CN106250644B - 双圆弧叶型压气机叶片实现方法 - Google Patents

双圆弧叶型压气机叶片实现方法 Download PDF

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Abstract

一种双圆弧叶型压气机叶片实现方法，通过设置转子叶片进出口截面，并在转子叶片的几何平均半径截面上下各取三个半径截面后，得到转子叶片多个半径截面的气动参数，并用于进行造型参数优化，最后通过径向积叠获得完整叶型，本发明节省了大量的研制费用，极大地缩短了压气机叶片设计制造的时间，节省了大量的研发人力成本。

Description

双圆弧叶型压气机叶片实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种双圆弧叶型压气机叶片实现方法。
背景技术
压气机是航空和地面燃气涡轮发动机的关键部件，能够加功增压，对气体作压缩功以提高压力，其性能决定了整台发动机的性能及可靠性。双圆弧叶型的压气机叶片，其吸力面和压力面均为圆弧，中弧线也由圆弧控制。
发明内容
本发明针对现有技术大多需要通过采用附面层抽吸技术来控制静叶栅中的流动以降低静叶栅中的流动损失，但附面层抽吸技术的实现不仅结构复杂且需要额外的动力输入等缺陷，提出一种双圆弧叶型压气机叶片实现方法，能够极大地缩短了压气机叶片设计制造的时间，节省了大量的研发人力成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明通过设置转子叶片进出口截面，并在转子叶片的几何平均半径截面上下各取三个半径截面后，得到转子叶片多个半径截面的气动参数，并用于进行造型参数优化，最后通过径向积叠获得完整叶型。
所述的转子叶片进出口截面中的进口截面，通过以下方式得到：
1.1)计算转子叶片进口截面面积其中：D0为压气机流道外径，D1为转子叶片进口截面的内径，υ为轮毂比；
1.2)计算转子叶片进口截面流量函数其中：qm为进口截面处的流量；Km为进口截面处的流量修正系数，取1.01；K是常数，取是由秒s、温度K和长度m组成的单位；P1 *和T1 *为转子叶片的进口总压和总温，A1为转子叶片的进口面积；
1.3)计算转子叶片进口的轴向速度系数λ1；
1.4)计算转子叶片进口截面的轴向速度
所述的轴向速度系数λ1由流量函数求得，其中：k为完全气体比热比。
所述的转子叶片进出口截面中的出口截面，通过以下方式得到：
2.1)计算转子叶片出口截面总压其中：σ*为总压恢复系数；
2.2)计算转子叶片出口截面总温其中：π为转子叶片增压比，η为转子叶片效率；
2.3)计算出口截面速度系数其中：c2＝1.05c1；
2.4)获得出口截面的流量函数
2.5)计算转子叶片出口截面面积和出口截面内径
所述的几何平均半径截面为压气机转子几何平均半径处的圆柱面，几何平均半径
所述的转子叶片多个半径截面的气动参数，通过以下方式得到：
4.1)计算压气机的焓增其中：Kh经验修正系数；
4.2)计算几何平均半径处的牵连速度其中：ω为压气机转子的旋转角速度，下标m表示几何平均半径截面；
4.3)计算扭速进气角和出气角其中：c2z为转子叶片出口的轴向绝对速度，c2u为转子叶片出口的切向绝对速度；
4.4)计算气流折转角εm＝β2m-β1m；
4.5)获得几何平均半径处的栅距其中：Z为叶片数；
4.6)计算几何平均半径截面的弦长bm＝τmtm，其中：τm为叶栅稠度，且τm＝1。
所述的造型参数优化，具体包括以下步骤：
6.1)选取几何平均半径截面处的攻角im；
6.2)计算叶型折转角其中：a为转子叶片叶型最大厚度处的弦向长度；
6.3)计算双圆弧叶型吸力面圆弧半径
6.4)计算双圆弧叶型压力面圆弧半径
6.5)计算双圆弧与前缘圆弧相切的点的坐标。
所述的攻角范围为-2°～+2°。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为进口截面计算流程示意图；
图3为出口截面计算流程示意图；
图4为几何平均半径截面的气动计算流程示意图；
图5为几何平均半径截面处的造型计算流程示意图；
图6为压气机子午流道图；
图7为双圆弧叶型图；
图8为转子叶片双圆弧叶型造型子午视图；
图9为转子叶片双圆弧叶型造型俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例是通过以下步骤实现：
1)进行转子叶片进口截面计算。
如图2所示，本实施例中的额定设计参数包括：转速n＝15000rpm，增压比π＝1.20±0.02，流量qm＝10kg/s，效率η≥85％。设计工况：标准大气、地面工况。设计方案包括：给定如图6所示的等外径流道设计形式；给定压气机流道外径D0＝0.35m，轮毂比υ＝0.5。
1.1)计算转子叶片进口截面面积其中：D0为压气机流道外径，D1为转子叶片进口截面的内径，
1.2)计算转子叶片进口截面流量函数为：
其中：Km为流量修正系数，K是常数，取是由秒s、温度K和长度m组成的单位；P1 *和T1 *为转子叶片的进口总压和总温，A1为转子叶片的进口面积。
1.3)计算转子叶片进口的轴向速度系数λ1。轴向速度系数由公式求得，其中：k为完全气体比热比，计算得到λ1＝0.393。
1.4)计算转子叶片进口截面的轴向速度为：
2)进行转子叶片出口截面计算。如图3所示包含以下具体步骤：
2.1)计算转子叶片出口截面总压其中：σ*为总压恢复系数。
2.2)计算转子叶片出口截面总温
2.3)计算出口截面速度系数其中：c2＝1.05c1。
2.4)获得出口截面的流量函数
2.5)计算转子叶片出口截面面积为：
和出口截面内径
3)沿转子叶片高度在几何平均半径截面上下各取三个半径截面。
所述的几何平均半径截面为压气机转子几何平均半径处的圆柱面，几何平均半径如图8所示，沿转子叶片高度方向上所取七个半径截面的圆柱面，分别为：0.1050m，0.1181m，0.1312m，0.1443m，0.1545m，0.1648m和0.175m。
4)几何平均半径截面的气动计算。如图4所示，包括以下步骤：
4.1)计算压气机的焓增其中：Kh经验修正系数。
4.2)计算几何平均半径处的牵连速度为：
其中：ω为压气机转子的旋转角速度，下标m表示几何平均半径截面；
4.3)计算扭速进气角和出气角其中：c2z为转子叶片出口的轴向绝对速度，c2u为转子叶片出口的切向绝对速度；
4.4)计算气流折转角εm＝β2m-β1m＝13.06°。
4.5)获得几何平均半径处的栅距Z为叶片数。反力度 选取转子叶片几何平均半径处的叶栅稠度τm＝1，则转子叶片几何平均半径处的栅距
4.6)计算几何平均半径截面的弦长bm＝τmtm＝0.0394m，其中：τm为叶栅稠度，且τm＝1。
5)进行其余半径截面处的气动计算，按照上述步骤4)所述的步骤，完成转子叶片其他六个半径截面处基元级的气动计算。
6)进行几何平均半径截面处的造型参数优化。如图5所示，包括以下步骤：
6.1)如图7所示，选取几何平均半径截面处的攻角im，一般选取为0°。其它半径截面的攻角i的范围为-2°～+2°。
6.2)计算叶型折转角其中：a为转子叶片叶型最大厚度的弦向长度。
落后角δ＝θ-ε+i＝6.35°。几何平均半径截面处的安装角βAm＝(β1m+β2m+im+δm)/2＝38.01°
前、后缘半径r一般选取为0.35mm～0.1mm，前缘后缘半径r选取为0.2mm。最大厚度Cmax一般选取为(0.07～0.04)b，最大厚度Cmax选取为0.05b。
6.3)计算双圆弧叶型吸力面圆弧半径
双圆弧叶型吸力面圆弧圆心y坐标OA1的计算公式为：
6.4)计算双圆弧叶型压力面圆弧半径
双圆弧叶型压力面圆弧圆心y坐标OA2的计算公式为
6.5)计算双圆弧与前缘圆弧相切的点的坐标。因为双圆弧叶型坐标对称，仅给出双圆弧与前缘圆弧相切的点的坐标。叶型吸力面处切点的坐标为：
叶型压力面处切点的坐标为：
7)进行其余六个半径截面处的造型参数优化。按照步骤6)完成其余六个半径截面处的造型计算。
8)如图9所示，径向积叠获得完整叶型。将已经完成的七个基元级叶型按照统一的坐标原点进行径向积叠后，即形成了压气机转子叶片双圆弧叶型的造型图。将一片压气机转子叶片沿圆周均布复制23片后，即形成了单转子压气机。
与现有技术相比，双圆弧叶型(DCA)作为参数化叶型，以等转折率概念来控制气流扩散，既适用于高亚音速流动，也适用于Ma数1.2以下的超音速流动，它能通过改变转接位置和圆弧的曲率实现对激波损失的控制，可以广泛应用于超、跨音速压气机叶片的设计，属于高性能叶型设计范畴，掌握了双圆弧叶型压气机叶片的设计方法会大大提高压气机的整机性能。本发明给出的公式有利于采用计算机编程计算，极大地缩短了压气机叶片设计的时间，节省了大量的研发人力成本。本发明还可以在非航空发动机领域的通用机械领域应用，比如地面燃气轮机、各种工业用压缩机以及矿用通风机等。

