CN110657126A - 控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构、离心叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构及包含该结构的离心叶轮，通过设置于叶轮通道内靠近出口处的局部非轴对称凹凸结构实现对叶轮内部气流的控制，可以有效减弱叶轮通道内由压力面指向吸力面的横向压力梯度，从而抑制低能流体在吸力面的堆积，在不降低叶轮做功能力的前提下改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，结构相对简单、易于加工，特别适用于各类小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。

Description

控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构、离心叶轮
技术领域
本发明属于中小型航空发动机/燃气轮机压气机技术领域，涉及一种离心叶轮的轮毂结构，具体一种涉及控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构及包含该结构的离心叶轮，通过设置于叶轮通道内靠近出口处的局部非轴对称凹凸结构实现对叶轮内部气流的控制，减弱叶轮通道内由压力面指向吸力面的横向压力梯度，从而抑制低能流体在吸力面的堆积，改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，本发明的上述结构相对简单、易于加工，特别适用于各类小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。
背景技术
离心压气机由于具有单级压比高、工作范围广、结构简单、可靠性高等优点，在小型燃气轮机及中小型航空发动机中得到了广泛的应用。图1示出了现有典型的离心压气机的结构，其中，100为离心叶轮，200为设置在离心叶轮100外围的扩压器200。相较于轴流式压气机，离心压气机效率通常较低，这是由离心叶轮内部复杂的流动决定的。离心叶轮内部气体由于受到叶轮高速旋转和子午流道曲率下的离心力和科氏力作用，分离流动比轴流压气机中更容易发生，脱流、回流及二次流动现象显著增强，并最终在离心叶轮出口形成高度不均匀的“尾迹-射流”结构：即表现为叶轮出口从轮盘到轮盖、从叶片压力面到吸力面流场分布的高度不均匀。离心叶轮出口处形成的“尾迹-射流”结构不仅加剧了叶轮流动损失，同时严重影响了离心叶轮和下游扩压器的匹配关系，不利于扩压器部件的设计。
离心叶轮内部流动的好坏直接决定着压气机整级乃至发动机整机的性能和效率。一直以来，人们为改善离心叶轮出口“尾迹-射流”结构提多了多种措施，如通过后弯在叶片通道内施加一与科氏力方向相反的力，从而抑制低能流体的横向迁移；通过叶片出口前倾施加由轮盘指向轮盖方向的力，从而抑制轮盖侧流体分离。这些措施虽然一定程度上实现了离心压气机效率和稳定工作裕度的提升，但却使得离心叶轮做功能力减弱，从而降低了离心压气机的压比，同时，其对离心叶轮出口高度不均匀流场的抑制作用较为有限，因此补充并发展新的离心叶轮流动控制结构是十分必要的。
发明内容
为克服现有离心叶轮流动控制的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构及包含该结构的离心叶轮，通过设置于叶片通道内靠近出口处的局部非轴对称凹凸结构实现对叶轮内部气流的控制，可以有效减弱叶轮通道内由压力面指向吸力面的横向压力梯度，从而抑制低能流体在吸力面的堆积，在不降低叶轮做功能力的前提下改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，结构相对简单、易于加工，特别适用于各类小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，包括轮毂壁面以及沿周向均匀布置在所述轮毂壁面上的多个离心叶轮叶片，相邻两所述离心叶轮叶片之间的区域形成一叶片通道；每一所述叶片通道中，其中一个所述离心叶轮叶片的压力面形成为所述叶片通道的第一侧面，另一个所述离心叶轮叶片的吸力面形成为所述叶片通道的第二侧面，相邻两所述离心叶轮叶片之间的轮毂壁面形成为所述叶片通道的底面；各所述叶片通道内的轮毂壁面具有相同的型面结构，其特征在于，
每一所述叶片通道中，从叶片通道的入口至少至叶片通道的中部，其叶片通道轮毂壁面形成为均匀平滑的曲面，且至少从叶片通道的中部至叶片通道的出口，所述叶片通道轮毂壁面至少在流向和周向两个维度上形成为局部凹凸化的非轴对称轮毂型面，
