CN106089806A - 一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法 - Google Patents

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向凤光
王占学
史经纬
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Abstract

本发明涉及一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。本发明减小扩压器分离损失的端壁处理方法，兼顾离心压气机的工作特性与扩压器通道的内部流动细节，在扩压器叶片易于产生角区分离处生成凹凸化的端壁型面；通过几何结构的变化，横向压力梯度得以减小，同时加速后的低能流体分离减弱，流动更加顺畅；采用此端壁处理的压气机总压损失大幅降低，进而峰值效率和压比相应地提升。

Description

一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法
技术领域
本发明涉及离心压气机扩压器通道内部的二次流动控制领域，具体涉及一种有效减小扩压器分离损失的端壁处理方法。
背景技术
离心压气机结构紧凑、单级压比高且稳定工作范围宽，大量应用于增压比不大和流量较小的燃气涡轮发动机。目前高负荷的离心压气机压比可以达到6～8以上，其中叶轮效率高达90％，但扩压器容易产生分离涡团而严重制约整体性能，因此压气机的总效率仅为80％。要提高整个稳定工作范围内扩压器的性能，边界层厚度必须得到有效控制，以尽量减小分离损失。目前广泛应用的方法有低稠度扩压器、进口角度可调叶片、串列叶栅和抽吸附面层技术等，主要从扩压器叶片的结构上做出改进。然而这类方法所得扩压器的结构相对复杂，增加了设计和制造的难度。非轴对称端壁则采用流动控制的方式，将常规轴对称端壁压力面一侧上凸而吸力面一侧下凹以减小通道压力差，从而抑制二次流动并减小损失。
早在1975年，Morris首先提出通过优化端壁的三维造型来降低流动损失的概念。1994年，Rose针对涡轮静叶叶栅进行非对称端壁造型，使通道内的横向静压不均匀性下降70％。2008年，Harvey等通过对平面叶栅的实验，并对多级轴流压气机开展数值模拟研究，结果表明非轴对称端壁能够有效抑制叶栅通道内的二次流，从而降低气体流动损失。国内的学者李国君，在2005年提出了一种三角函数造型方法，并将其应用到跨声速叶栅。数值仿真结果表明，在叶栅的128％轴向弦长位置二次流明显减弱，进而其总压损失降低了4.7％。后续针对压气机的众多研究，进一步证明了非轴对称端壁对压气机依然具有优化效果，但是针对离心压气机扩压器的研究几乎为空白。
西北工业大学的刘波教授，在2012年中国专利第102536329号说明书中公开了一种压气机/涡轮环形叶栅的非轴对称端壁造型方法，通过将三角函数与Bizier曲线相结合，可以构造具有若干凹部和凸部的非轴对称端壁。其中具有一个凹部和一个凸部的端壁结构，使得涡轮环形叶栅的总压损失系数降低了8.98％，二次流损失明显降低。但是该方法构造的控制曲线函数较为复杂，实际应用中操作性相对较差，且仅在涡轮中验证了优化效果。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
针对背景技术中存在的不足，本发明提供了一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法。
为实现上述目的，本发明提供一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。
进一步地，单个周期内的端壁处理过程包括以下步骤：
步骤1：对单个周期内的端壁造型区域进行参数化；
步骤2：在上述步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等；
步骤3：根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其具有一对幅值相等的凹凸结构。
进一步地，相邻两叶片叶型中弧线及前后缘限定的端壁范围，由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构；
五条曲线分别为C0、C1、C2、C3和C4，其中C0和C4为两条叶型中弧线，C1、C2和C3为三条与中弧线平行的曲线；
每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，调整端壁形状。
进一步地，对曲线C1、C3的中点施加大小相同的轴向扰动Δz；此时经调整后P1’、P3’的轴向坐标分别为和
进一步地，轴向扰动Δz取值范围：Δz≤50％叶高。
进一步地，端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在起点和终点具有几何连续性，同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过渡。
本发明提供的一种有效减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其优点及功效在于：
1)造型方法灵活便捷，仅需改变一个参数值Δz，即可构造不同凹凸幅值的非轴对称端壁结构；
2)造型前后的扩压器通道横截面积，与初始结构保持一致，最大程度减小对流量的影响；
3)有效抑制叶片式扩压器的角区分离，通过优化端壁附近的流场，减小压力分布的不均匀性，降低流动损失。
附图说明
图1为本发明的离心压气机结构示意图；
图2为本发明的端壁参数化控制点分布图；
图3为本发明的径向和周向端壁控制曲线；
图4为本发明的非轴对称端壁三维示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明将一种非轴对称端壁结构应用到扩压器中，以减小通道内部的流动分离损失。运用合理的几何控制方式，灵活便捷地构造出不同凹凸幅值的端壁结构。在不影响压气机稳定工作流量范围的前提下，通过调整通道内的压力分布，抑制角区分离并降低二次流动损失，进而提高压气机效率。
本发明的处理方法为：初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。
单个周期内的端壁处理过程包括以下步骤：
实施例1：本实施例在扩压器叶根，即轮毂处进行端壁造型。初始压气机中的扩压器端壁为平面，以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个造型周期。本实施例构造的结构，在单个周期内出现一对幅值相同的凹、凸区域。
叶根处(轮毂)的非轴对称端壁结构按照以下步骤造型：
步骤1：首先对单个周期内的端壁造型区域进行参数化。相邻两叶片叶型中弧线及前后缘限定的轮毂端壁范围，可以由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构。五条曲线分别为C0、C1、C2、C3和C4，其中C0和C4为两条叶型中弧线，C1、C2和C3为三条与中弧线平行的曲线。每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，即可灵活地调整端壁形状；
步骤2：在步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构。为了保证流量不受太大影响，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等。同时考虑到通道上下游和相邻造型周期见的曲面连续性，仅对曲线C1、C3的中点(控制点P1、P3)施加大小相同的轴向扰动Δz，本实施例中取值为Δz＝30％叶高。此时经调整后P1’、P3’的轴向坐标分别为和
步骤3：根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其具有一对幅值相等的凹凸结构。端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在起点和终点具有几何连续性，可同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过渡。
实施例2：本实施例在扩压器叶尖，即机匣处进行端壁造型。采用与实施例1相同的方法进行，仅在步骤2中略有不同。本实施例中的轴向扰动取值为Δz＝30％叶高。
步骤1：首先对单个周期内的端壁造型区域进行参数化。相邻两叶片叶型中弧线及前后缘限定的机匣端壁范围，可以由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构。五条曲线分别为C0、C1、C2、C3和C4，其中C0和C4为两条叶型中弧线，C1、C2和C3为三条与中弧线平行的曲线。每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，即可灵活地调整端壁形状；
步骤2：在步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构。为了保证流量不受太大影响，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等。同时考虑到通道上下游和相邻造型周期见的曲面连续性，仅对曲线C1、C3的中点(控制点P1、P3)施加大小相同的轴向扰动Δz，本实施例中取值为Δz＝30％叶高。此时经调整后P1’、P3’的轴向坐标分别为和
步骤3：根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其具有一对幅值相等的凹凸结构。端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在起点和终点具有几何连续性，可同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过渡。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。
2.根据权利要求1所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，单个周期内的端壁处理过程包括以下步骤：
步骤1：对单个周期内的端壁造型区域进行参数化；
步骤2：在上述步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等；
步骤3：根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其具有一对幅值相等的凹凸结构。
3.根据权利要求2所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，相邻两叶片叶型中弧线及前后缘限定的端壁范围，由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构；
五条曲线分别为C0、C1、C2、C3和C4，其中C0和C4为两条叶型中弧线，C1、C2和C3为三条与中弧线平行的曲线；
每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，调整端壁形状。
4.根据权利要求3所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，对曲线C1、C3的中点施加大小相同的轴向扰动Δz；此时经调整后P1’、P3’的轴向坐标分别为z1’＝z1+Δz和z’3＝z3-Δz。
5.根据权利要求4所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，轴向扰动Δz取值范围：Δz≤50％叶高。
6.根据权利要求4所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在起点和终点具有几何连续性，同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过渡。
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