Claims (8)

1.一种双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征在于，通过设置转子叶片进出口截面，并在转子叶片的几何平均半径截面上下各取三个半径截面后，得到转子叶片多个半径截面的气动参数，并用于进行造型参数优化，最后通过径向积叠获得完整叶型；
所述的转子叶片进出口截面中的进口截面，通过以下方式得到：
1.1)计算转子叶片进口截面面积其中：D0为压气机流道外径，D1为转子叶片进口截面的内径，υ为轮毂比；
1.2)计算转子叶片进口截面流量函数其中：qm为进口截面处的流量，Km为进口截面处的流量修正系数，取是由秒、温度和长度组成的单位，P1 *和T1 *为转子叶片的进口总压和总温，A1为转子叶片的进口面积，K是常数；
1.3)计算转子叶片进口的轴向速度系数λ1；
1.4)计算转子叶片进口截面的轴向速度k为完全气体比热比。
2.根据权利要求1所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的轴向速度系数λ1通过流量函数q(λ1)计算得出，
3.根据权利要求2所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的转子叶片进出口截面中的出口截面，通过以下方式得到：
2.1)计算转子叶片出口截面总压其中：σ*为总压恢复系数；
2.2)计算转子叶片出口截面总温η为转子叶片效率；
2.3)计算出口截面速度系数其中：c2＝1.05c1；
2.4)获得出口截面的流量函数
2.5)计算转子叶片出口截面面积和出口截面内径
4.根据权利要求3所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的几何平均半径截面为压气机转子几何平均半径处的圆柱面，几何平均半径
5.根据权利要求4所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的转子叶片多个半径截面的气动参数，通过以下方式得到：
4.1)计算压气机的焓增其中：Kh经验修正系数；
4.2)计算几何平均半径处的牵连速度其中：ω为压气机转子的旋转角速度，下标m表示几何平均半径截面；
4.3)计算扭速进气角和出气角其中：c2z为转子叶片出口的轴向绝对速度，c2u为转子叶片出口的切向绝对速度；
4.4)计算气流折转角εm＝β2m-β1m；
4.5)获得几何平均半径处的栅距Z为叶片数；
4.6)计算几何平均半径截面的弦长bm＝τmtm，其中：τm为叶栅稠度，且τm＝1。
6.根据权利要求5所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的造型参数优化，具体包括以下步骤：
6.1)选取几何平均半径截面处的攻角im；
6.2)计算叶型折转角其中：a为转子叶片叶型最大厚度处的弦向长度；
6.3)计算双圆弧叶型吸力面圆弧半径
6.4)计算双圆弧叶型压力面圆弧半径
6.5)计算双圆弧与前缘圆弧相切的点的坐标。
7.根据权利要求6所述的双圆弧叶型压气机叶片实现方法，其特征是，所述的攻角范围为-2°～+2°。
8.一种双圆弧叶型压气机叶片，其特征在于，通过上述任一权利要求所述方法实现得到。
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