CN110608196B - 一种带半叶高小叶片的楔形扩压器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种带半叶高小叶片的楔形扩压器涉及离心压气机的径向扩压器，能够适应展向非均匀的来流条件，属于微小型涡喷发动机用高性能离心压气机气动部件设计领域。本发明提供了一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，具有环形的盘体，盘体的一面为平面，另一面为内凹的叶片腔，叶片腔的外缘设置有圆弧过渡的倒角；在叶片腔的一面具有大叶片和小叶片，大叶片与小叶片以盘体的圆心为中心呈周向交替排列；大叶片、小叶片与盘体为精密铸造一体成型。盘体上具有流道型线，流道型线为扩压器轮缘型线，大叶片与小叶片均为二维楔形直叶片，且造型方式一致。小叶片的叶片高度、弦长、最大厚度均小于大叶片。
Description
技术领域
本发明一种带半叶高小叶片的楔形扩压器涉及离心压气机的径向扩压器，能够适应展向非均匀的来流条件，属于微小型涡喷发动机用高性能离心压气机气动部件设计领域。
背景技术
楔形扩压器作为离心压气机的重要部件，其结构简单、加工方便，在中小型涡喷发动机中得到广泛使用。随着飞机对发动机推重比的需求不断增加，离心压气机也向更高的气动负荷、更高的气动效率与更宽的工作范围发展。
在高负荷离心压气机中，一方面叶轮出口不同叶高处的气流滑移程度和流场结构差异很大，扩压器来流在叶高方向有明显的非均匀性，呈现叶尖气流角大、马赫数低，而叶根气流角小、马赫数高的分布。传统的楔形扩压器为直叶片，依据平均气流角确定叶片进口角度，非均匀来流将导致叶片近叶尖处形成较大的正攻角，而近叶根处为负攻角。近叶尖处较大的正攻角会导致叶片吸力面的气流分离，产生较大的流动损失；另一方面扩压器的来流马赫数已经达到1.0或以上，扩压器的半无叶区将形成激波，激波与附面层的相互作用将进一步加剧扩压器内气流分离的发展，导致扩压器的扩压能力下降，工作范围减小，所以有必要设计出一种新的楔形扩压器来更好的满足实际的使用需求。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，具有环形的盘体，盘体的一面为平面，另一面为内凹的叶片腔，叶片腔的外缘设置有圆弧过渡的倒角，用以防止应力集中，在发动机高速运转时断裂；在叶片腔的一面具有大叶片和小叶片，大叶片与小叶片以盘体的圆心为中心呈周向交替排列；
大叶片、小叶片与盘体为精密铸造一体成型。
盘体上具有流道型线，流道型线为扩压器轮缘型线，大叶片与小叶片均为二维楔形直叶片，且造型方式一致。
小叶片的叶片高度、弦长、最大厚度均小于大叶片。
盘体的流道型线包括平直段与圆弧转弯段。
大叶片与小叶片均由单个叶型拉伸生成，叶型成型方式为中弧线+厚度分布，其中，中弧线采用具有五个控制点的四阶贝塞尔曲线描述，厚度分布为线性分布。
小叶片的叶片弦长均小于大叶片，小叶片前缘位置在大叶片弦长的50%～55%位置处，小叶片尾缘位置与大叶片尾缘位置在同一半径圆弧上，通过截取大叶片尾缘至50%~55%弦长位置的中弧线能够生成小叶片的中弧线。
小叶片的叶片最大厚度小于大叶片的最大厚度，小叶片前缘厚度与大叶片一致，小叶片尾缘厚度为大叶片的45%~50%。
小叶片的叶片高度H1小于大叶片的高度H2，小叶片高度H1为大叶片高度H2的30%～40%。
大叶片的高度H2和叶片腔上外缘设置有圆弧过渡的倒角等高。
本发明的有益效果是：
现有的楔形扩压器在叶片出口近叶尖（轮缘）处易产生气流分离，对压气机的效率与裕度都有严重影响；本发明通过在大叶片出口近叶尖处设置小叶片，能够有效抑制该处的气流分离。同时，小叶片弦长、叶高、厚度值均小于大叶片，可有效减少小叶片带来的气流堵塞与摩擦损失；通过本发明，能够有效提高压气机的进气效率，并保证进气气流的进气质量，有效防止发动机产生喘振的故障，增加了发动机的工作裕度，扩大了发动机的工作包线范围，具有良好的使用和推广效果。
附图说明
图1为本发明的立体状态示意图；
图2为本发明的叶片前、尾缘示意以及弦长百分比位置示意；
图3为本发明机匣的组成示意以及叶片高度示意。
图4为本发明的剖面结构示意图。
图5为本发明安装在发动机中的位置示意。
图6为现有的扩压器中扩压器叶片、通道区和半无叶区之间位置的示意图。
图7为本发明中盘体的流道型线中平直段与圆弧转弯段位置的示意图。
图8为本发明大叶片和小叶片之间的结构示意图。
具体实施方式
参照附图1-8，对本发明作进一步的说明；
本发明一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，具有环形的盘体，盘体的一面为平面，另一面为内凹的叶片腔，叶片腔的外缘设置有圆弧过渡的倒角，用以防止应力集中，在发动机高速运转时断裂；在叶片腔的一面具有大叶片和小叶片，大叶片与小叶片以盘体的圆心为中心呈周向交替排列；
大叶片、小叶片与盘体为精密铸造一体成型。
盘体（3）上具有流道型线，流道型线为扩压器轮缘型线，大叶片（1）与小叶片（2）均为二维楔形直叶片，且造型方式一致。
小叶片（2）的叶片高度、弦长、最大厚度均小于大叶片（1）。
