缘；4—一体化扩压器叶片；5—一体化叶片通道；6—扩压器联接螺栓；7—离心压气机叶轮；8—R3为扩压器叶片进口半径；θ1为吸力面预压缩角；θ2为流道扩张角；β为流道中线与坐标x轴之间的夹角。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明的具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器，包括扩压器轮盘1、扩压器轮盖2以及内置若干一体化扩压器叶片4。扩压器轮盖1和扩压器轮盘2均包括径向和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，两者光滑过渡连接；扩压器联接螺栓6将一体化扩压器叶片4固定在扩压器轮盘1和扩压器轮盖2之间，该实施例适用于高压比离心压气机。其中扩压器轮盖2、一体化扩压器叶片4组成一个整体盘，先利用机床在整体盘上铣制出一体化扩压器叶片，铣制过程中一体化扩压器的径向转轴向叶片部分需要光滑过渡，形成17～29个一体化叶片；在扩压器前缘部分，铣制出一个扇形结构，并沿着通道逐渐变厚与通道叶片光滑过渡，最后利用扩压器联接螺栓6将扩压器轮盘1、扩压器轮盖2和一体化扩压器叶片组成的整体盘联接在一起，形成一体化叶片通道。另外，在扩压器加工过程中，需要保证扩压器进口半径R3与离心叶轮出口半径R2之比为1.03～1.1。叶片扩压器的扩张半角不大于6°，扩压器喉部长度L与扩压器喉部宽度之比为1/3～1，且扩压器叶片4的数目为17～29。
图3示出在传统基元叶片基础上引入喉部长度L以及预压缩角度θ1等设计特征，R3为径向扩压器叶片进口半径，θ2为流道扩张角；β为流道中线与坐标x轴之间的夹角。在引入喉部长度特征后进行三维造型时，对前缘扇形的剖切深度不能长于喉部长度，以保证压气机在改型前后流量变化范围基本不变。扩压通道的横截面积可以通过改变基元叶片的前缘预压缩角度θ1和扩压器扩张角θ2获得，从而调整扩压器进出口面积比。
图4示出单个一体化扩压器叶片，是在传统基元叶片扩压器(图3)引入喉部长度以及预压缩角度后，然后进行三维造型，再创造性引入前缘扇形以及一体化的设计造型而来。
图5示出本发明的扩压器应用于高压比离心压气机的实例。扩压器在离心压气机的出口部分。工作时，离心叶轮7绕着压气机轴8旋转，对气流进行增压；然后气流通过由扩压器轮盘1、扩压器轮盖2和一体化扩压器叶片4组成的扩压通道中进行减速增压，然后进入燃烧室。由于离心压气机转速以及压比均较高，而扩压器入口与叶轮出口的距离又非常小，导致扩压器进口马赫数Ma较高，同时由于离心叶轮的泄漏流与轮盖附近附面层相互作用、以及离心叶轮低叶高处的射流作用，而采用扇形前缘的结构可以很好的适用这种来流条件，能够有效提高压气机效率和稳定工作裕度。
综上所述，本发明径/轴一体化叶片式扩压器，可以直接用于中小型航空燃气涡轮发动机的离心压气机以及微型燃气轮机中，能够在不改变原型尺寸以及加工制造成本的基础上提高扩压器性能，从而提高压气机效率和稳定工作裕度。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (12)
1.一种具有燕尾前缘且径向和轴向叶片一体化的扩压器设计方法，所述扩压器包括扩压器轮盘、扩压器轮盖以及设置在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖之间并沿周向均匀分布的若干一体化扩压器叶片，所述扩压器轮盘、扩压器轮盖均包括径向段和轴向段，每一所述一体化扩压器叶片均包括一径向叶片段和一轴向叶片段，各所述径向叶片段分布在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖的径向段之间，各所述轴向叶片段分布在所述扩压器轮盘与扩压器轮盖的轴向段之间，相邻两所述一体化扩压器叶片之间形成一扩压流道，其特征在于，所述一体化扩压器叶片的一体化造型方法如下：
SS1. 以所述扩压器轮盘或扩压器轮盖作为基体盘，利用机加工的方式在所述基体盘上加工出若干沿周向均布的基础扩压器叶片，各所述基础扩压器叶片以现有叶片式扩压器的叶片作为基元叶片进行造型，各所述基础扩压器叶片的径向叶片段以光滑过渡的方式转向其轴向叶片段，径向叶片段的前端形成为基础扩压器叶片的前缘，轴向叶片段的后端形成为基础扩压器叶片的尾缘；
SS2. 在各所述基础扩压器叶片的前缘部分加工出一个扇形曲面结构，所述扇形曲面在所述基础扩压器叶片的吸力面侧与叶片通道喉部所在的吸力面型线相切，且所述扇形曲面从叶片的吸力面侧朝向压力面侧弯曲，以适应叶轮出口的高速来流马赫数，并且所述扇形曲面从叶片的吸力面侧朝向压力面侧的剖切深度不大于叶片通道喉部的长度，以保证叶片通道喉部的面积在剖切前后保持基本不变。
2.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，步骤SS2中，加工所述扇形曲面结构时，在所述基础扩压器叶片的前缘部分的基础上，采用光滑的Bezier曲线造型，并与叶片通道喉部所在的吸力面型线相切，曲线朝向压力侧弯曲，以适应叶轮出口的高速来流马赫数。
3.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，步骤SS2中，为保证基础扩压器叶片在引入前缘扇形结构的同时保证扩压器的喉部面积不发生变化，故在进行基元叶片造型的同时，引入喉部长度的参数，根据来流的情况来确定具有合适长度的喉部长度。
4.根据权利要求3所述的扩压器设计方法，其特征在于，各基元扩压器叶片前缘由多点Bezier曲线控制，根据来流情况确定扇形结构的大小，为保证扩压器喉部面积在剖切前后基本不变，剖切深度不能长于喉部长度。
5.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，步骤SS1中，通过Bezier曲线将径向叶片段和轴向叶片段光滑连接，并将基础扩压器叶片的吸力面和压力面型线沿着周向有一定的角度偏移，并以通道中线为轴对称形状，保证整体流道呈喇叭状。
6.根据权利要求5所述的扩压器设计方法，其特征在于，将通道中线通过一定的曲率控制，使吸力面和压力面型线具有更好的扩压和导流能力并且损失更小。
7.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，所述扩压器的轮盖和扩压器轮盘均包括径向和轴向部分，且轴向部分均设置在径向部分的外圆周部分，且两者之间光滑过渡连接，所述扩压器轮盖、扩压器轮盘与扩压器叶片一起构成一体化叶片扩压器。
8.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，所述扩压器设置在离心压气机气流出口部分，且扩压器进口半径R3与离心叶轮出口半径R2之比为1.03～1.1。
9.根据权利要求1所述的扩压器设计方法，其特征在于，步骤SS1中，用于造型的基础扩压器叶片的扩张半角不大于6°，叶片通道的喉部长度L与喉部宽度之比为1/3～1，且扩压器叶片的数目为17～29。
10.根据权利要求9所述的扩压器设计方法，其特征在于，扩压器前缘扇形的大小通过调整前缘Bezier控制线获得；扩压通道的横截面积通过改变基元叶片的前缘预压缩角度和扩压器扩张半角获得，从而调整扩压器进出口面积比。
11.一种利用上述权利要求1~10任一项所述的方法获得的扩压器。
12.一种离心压气机，其特征在于，所述离心压气机包括权利要求11所述的扩压器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |