CN101158991A - 大小叶片压气机的气动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大小叶片压气机的气动设计方法，包括：首先，输入进行所述气动设计所需的参数信息，包括需进行气动设计的压气机是否是大小叶片压气机的信息。然后，判断需进行气动设计的压气机是相同叶片压气机还是大小叶片压气机，如果是大小叶片压气机，则按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义，包括对小叶片在相邻两大叶片中间的相对周向位置P1＝S1/S；稠度P3＝(C1+C)/S。之后，采用通流法进行计算，并通过收敛判断，优化设计数据。能对大、小叶片的几何参数进行优化设计。

Description

大小叶片压气机的气动设计方法

技术领域

本发明涉及一种压气机设计技术，尤其涉及一种大小叶片压气机的气动设计方法。

背景技术

压气机是叶轮机械的一个分类，叶片式压气机一般用于给气体增压。带有一排叶片的旋转的叶轮和后面的一排静止的叶片称为压气机的一级，当需要给气体增压较高时，通常采用多级压气机的方式，对于其中的某一级而言，按气体的流动形式可分为轴流式、离心式和斜流式压气机。轴流式压气机气体的流动方式是轴向进气，轴向排气；离心式压气机气体的流动方式是轴向进气，径向排气；斜流式压气机是轴流与离心压气机的折衷，轴向进气，与轴向有一定角度排气。

现有技术中的轴流压气机和斜流压气机，采用大小相同的叶片沿圆周方向均匀分布，叶片与叶片之间形成的通道是相同的。基于这样的结构形式进行优化设计，以航空发动机为代表，几十年来压气机的增压能力不断提高。提高轴流压气机增压能力的方法有两个，一个是增加转子叶轮的转速，一个是增加气流经过叶片后的转角。提高转速导致压气机进口处气流相对叶片的流速超音，从而产生激波，激波的存在可以起到增压的作用，但太强的激波会导致叶面边界层分离造成压气机效率下降。因此，如何通过加大气流转角的方式增加压气机增压能力是目前的主要研究方向。

如图1所示。现有技术中采用的方法之一是，在压气机的每两片全尺寸大叶片1之间添加一个小叶片2，小叶片2的前缘位于大叶片1前缘之后的某个位置，而尾缘与大叶片1的尾缘位置相当，形成大小叶片压气机。这样相当于使叶轮后部的叶片数增加而前部的叶片数不变，可以在控制叶片后部吸力面分离的同时不减小前部的流通截面积。

现有技术中，对压气机的设计包括气动设计及结构设计，其中，气动设计方法是基于大小相同的叶片沿周向均匀分布的压气机，对压气机叶片的各个几何参数进行优化设计。

上述现有技术至少存在以下缺点：

难以对大小叶片压气机的大、小叶片的几何参数进行优化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种能对大、小叶片的几何参数进行优化设计的大小叶片压气机的气动设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的大小叶片压气机的气动设计方法，包括步骤：

A、输入进行所述气动设计所需的参数信息，包括需进行气动设计的压气机是否是大小叶片压气机的信息；

B、判断需进行气动设计的压气机是相同叶片压气机还是大小叶片压气机，

如果是相同叶片压气机，则按常规气动设计方法对所述参数进行定义；

如果是大小叶片压气机，则按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义；

C、采用通流法进行计算；

D、判断是否收敛至预设的误差值，

如果收敛至预设的误差值，则输出设计数据；

如果未收敛至预设的误差值，则修改输入数据并进行步骤A。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的大小叶片压气机的气动设计方法，由于首先判断需进行气动设计的压气机是相同叶片压气机还是大小叶片压气机，如果是大小叶片压气机，则按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义。然后采用通流法进行计算，并通过收敛判断，优化设计数据。能对大、小叶片的几何参数进行优化设计。

附图说明

图1为本发明中大小叶片压气机的叶片排列形式示意图；

图2为本发明的大小叶片压气机的气动设计方法的流程图；

图3为本发明中大小叶片压气机的叶轮的结构示意图；

图4为现有技术中的压气机与本发明中的大小叶片压气机的性能比较示意图。

具体实施方式

本发明的大小叶片压气机的气动设计方法，其较佳的具体实施方式如图1所示，包括：

步骤1、输入进行所述气动设计所需的参数信息，包括需进行气动设计的压气机是否是大小叶片压气机的信息。

参数信息包括以下参数：小叶片弦长、小叶片前缘和尾缘的位置、小叶片在大叶片槽道中的相对周向位置、小叶片前缘和尾缘在径向上的分布、小叶片子午面坐标，以及叶片数、叶型等，可以根据需要包括其中的一种或多种参数，还可以包括其它的参数。

步骤2、判断需进行气动设计的压气机是相同叶片压气机还是大小叶片压气机，

如果是相同叶片压气机，则按常规气动设计方法对所述参数进行定义：

包括对稠度P2的定义：P2＝C/S，式中，C为叶片弦长，S为叶片栅距。还可以包括对其它参数的定义。

如图2所示：如果是大小叶片压气机，则按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义：

包括小叶片在相邻两大叶片中间的相对周向位置P1的定义，和对稠度P3的定义：

P1＝S1/S；P3＝(C1+C)/S，式中，C1为小叶片弦长，C为大叶片弦长，S1为小叶片与其压力面侧大叶片的周向距离，S为大叶片栅距。还可以包括对其它参数的定义。