参照附图3、附图7，盘体（3）的流道型线包括平直段与圆弧转弯段。
参见附图2，大叶片（1）与小叶片（2）均由单个叶型拉伸生成，叶型成型方式为中弧线+厚度分布，其中，中弧线采用具有五个控制点的四阶贝塞尔曲线描述，厚度分布为线性分布。
参照附图2、附图8，小叶片（2）的叶片弦长均小于大叶片（1），小叶片（2）前缘位置在大叶片（1）弦长的50%～55%位置处，小叶片（2）尾缘位置与大叶片（1）尾缘位置在同一半径圆弧上，通过截取大叶片（1）尾缘至50%~55%弦长位置的中弧线能够生成小叶片（2）的中弧线。
参见附图8，小叶片（2）的叶片最大厚度小于大叶片（1）的最大厚度，小叶片（2）前缘厚度,与大叶片（1）一致，小叶片（2）尾缘厚度为大叶片的45%~50%。
小叶片（2）的叶片高度H1小于大叶片（1）的高度H2，小叶片（2）高度H1为大叶片（2）高度H2的30%～40%。
大叶片（1）的高度H2和叶片腔上外缘设置有圆弧过渡的倒角等高。
现有的扩压器由多片等尺寸的扩压器叶片围绕轴心进行排列，扩压器叶片的后方为通道区，前方无重叠部分为半无叶区，相较于现有的扩压器的半无叶区（参照附图6），本发明具有更高的扩压效果。
下面通过实施例来进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
针对现有的推力为100kg级的微型涡喷发动机，利用本发明对微型涡喷发动机中的离压气机进行改进设计。
将楔形扩压器参数化，叶型成型方式为中弧线+厚度分布的直叶片。其中，中弧线角度分布与叶型厚度分布曲线均利用贝塞尔曲线描述。对大叶片不做修改，根据提取出的大叶片的中弧线与厚度分布对小叶片进行设计。
小叶片的起始位置根据原叶片通道分离发生位置决定。经优化选择，小叶片起始位置位于大叶片60%弦长处。小叶片高度根据原叶片通道出口轮缘处低速区占叶高方向的百分比决定。经优化选择，小叶片高度为大叶片的30%。小叶片中弧线为大叶片60%弦长位置~尾缘的中弧线，小叶片的厚度分布为大叶片前缘~40%弦长位置的厚度分布。
经以上改进设计，对原型离心压气机与楔形扩压器改进后的离心压气机进行仿真计算，在相同边界条件下，性能对比见表1。
表1：改型叶轮与原型叶轮性能对比
| 流量[kg/s] | 效率 | 压比 | 裕度 | |
| 原型 | 1.547 | 0.732 | 5.592 | 15.1% |
| 改进 | 1.561 | 0.738 | 5.593 | 15.6% |
| 偏差 | +0.9% | +0.82% | +0.02% | +0.5% |
可以看出，本发明设计方法对于增加离心压气机的通流能力、效率与裕度都有显著效果。
Claims (7)
1.一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：具有环形的盘体（3），盘体（3）的一面为平面，另一面为内凹的叶片腔，叶片腔的外缘设置有圆弧过渡的倒角，用以防止应力集中，在发动机高速运转时断裂；在叶片腔的一面具有大叶片（1）和小叶片（2），大叶片（1）与小叶片（2）以盘体的圆心为中心呈周向交替排列；
盘体（3）上具有流道型线，流道型线为扩压器轮缘型线，大叶片（1）与小叶片（2）均为二维楔形直叶片，且造型方式一致；
小叶片（2）的叶片最大厚度小于大叶片（1）的最大厚度，小叶片（2）前缘厚度与大叶片（1）一致，小叶片（2）尾缘厚度为大叶片的45%~50%；
小叶片（2）的叶片高度H1小于大叶片（1）的高度H2，小叶片（2）高度H1为大叶片（1 ）高度H2的30%～40%。
2.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：大叶片（1）、小叶片（2）与盘体（3）为精密铸造一体成型。
3.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：小叶片（2）的叶片高度、弦长、最大厚度均小于大叶片（1）。
4.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：盘体（3）的流道型线包括平直段与圆弧转弯段。
5.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：大叶片（1 ）与小叶片（2 ）均由单个叶型拉伸生成，叶型成型方式为中弧线+厚度分布，其中，中弧线采用具有五个控制点的四阶贝塞尔曲线描述，厚度分布为线性分布。
6.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：小叶片（2）的叶片弦长均小于大叶片（1），小叶片（2）前缘位置在大叶片（1）弦长的50%～55%位置处，小叶片（2）尾缘位置与大叶片（1）尾缘位置在同一半径圆弧上，通过截取大叶片（1）尾缘至50%~55%弦长位置的中弧线能够生成小叶片（2）的中弧线。
7.根据权利要求1所述的一种带半叶高小叶片的楔形扩压器，其特征在于：大叶片（1）的高度H2和叶片腔上外缘设置有圆弧过渡的倒角等高。
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