每一所述非轴对称轮毂型面中，在周向上，至少在靠近所述叶片通道的第一侧面的位置处形成为凸起结构，至少在靠近所述叶片通道的第二侧面的位置处形成为凹陷结构，且在流向上，所述凸起结构和凹陷结构的局部凹凸幅值，先从零逐渐变大，后逐步变小至零。
本发明的上述控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，在进行轮毂壁面的设计时，初始离心压气机中叶轮轮毂壁面为均匀、平滑的曲面，并以两相邻叶片所围区域为一个周期，本发明对离心叶轮后部“尾迹-射流”结构成形区域的叶片通道轮毂壁面进行重新造型，生成局部凹凸化的非轴对称轮毂型面；通过该种几何结构的变化，抑制了低能流体在叶片通道内的横向迁移，改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况，从而实现本发明的目的。
本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构设置在离心叶轮后部“尾迹-射流”结构成形区域，通过凹凸化几何造型实现流场压力梯度变化，抑制“尾迹-射流”结构。
优选地，所述叶片通道的中部为在流向上距离叶片通道入口约40～70％叶片通道流向长度的位置，气流在该位置范围内逐渐由轴向流动偏转为径向流动。该位置位于气流方向由轴向完全偏转为径向的过渡区内，自该位置附近起，气流开始具有不可忽略的径向分速度，从而受到由压力面指向吸力面的科氏力并最终导致气流不均匀。
优选地，本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构，所述局部凹凸幅值不大于所述离心叶轮叶片的出口叶高的50％。
优选地，本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构，所述非轴对称轮毂壁面的造型由流向造型控制线和周向造型控制线生成。
进一步地，所述流向造型控制线和周向造型控制线均为连续函数，所述连续函数为正弦函数、余弦函数、B样条曲线函数、或者根据所述叶片通道中的主流压力分布得到。
可选地，所述流向控制线和周向造型控制线分别采用连续函数Zi(m)和Zi(t)来构建，其中，
Figure BDA0002197785630000041
式中，B为局部凹凸幅值；m为流向坐标，Zi(m)为流向坐标为m的流向控制线的扰动幅度；t为周向坐标，Zi(t)为周向坐标为t的周向造型控制线的扰动幅度；b为局部非轴对称轮毂壁面流向终止位置的流向坐标；a为局部非轴对称轮毂壁面流向起始位置的流向坐标；d为局部非轴对称轮毂壁面周向终止位置的周向坐标；c为局部非轴对称轮毂壁面周向起始位置的周向坐标。
进一步地，当所述非轴对称轮毂型面在流向上形成为单峰凹凸结构时，所述流向控制线的构建函数Zi(m)为
Figure BDA0002197785630000042
当所述非轴对称轮毂型面在流向上形成为双峰凹凸结构时，所述流向控制线的构建函数Zi(m)为
Figure BDA0002197785630000043
C、D为控制常数。
进一步地，所述局部非轴对称轮毂壁面在在流向和周向上的起始和终止位置均具有几何连续性，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。
根据本发明的另一方面，还提供了一种离心叶轮，其特征在于，所述离心叶轮具有本发明的上述控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构。
同现有技术相比，本发明的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，实现了对叶轮内部高度不均匀流场的控制，在不降低离心叶轮做功能力的前提下改善了叶轮内部流动及出口流场均匀性，改善了离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况。同现有技术相比，既可以对现有技术形成补充，也可单独使用。此外，本发明的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其局部凹凸化结构位于离心叶轮后部端壁曲率半径较大(较平滑)的位置，结构相对简单、易于加工。
附图说明
图1为现有离心压气机的典型结构示意图；
图2为本发明的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构示意图，图中仅显示了一个叶片通道内的局部凹凸化的非轴对称轮毂型面结构；
图3为周向造型控制线沿周向分布的示意图；
图4为流向造型控制线沿流向分布的示意图；
图5为带局部非轴对称轮毂结构的离心压气机子午截面图；
