CN104595033A - 基于总压损失控制的前置扩压器设计方法 - Google Patents

Abstract

基于总压损失控制的前置扩压器设计方法，涉及航空燃气涡轮机。提供简单有效，可以实现在前置扩压器设计初期对不同结构设计方案做出快速可靠的性能预估，可显著降低设计成本，提高设计可靠性的一种基于总压损失控制的前置扩压器设计方法。根据压气机出口尺寸确定前置扩压器进口尺寸H₀，根据燃气轮机整体设计长度要求确定前置扩压器长度L₀，在后续设计中H₀及L₀保持不变；根据扩压器内静压恢复系数C_P与扩张角θ关系式确定临界扩张角θ₀；根据临界扩张角θ₀，由几何关系确定扩压器前置段出口高度H临界值H_r，到此扩压器前置段几何参数确定完毕。

Description

基于总压损失控制的前置扩压器设计方法

技术领域

本发明涉及航空燃气涡轮机，尤其是涉及一种基于总压损失控制的前置扩压器设计方法。

背景技术

航空燃气涡轮机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮、喷管等部分构成。空气由进气道进入燃气轮机后，首先由压气机加压成高速高压气体，压气机出口速度可达120～300m/s，若该股气流直接进入燃烧室，由于气体流速过快，燃气轮机是很难点火成功的，为组织稳定可靠的燃烧，一般要求在旋流器前应减速到40～60m/s，通过在压气机出口及燃烧室进口之间安装扩压器可以达到减速的目的，从能量守恒的角度出发，在流体减速扩压过程中，要求扩压器总压损失尽可能小，否则燃气轮机整体做功能力将大幅下降。

燃气轮机燃烧室现在相当多的采用突扩扩压器扩压器，其具有长度短且对进口流场不敏感的优点，但是其内张角变化较快时，流体边界层易分离，静压恢复能力差，使得气流做功能力降低，燃气轮机整体推力下降。因此，在突扩扩压器设计前期，运用一定的方法对总压损失及边界层流动分离情况进行可靠预估，对降低设计成本、提高设计可靠性以及设计出高性能的突扩扩压器扩压器是非常有必要的。

中国专利CN 103950544 A公开一种使用逆向恢复获得任意截面的几何形状的通用亚声速扩压器设计方法，使用该方法设计的型面主要应用领域为飞行器设计领域，尤其涉及飞行器外形及进气道方面的设计。目前已公布的发明专利侧重于对突扩扩压器结构方面的设计，但是将设计参数与流动性能相结合的通用性突扩扩压器设计方法方面的专利较少，因此发展适用于突扩扩压器的前置段通用设计评估方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供简单有效，可以实现在前置扩压器设计初期对不同结构设计方案做出快速可靠的性能预估，可显著降低设计成本，提高设计可靠性的一种基于总压损失控制的前置扩压器设计方法。

本发明包括以下步骤：

1)确定原始尺寸，具体方法为：根据压气机出口尺寸确定前置扩压器进口尺寸H₀，根据燃气轮机整体设计长度要求确定前置扩压器长度L₀，在后续设计中H₀及L₀保持不变；

2)确定临界扩张角θ₀，具体方法为：根据多组计算及实验对比数据，临界扩张角θ₀预测公式为：

$C_P=-\frac{4{\tan }^2\mathrm{\θ}}{H_0^2}{L_0}^2+\frac{2.95\tan \mathrm{\θ}}{H_0}{L}_0$

其中，C_P为静压恢复系数，H₀为前置扩压器进口尺寸，L₀为前置扩压器长度，根据预测公式绘制静压恢复系数C_P与扩张角θ关系曲线，当静压恢复系数C_P最大时，对应的扩张角θ即为临界扩张角θ₀；

3)确定前置扩压段出口高度H临界值H_r，具体方法为：根据几何关系，由求得H_r＝2tanθ₀·L₀+H₀，此值即为理论上保证扩压器内流动无分离的H临界值，且当H取H_r时，前置段静压恢复系数最高，总压损失最低，扩压器性能最好；至此，基于总压控制，前置扩压器3个几何参数H₀、L₀、H确定，初步几何设计完毕。

在扩压器设计领域，绝大部分发明专利着眼于对扩压器结构以及扩压器附属结构的创新设计，并没有太多有关扩压器设计通用设计与评估方法相结合的类型。本发明的目的是提供一种可预测航空燃气轮机前置扩压器设计性能以及为扩压器设计提供参考的设计方法。采用该设计方法，通过对前置扩压器总压损失情况及抗流体分离能力的评价，可以实现在前置扩压器设计初期对不同结构设计方案做出快速可靠的性能预估，可显著降低设计成本，提高设计可靠性，确保所设计扩压器达到预期性能，降低研发费用，具有良好的通用性与工程实用性。

由此可见，与传统扩压器设计方法比较，本发明具有以下优点：

(1)设计思路清晰，有明确的量化指标参考；

(2)通用性强，可为全尺寸的前置扩压器初步设计方案的有效性提供参考；

(3)试验证明本发明提供的预测方法实用有效，可显著降低扩压器设计成本及周期，工程实用性佳，并可保证扩压器获得高的流动性能。

附图说明

图1为短突扩扩压器示意图。

图2为扩压器前置段结构示意图。

图3为实施例静压恢复数与θ变化图。

图4为实施例a速度矢量云图。

图5为实施例b速度矢量云图。

图6为试验测得实施例a、b不同轴向位置x试总压分布情况。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，即此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明包括以下步骤：