步骤3、采用通流法进行计算；

步骤4、判断是否收敛至预设的误差值，

如果收敛至预设的误差值，则输出设计数据；

如果未收敛至预设的误差值，则修改输入数据并进行步骤1。

本发明中的大小叶片压气机可以为轴流式压气机，也可以为斜流式压气机。

本发明通过一系列概念的定义及程序的设计，改进传统的用于大小相同均匀分布的压气机设计的程序，使其满足大小叶片压气机的设计要求。并能对各个几何参数进行优化，最终得到性能最优的压气机方案。

具体内容包括定义了一系列描述小叶片形状与位置的参数，包括小叶片弦长，小叶片前、尾缘位置，小叶片在大叶片槽道中的相对周向位置，小叶片前、尾缘在径向的分布等等。

小叶片前缘的位置是根据设计时来流马赫数的不同来确定的，基本原则是位于大叶片前部形成的槽道的最小截面积之后，小叶片尾缘位置则根据当地扩张程度的需要选择与大叶片尾缘相同或者不同。

当参数P1＜0.5时，表示小叶片与其压力面侧大叶片更近，可以有效控制大叶片吸力面后部的边界层分离。反之，小叶片靠近其吸力面侧的大叶片，则更有助于控制小叶片本身吸力面的分离。

小叶片前缘沿径向的分布决定了小叶片的前掠程度，通过控制此前掠程度，可以有效地控制叶栅前部激波系的形状，并且降低激波前法向马赫数。

用以上定义的各量对传统的二维通流法程序进行修改，可以使程序除可以进行传统压气机设计造型之外，还可以进行大小叶片压气机的设计。与传统二维计算与造型程序的主要区别在于多了对于小叶片的处理，计算时，取P3＝(C1+C)/S式定义的稠度，叶片造型时要考虑小叶片的单独造型，小叶片的周向与轴向位置等等。

二维计算完成后，将自动生成大小叶片的压气机三维计算网格，引入三维计算程序中进行计算，并找出不足，在二维设计程序中进行改进设计。经过多次反复找出最终的优化方案。

如图3所示，为采用本发明的方法设计出的一个大小叶片叶轮，采用了全三维叶片造型，并且大小叶片的造型方式相对独立，小叶片与大叶片的相对位置关系可以通过程序方便地调节。

本发明对于斜流压气机与轴流压气机的设计方法基本相同，只是斜流压气机给定子午面形状时与轴流压气机有所区别，外壁面是扩张的。为了适应斜流压气机后部半径增长大而轴向距离增长小的特点，程序内含相应处理机制，在这些地方生成计算网格以半径替代轴向座标作为插值自变量。

采用本发明的大小叶片压气机的设计方法，可以方便地设计出所需的大小叶片压气机，并根据三维粘性计算的结果对设计进行更改，通过改进大、小叶片分别的造型和相互位置关系，设计出满足要求的压气机。大小叶片压气机是先进的气动布局，比常规压气机具有更强的做功能力，更高的效率，和更宽广的工作范围。

如图4所示，为某航空发动机的压气机改用本发明设计的大小叶片后的性能与原型性能的比较，可以看出采用本发明设计的大小叶片的气动布局可以使压气机的几个关键性能参数都有明显的提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，包括步骤：

A、输入进行所述气动设计所需的参数信息，包括需进行气动设计的压气机是否是大小叶片压气机的信息；

B、判断需进行气动设计的压气机是相同叶片压气机还是大小叶片压气机，

如果是相同叶片压气机，则按常规气动设计方法对所述参数进行定义；

如果是大小叶片压气机，则按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义；

C、采用通流法进行计算；

D、判断是否收敛至预设的误差值，

如果收敛至预设的误差值，则输出设计数据；

如果未收敛至预设的误差值，则修改输入数据并进行步骤A。

2.根据权利要求1所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的参数信息包括以下至少一项参数：

小叶片弦长、小叶片前缘和尾缘的位置、小叶片在大叶片槽道中的相对周向位置、小叶片前缘和尾缘在径向上的分布、小叶片子午面坐标。

3.根据权利要求2所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的小叶片前缘的位置位于大叶片前部形成的槽道的最小截面积之后。

4.根据权利要求1所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的按大小叶片压气机气动设计方法对所述参数进行定义，包括以下定义：

小叶片在相邻两大叶片中间的相对周向位置P1＝S1/S；稠度P3＝(C1+C)/S，

式中，C1为小叶片弦长，C为大叶片弦长，S1为小叶片与其压力面侧大叶片的周向距离，S为大叶片栅距。

5.根据权利要求1所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的按常规气动设计方法对所述参数进行定义，包括以下定义：

稠度P2＝C/S，式中，C为叶片弦长，S为叶片栅距。

6.根据权利要求1所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的输出设计数据包括输出以下数据：

叶片造型数据、三维计算用网格。

7.根据权利要求1所述的大小叶片压气机的气动设计方法，其特征在于，所述的大小叶片压气机为轴流式或斜流式压气机。

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