CN110725808B

CN110725808B - 离心叶轮叶片及构型方法与离心压气机

Info

Publication number: CN110725808B
Application number: CN201911057995.4A
Authority: CN
Inventors: 李紫良; 卢新根; 韩戈; 阳诚武; 赵胜丰
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN110725808A

Abstract

本发明涉及一种控制离心叶轮流动的叶片，该叶片的尾缘至距离尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构，弯曲结构沿压气机周向凸起的方向与离心叶轮旋转的方向相反。其中，距离尾缘预设长度的位置为在气体流动方向上，距离压气机气流进口40％～70％叶片流道长度的位置。该叶片可减弱由叶根指向叶尖的压力梯度，从而抑制低能流体在叶尖附近的堆积，同时能够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，在不降低离心叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，最终改善叶轮通道内二次流动和叶轮出口的“尾迹‑射流”结构。该叶片构型结构相对简单、易于加工。

Description

离心叶轮叶片及构型方法与离心压气机

技术领域

本发明涉及中小型航空发动机/燃气轮机压气机技术领域，尤其涉及离心叶轮叶片及构型方法与离心压气机。

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以广泛应用。然而，离心压气机由于其内部的复杂流动，其效率相较与轴流式压气机通常较低。由于气流在离心叶轮内部的流动受到叶轮旋转产生的离心力和流道折转产生的科氏力作用，分离流动在离心压气机中更容易发生，使得脱流、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流场结构：即表现为气流在叶轮出口从轮盘到轮盖、从叶片压力面到吸力面的高度不均匀速度场，人们一般称之为“尾迹-射流”结构。离心叶轮出口“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下游的扩压器部件性能，不利于扩压器部件的设计。

目前克服“尾迹-射流”结构的方法有多种。例如，通过叶片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和在吸力面一侧的堆积；通过叶片前倾在叶轮出口施加由轮盖指向轮盘方向的力，从而抑制轮盖侧流体分离和低能流体的堆积。这些措施在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，但随着离心压气机单级设计压比的提高，这些措施对离心叶轮出口高度不均匀流场的抑制作用仍较为有限，离心叶轮出口的“尾迹-射流”结构很难得以完全抑制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本发明提出一种离心叶轮叶片及构型方法，该叶片可以用于控制离心压气机叶轮的流动，以至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本发明一方面提供一种离心叶轮叶片，该叶片的尾缘至距离尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构，弯曲结构沿压气机周向凸起的方向与离心叶轮旋转的方向相反。

可选地，距离尾缘预设长度的位置为在气体流动方向上，距离离心叶轮气流进口40％～70％叶片流道长度的位置。

可选地，弯曲结构沿压气机周向凸起部分所占幅值不大于叶片的出口叶高的60％。

可选地，在同一叶高位置，叶片表面沿气体流动方向的切线与压气机轴向的夹角大小沿气体流动方向变化连续。

可选地，在同一叶高位置，叶片表面沿气体流动方向的切线与叶轮旋转轨迹切线方向的夹角大小沿气体流动方向变化连续。

可选地，叶片的结构在叶片流道方向及叶高方向具有几何连续性。

可选地，叶片表面光滑过渡。

本发明另一方面提供一种离心压气机，该离心压气机的叶轮叶片采用上述离心叶轮叶片。

本发明另一方面提供一种离心叶轮叶片的构型方法，包括：基于连续曲线函数，对叶片的叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行设计，使得叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线为连续函数，其中，叶片角指叶片表面沿气体流动方向的切线与离心叶轮轴向的夹角，叶片周向相位角指叶片表面沿气体流动方向的切线与叶轮旋转轨迹切线方向的夹角；对不同叶高位置的叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行积叠，使得叶片的尾缘至距离尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构；其中，至少包括三条叶片角分布控制线和三条所述叶片周向相位角控制线。

可选地，上述连续曲线函数包括B样条曲线函数、Spline差值曲线函数、正弦函数、余弦函数、插值曲线函数中的至少一种。

(三)有益效果

本发明提出的一种离心叶轮叶片结构及其构型方法，有益效果为：

1、基于该构型方法，将叶片中部至尾缘位置构造一沿叶高方向弯曲的叶片结构，以优化气流在叶轮通道内受到的不平衡力，减弱由叶根指向叶尖的压力梯度，从而抑制低能流体在叶尖附近的堆积；同时能够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。在不降低离心叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，最终改善了叶轮通道内二次流动和叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

2、该叶片构型结构相对简单、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中的离心压气机。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片的三维结构图；

图2示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片不同叶高位置的叶片角沿流向变化示意图；

图3示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片不同叶高位置的叶片周向相位角大小沿气体流动方向变化连续示意图；以及

图4示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片的二维剖面图。

【附图标记】

1-叶片

2-尾缘

3-距离尾缘2预设长度的位置

C-叶片流道

D-叶轮旋转方向

F₁、F₂-作用力

I-气流进口

O-气流出口

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片的三维结构图。

如图1所示，该叶片1的尾缘2至距离尾缘2预设长度的位置3之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构，例如“C”形构型。并且，弯曲结构沿压气机周向凸起的方向与所述压气机叶轮旋转的方向相反。

进一步地，距离尾缘2预设长度的位置3例如可以为在气体流动方向上，距离压气机气流进口I的40％～70％叶片流道C长度的位置。一般情况下，气流在该位置范围内逐渐由轴向流动偏转为径向流动，从而容易在叶尖附近产生流动分离。此外，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。因此，在造型时选择该位置进行造型改造。

进一步地，弯曲结构沿压气机周向凸起部分所占幅值不大于叶片1的出口叶高的60％。

进一步地，同一叶高位置，叶片1的叶片角大小沿气体流动方向变化连续，其中，叶片角是指叶片表面沿气体流动方向的切线与压气机轴向的夹角。图2示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片不同叶高位置的叶片角沿流向变化示意图。如图2所示，叶片角沿流向变化连续。

进一步地，同一叶高位置，叶片1周向相位角大小沿气体流动方向变化连续，其中，叶片周向相位角指在每一叶高截面，叶片表面沿气流流动方向的切线与叶轮旋转切线方向的夹角。图3示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片不同叶高位置的叶片周向相位角大小沿气体流动方向变化连续示意图。如图3所示，叶片周向相位角大小沿气体流动方向变化连续。

进一步地，叶片1的结构在叶片流道方向及叶高方向具有几何连续性，叶片表面光滑过渡。

图4示意性示出了本发明实施例提供的离心叶轮叶片的二维剖面图。如图4所示，气流在该“C”形构型叶片构成的叶片通道内受到两种新的作用力，作用力F₁的方向由叶片的吸力面/叶根区域指向叶片通道中心区域，作用力F₂的方向由叶片的吸力面/叶尖区域指向叶片通道中心区域。一方面，F₁及F₂两种作用力能够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；另一方面，F₁及F₂两种作用力能够减弱由叶根指向叶尖的压力梯度，从而抑制低能流体在叶尖附近的堆积。最终改善叶轮通道内二次流动和叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

本发明实施例还提供一种基于上述离心叶轮叶片的离心压气机，由于该叶轮叶片可以控制离心压气机叶轮的流动，使得该离心压气机在不降低离心叶轮做功能力的前提下，叶轮内部流动及出口流场具有很好的均匀性。该离心压气机特别适合作为各类小型燃气轮机及中小型航空发动机的离心压气机。

本发明实施例还提供了一种离心叶轮叶片的构型方法，该方法包括基于连续曲线函数，对叶片的叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行设计，使得叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线为连续函数。

该叶片1中的弯曲结构有初始叶高方向为平直的直纹叶片演变而来。初始直纹叶片的造型控制线只有两条，分别在0％叶高和100％叶高位置(叶根和叶尖)。通过增加不同叶高位置的叶片造型控制线来实现“C”形叶片的造型。即在对上述实施例中的叶片1进行造型时，除0％叶高和100％叶高位置的叶片造型控制线外，其它叶高位置应至少包括一条造型控制线。

其中，叶片造型控制线例如可以包括叶片角分布控制线和叶片周向相位角分布控制线。进一步地，叶片角分布控制线和叶片周向位置控制线均为连续函数，连续函数包括但不局限于B样条曲线函数、Spline差值曲线函数、正弦函数、余弦函数、插值曲线函数中的至少一种。

造型控制线设计完成后，对不同叶高位置的叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行积叠，使得叶片的尾缘至距离尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构，完成叶片的构型。

其它细节部分请参见上述叶片结构的实施例，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的离心叶轮叶片，通过将叶片中部至尾缘位置构造一沿叶高方向弯曲的叶片结构，以优化气流在叶轮通道内受到的不平衡力，减弱由叶根指向叶尖的压力梯度，从而抑制低能流体在叶尖附近的堆积；同时能够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。在不降低离心叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，最终改善了叶轮通道内二次流动和叶轮出口的“尾迹-射流”结构。该叶片构型结构由初始叶高方向为平直的直纹叶片演变而来，没有引入新的流动控制结构，结构相对简单、易于加工。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims

1.一种离心叶轮叶片，其特征在于，所述叶片的尾缘至距离所述尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构，所述弯曲结构沿压气机周向凸起的方向与所述离心叶轮旋转的方向相反；

其中，在同一叶高位置，所述叶片的表面沿气体流动方向的切线与所述离心叶轮的轴向的夹角大小沿气体流动方向变化连续；和/或所述叶片的表面沿气体流动方向的切线与所述离心叶轮的旋转轨迹切线方向的夹角大小沿气体流动方向变化连续。

2.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片，其特征在于，所述距离所述尾缘预设长度的位置为在气体流动方向上，距离所述离心叶轮气流进口40％～70％叶片流道长度的位置。

3.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片，其特征在于，所述弯曲结构沿压气机周向凸起部分所占幅值不大于所述叶片的出口叶高的60％。

4.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片，其特征在于，所述叶片的结构在叶片流道方向及叶高方向具有几何连续性。

5.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片，其特征在于，所述叶片表面光滑过渡。

6.一种离心压气机，其特征在于，所述离心压气机的叶轮叶片采用权利要求1-5任一项所述的离心叶轮叶片。

7.一种离心叶轮叶片的构型方法，其特征在于，包括：

基于连续曲线函数，对所述叶片的叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行设计，使得所述叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线为连续函数，其中，所述叶片角指所述叶片表面沿气体流动方向的切线与所述离心叶轮轴向的夹角，所述叶片周向相位角指所述叶片表面沿气体流动方向的切线与叶轮旋转轨迹切线方向的夹角；

对不同叶高位置的所述叶片角分布控制线和叶片周向相位角控制线进行积叠，使得所述叶片的尾缘至距离所述尾缘预设长度的位置之间的叶片部分沿叶片的叶高方向为弯曲结构；

其中，至少包括三条所述叶片角分布控制线和三条所述叶片周向相位角控制线。

8.根据权利要求7所述的离心叶轮叶片的构型方法，其特征在于，所述连续曲线函数包括正弦函数、余弦函数、插值曲线函数中的至少一种。