1)确定原始尺寸。如图1所示，根据压气机出口尺寸确定前置扩压器进口尺寸H₀，根据燃气轮机整体设计长度要求确定前置扩压器长度L₀，在后续设计中H₀及L₀保持不变；

2)确定临界扩张角θ₀。根据多组计算及实验对比数据，本发明提出临界突扩角θ₀预测公式①为其中C_P为静压恢复系数，H₀为前置扩压器进口尺寸，L0为前置扩压器长度，如图1所示。根据式①可绘制静压恢复系数C_P与扩张角θ关系曲线，当静压恢复系数最大时，此时对应的θ即为临界扩张角θ₀。

3)确定前置扩压段出口高度H临界值H_r。如图2所示，根据几何关系，有从而求得H_r＝2tanθ₀·L₀+H₀，此值即为理论上保证扩压器内流动无分离的H最大临界值，且当H取H_r时，前置段静压恢复系数最高，总压损失最低，扩压器性能最好。至此，基于总压控制，前置扩压器三个几何参数H₀、L₀、H确定，初步几何设计完毕。

本发明通过对前置扩压器总压损失情况及抗流体分离能力的评价，可以实现在前置扩压器设计初期对不同结构设计方案做出快速可靠的性能预估，可显著降低设计成本，提高设计可靠性。

在扩压器设计领域，绝大部分发明专利着眼于对扩压器结构以及扩压器附属结构的创新设计，并没有太多有关扩压器设计通用设计与评估方法相结合的类型。本发明的目的是提供一种可预测航空燃气轮机前置扩压器设计性能以及为扩压器设计提供参考的设计方法。采用该设计方法，可有效降低扩压器设计周期，提高扩压器设计可靠性，确保所设计扩压器达到预期性能，降低研发费用，具有良好的通用性与工程实用性。

如图1和2所示，在扩压器设计初期，根据压气机出口尺寸及发动机整体长度要求，H₀与L₀一般是给定的，在本实施例中，选H₀＝23mm、L₀＝60mm为定值。下面根据本发明提出的高性能优化设计方法对扩压器前置段可取的临界几何尺寸进行设计。

1)确定临界分离角θ₀。根据公式①及本实施例初始参数H₀、L₀，绘制实施例静压恢复数与θ变化曲线如图3所示，可以看出，静压恢复数随θ先增大后减小，且θ约为8°时前置扩压器静压恢复系数最大，对应总压损失最小，即θ₀＝8°。

2)确定前置扩压段出口高度H临界值H_r。如图2所示，根据几何关系，有从而求得H_r＝2tanθ₀·L₀+H₀＝2×tan8°×60+23≈40mm。从而确定扩压器前置段出口高度H临界长度为40mm，此时扩压器内速度分布云图如图4所示，可以看到前置段内流动基本没有分离现象，控制分离效果良好，总压损失小。并规定此实施例编号为b。

3)为进一步说明发明提供的方法在前置扩压器设计阶段是实用且有效的，现将扩压器前置段出口高度H设为43mm，并命名此实施例编号为a，此时对应扩张角θ＝9.5°＞θ₀＝8°，扩压器内流体速度计算结果如图5所示，可以看到此时扩压器前置段发生了明显的分离，这将造成扩压器总压损失巨大，性能大大降低，不能满足扩压设计要求。另外，从图6可以看出，实施例b不同位置处总压降低速度小于实施例a，说明经过本发明提供方法设计的实施例b静压恢复性能优于实施例a，可见本发明提供的设计方法可以达到对扩压器进行高性能设计的目的。

本发明公开了一种可预测总压损失及抗流体边界分离能力的扩压器前置段设计方法，以扩压器前置段总压损失及抗流体边界分离能力为评价指标，相较于传统定性设计方法，本发明使用具体的计算方法将性能指标定量化，可在前置扩压器设计前期可对任意不同几何结构方案的前置扩压器工作性能做出快速预估。本发明公布的前置扩压器设计方法思路清晰，过程简单，计算结果准确实用，可为燃气轮机及其他流体机械前置扩压器设计提供参考，从而大大减少前置扩压器的设计风险，降低设计费用及设计周期，在前置扩压器设计领域具有良好的通用性。

Claims (1)

1.基于总压损失控制的前置扩压器设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定原始尺寸，具体方法为：根据压气机出口尺寸确定前置扩压器进口尺寸H₀，根据燃气轮机整体设计长度要求确定前置扩压器长度L₀，在后续设计中H₀及L₀保持不变；

2)确定临界扩张角θ₀，具体方法为：根据多组计算及实验对比数据，临界扩张角θ₀预测公式为：

$C_P=-\frac{4{\tan }^2}{H_0^2}{L_0}^2+\frac{2.95\tan \mathrm{\θ}}{H_0}{L}_0$

其中，C_P为静压恢复系数，H₀为前置扩压器进口尺寸，L₀为前置扩压器长度，根据预测公式绘制静压恢复系数C_P与扩张角θ关系曲线，当静压恢复系数C_P最大时，对应的扩张角θ即为临界扩张角θ₀；

3)确定前置扩压段出口高度H临界值H_r，具体方法为：根据几何关系，由求得H_r＝2tanθ₀·L₀+H₀，此值即为理论上保证扩压器内流动无分离的H临界值，且当H取H_r时，前置段静压恢复系数最高，总压损失最低，扩压器性能最好；至此，基于总压控制，前置扩压器3个几何参数H₀、L₀、H确定，初步几何设计完毕。