图6为典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图，其中，(a)为现有技术轴对称轮毂结构在典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图，(b)为本发明的非轴对称轮毂结构在典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
为实现对叶轮通道内部气流的控制，本发明通过对轮毂壁面的型面结构进行优化，通过设置于叶片通道内靠近出口处的局部非轴对称凹凸结构，可以有效减弱叶轮通道内由压力面指向吸力面的横向压力梯度，从而抑制低能流体在吸力面的堆积，在不降低叶轮做功能力的前提下改善叶轮内部流动及出口流场均匀性。具体而言，本发明为解决其技术问题所采取的技术方案，可以通过参照附图所示的实施例进行理解。
如图2所示，本发明的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，包括轮毂壁面101以及沿周向均匀布置在轮毂壁面101上的多个离心叶轮叶片102，相邻两离心叶轮叶片102之间的区域形成一叶片通道，每一叶片通道中，一个离心叶轮叶片102的压力面形成为叶片通道的第一侧面，另一个离心叶轮叶片102的吸力面形成为叶片通道的第二侧面，相邻两离心叶轮叶片102之间的轮毂壁面101形成为叶片通道的底面，各叶片通道内的轮毂壁面101具有相同的型面结构。每一叶片通道中，从叶片通道的入口至少至叶片通道的中部，所述叶片通道的中部为在流向上距离叶片通道入口约40～70％叶片通道流向长度的位置，其叶片通道轮毂壁面形成为均匀平滑的曲面103，且至少从叶片通道的中部至叶片通道的出口，叶片通道轮毂壁面至少在流向和周向两个维度上形成为局部凹凸化的非轴对称轮毂型面104，每一非轴对称轮毂型面104中，在周向上，至少在靠近叶片通道的第一侧面的位置处形成为凸起结构，至少在靠近叶片通道的第二侧面的位置处形成为凹陷结构，且在流向上，凸起结构和凹陷结构的局部凹凸幅值，先从零逐渐变大，后逐步变小至零，局部凹凸幅值不大于所述离心叶轮叶片的出口叶高的50％。
本发明的上述控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，在进行轮毂壁面的设计时，初始离心压气机中叶轮轮毂壁面为均匀、平滑的曲面，并以两相邻叶片所围区域为一个周期，本发明对离心叶轮后部“尾迹-射流”结构成形区域的叶片通道轮毂壁面进行重新造型，生成局部凹凸化的非轴对称轮毂型面；通过该种几何结构的变化，抑制了低能流体在叶片通道内的横向迁移，改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况，从而实现本发明的目的。本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构设置在离心叶轮后部“尾迹-射流”结构成形区域，通过凹凸化几何造型实现流场压力梯度变化，抑制“尾迹-射流”结构。
具体而言，参照图3、4，本发明的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构，非轴对称轮毂壁面的造型由流向造型控制线和周向造型控制线生成。流向造型控制线和周向造型控制线均为连续函数，连续函数可以为正弦函数、余弦函数、B样条曲线函数、或者根据叶片通道中的主流压力分布得到，图3所示的周向造型控制线从一个叶片的吸力面至另一个叶片的压力面，即从叶片通道的第二侧面至第一侧面采取了余弦半周期函数，图4所示的流向造型控制线沿流向采取了三次样条曲线函数。
可选地，流向控制线和周向造型控制线分别采用连续函数Zi(m)和Zi(t)来构建，其中，
Figure BDA0002197785630000071
式中，B为局部凹凸幅值；m为流向坐标，Zi(m)为流向坐标为m的流向控制线的扰动幅度；t为周向坐标，Zi(t)为周向坐标为t的周向造型控制线的扰动幅度；b为局部非轴对称轮毂壁面流向终止位置的流向坐标；a为局部非轴对称轮毂壁面流向起始位置的流向坐标；d为局部非轴对称轮毂壁面周向终止位置的周向坐标；c为局部非轴对称轮毂壁面周向起始位置的周向坐标。当非轴对称轮毂型面在流向上形成为单峰凹凸结构时，流向控制线的构建函数Zi(m)为当非轴对称轮毂型面在流向上形成为双峰凹凸结构时，流向控制线的构建函数Zi(m)为
Figure BDA0002197785630000073
C、D为控制常数。局部非轴对称轮毂壁面在在流向和周向上的起始和终止位置均具有几何连续性，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。
将本发明的上述控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，应用于离心叶轮结构中时，其整体结构可参照图5。
图6为典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图，其中，(a)为现有技术轴对称轮毂结构在典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图，(b)为本发明的非轴对称轮毂结构在典型工况下叶片通道出口的速度分布示意图。从图6中不难看出，相较于现有的轴对称轮毂结构而言，本发明的非轴对称轮毂结构，其速度分布更加趋于均匀，尾迹区域即低速区域范围明显缩小，与射流区域即高速区域呈现出融合的趋势，这些都有利于提升下游扩压器的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，包括轮毂壁面以及沿周向均匀布置在所述轮毂壁面上的多个离心叶轮叶片，相邻两所述离心叶轮叶片之间的区域形成一叶片通道；每一所述叶片通道中，其中一个所述离心叶轮叶片的压力面形成为所述叶片通道的第一侧面，另一个所述离心叶轮叶片的吸力面形成为所述叶片通道的第二侧面，相邻两所述离心叶轮叶片之间的轮毂壁面形成为所述叶片通道的底面；各所述叶片通道内的轮毂壁面具有相同的型面结构，其特征在于，
每一所述叶片通道中，从叶片通道的入口至少至叶片通道的中部，其叶片通道轮毂壁面形成为均匀平滑的曲面，且至少从叶片通道的中部至叶片通道的出口，所述叶片通道轮毂壁面至少在流向和周向两个维度上形成为局部凹凸化的非轴对称轮毂型面，
每一所述非轴对称轮毂型面中，在周向上，至少在靠近所述叶片通道的第一侧面的位置处形成为凸起结构，至少在靠近所述叶片通道的第二侧面的位置处形成为凹陷结构，且在流向上，所述凸起结构和凹陷结构的局部凹凸幅值，先从零逐渐变大，后逐步变小至零。
2.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，所述叶片通道的中部为在流向上距离叶片通道入口约40～70％叶片通道流向长度的位置，气流在该位置范围内逐渐由轴向流动偏转为径向流动。
3.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构，所述局部凹凸幅值不大于所述离心叶轮叶片的出口叶高的50％。
4.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，本发明所述的局部凹凸化非轴对称轮毂壁面结构，所述非轴对称轮毂壁面的造型由流向造型控制线和周向造型控制线生成。
5.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，所述流向造型控制线和周向造型控制线均为连续函数，所述连续函数为正弦函数、余弦函数、B样条曲线函数、或者根据所述叶片通道中的主流压力分布得到。
6.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，所述流向控制线和周向造型控制线分别采用连续函数Zi(m)和Zi(t)来构建，其中，
Figure FDA0002197785620000021
式中，B为局部凹凸幅值；m为流向坐标，Zi(m)为流向坐标为m的流向控制线的扰动幅度；t为周向坐标，Zi(t)为周向坐标为t的周向造型控制线的扰动幅度；b为局部非轴对称轮毂壁面流向终止位置的流向坐标；a为局部非轴对称轮毂壁面流向起始位置的流向坐标；d为局部非轴对称轮毂壁面周向终止位置的周向坐标；c为局部非轴对称轮毂壁面周向起始位置的周向坐标。
7.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，当所述非轴对称轮毂型面在流向上形成为单峰凹凸结构时，所述流向控制线的构建函数Zi(m)为
Figure FDA0002197785620000022
当所述非轴对称轮毂型面在流向上形成为双峰凹凸结构时，所述流向控制线的构建函数Zi(m)为
Figure FDA0002197785620000023
C、D为控制常数。
8.根据上述权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构，其特征在于，所述局部非轴对称轮毂壁面在在流向和周向上的起始和终止位置均具有几何连续性，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。
9.一种离心叶轮，其特征在于，所述离心叶轮具有上述任一项权利要求所述的控制离心叶轮流动的非轴对称轮毂结构。
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