CN111368372B - 一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法 - Google Patents

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Abstract

针对现有离心压气机半开式叶轮轴向力计算时所存在的或计算精度偏低或计算量大耗时长的缺点和不足，本发明提供了一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，该计算方法在实施时仅假设叶轮前端面的压力分布符合抛物线分布规律，并假设叶轮出口速度轴向分量为零，该假设符合大多数叶轮的压力分布规律，同时考虑了叶轮背面间隙及密封处位置的影响，且修正系数是通过大量实验获得，计算精度高；且该方法是一种基于叶轮进出口以及叶轮背部气动和几何参数、采用周向参数平均的一维轴向力计算方法，所需气动和几何参数少，计算量少；该方法具有良好的通用性，无论是低压比还是高压比的压气机半开式离心叶轮，均可采用该方法进行轴向力计算。

Description

一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机用离心压气机技术领域，具体涉及一种离心压气机半开式叶轮轴向力的计算方法，该方法采用周向平均的一维参数进行轴向力计算，所需气动和几何参数少，计算量少；该方法具有良好的通用性，无论是低压比还是高压比的压气机半开式离心叶轮，均可采用该方法进行轴向力计算；该方法由于仅仅采用了叶轮前端压力抛物线分布形式的假设，而该假设符合大多数叶轮的压力分布规律，同时考虑了叶轮背面间隙及密封处位置的影响，且修正系数是通过大量实验获得，计算精度高。
背景技术
离心压气机由于具有单级压比高、工作范围宽、结构简单等特点，是中小型燃气涡轮发动机最重要的压气机结构型式。在离心压气机中，受几何、运行环境等因素的影响，叶轮所受轴向力的大小和方向随工况而不断变化，离心叶轮的轴向力计算和平衡是燃气涡轮发动机设计的重要内容之一。轴向力计算精度低会导致轴承所受轴向力超出其承受范围或者轴向力过小而导致轴承轻载现象，这都会加速轴承磨损，影响发动机转子的安全运行，因此，离心叶轮所受轴向力的精确计算直接关系到发动机运行的可靠性和安全性。
目前，离心压气机半开式叶轮的轴向力计算方法一类是基于大量假设前提下的简化计算公式，计算精度偏低，不能满足航空发动机高精度计算的要求；另一类是基于复杂三维流场计算的数值模拟方法，这种方法计算量大、耗时长，属于详细设计过程采用的方法，且其计算中的某些假设也会对计算结果的准确性产生较大影响。
发明内容
针对现有离心压气机半开式叶轮轴向力确定所存在的上述问题，结合燃气涡轮发动机设计过程的特点，针对燃气涡轮发动机常用的半开式离心叶轮，本发明提供了一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，该方法是一种基于叶轮进出口以及叶轮背部气动和几何参数、采用周向参数平均的一维轴向力计算方法，所需气动和几何参数少，计算量少；该方法具有良好的通用性，无论是低压比还是高压比的压气机半开式离心叶轮，均可采用该方法进行轴向力计算；该方法由于仅仅采用了叶轮前端压力抛物线分布形式的假设，而该假设符合大多数叶轮的压力分布规律，同时考虑了叶轮背面间隙及密封处位置的影响，且修正系数是通过大量实验获得，计算精度高。
一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，所述离心压气机半开式叶轮处于工作状态时，叶轮前端所受轴向力为Ff，叶轮后端所受轴向力为Fb，叶轮所受总的轴向力F为叶轮前端所受轴向力Ff与叶轮后端所受轴向力Fb的差值，其特征在于，
SS1.在计算叶轮前端所受轴向力Ff、叶轮后端所受轴向力Fb时，假设叶轮前端面的压力分布符合抛物线分布规律，并假设叶轮出口速度轴向分量为零；
SS2.叶轮前端所受轴向力Ff按照如下计算式进行计算：
Ff＝Ffp+Ffm
其中，Ffp为叶轮前端由于压力产生的轴向力，Ffm为叶轮前端由于动量产生的轴向力，Ffp、Ffm分别按照如下计算式进行计算：
Ffm＝mVax1
其中，R1h为叶轮进口轮毂处的半径，R2为叶轮出口处的半径，rf为叶轮前端表面任一点处的半径，Pf(rf)为叶轮前端表面任一点处的压力，m为叶轮进口气流的质量流量，Vax1为叶轮进口气流的轴向速度，并且其中，叶轮前端表面任一点处的压力Pf(rf)按照如下计算式进行计算：
其中，p1为叶轮进口平均压力，p2为叶轮出口平均压力；
SS3.叶轮后端所受轴向力Fb按照如下计算式进行计算：
其中，RS为叶轮背面密封处的半径，rb为叶轮背面任一点处的半径，Pb(rb)为叶轮背面任一点处的压力，并且其中，叶轮背面任一点处的压力Pb(rb)按照如下计算式进行计算：
其中，ρ为叶轮出口气流密度，λ为引入的中间变量，并且λ满足Q为流过叶轮背面间隙的气体体积流量，t为叶轮背面与机匣之间的平均间隙，ω为叶轮旋转角速度。
优选地，步骤SS2、SS3中的所有公式均采用公制单位。
优选地，流过叶轮背面的气体体积流量Q由一维计算、实验测量或流体动力学计算获得。
优选地，叶轮进口平均压力p1与叶轮出口平均压力p2由设计计算、实验测量或流体动力学计算获得。
同现有技术相比，本发明结合燃气涡轮发动机设计过程的特点，针对燃气涡轮发动机常用的半开式离心叶轮，所提出的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法具有以下优点：
(1)计算简单，本发明采用的是周向平均的一维参数进行轴向力计算，所需气动和几何参数少，计算量少；
(2)通用性好，无论是低压比还是高压比的压气机半开式离心叶轮，均可采用本发明提供的方法进行轴向力计算；
(3)计算精度高：本发明所提出的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，由于仅仅采用了叶轮前端面压力抛物线分布形式的假设，而该假设符合大多数叶轮的压力分布规律，同时考虑了叶轮背面间隙及密封处位置的影响，且修正系数((叶轮背面压力计算公式中有小数位的常数均为修正系数)是通过大量实验获得，计算精度高。
附图说明
图1为离心压气机半开式叶轮前端面和后端面的压力分布示意图；
图2为离心压气机半开式叶轮结构示意图；
图3为本发明的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法与现有CFD方法的计算结果以及实验实测结果对比示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
如图2所示，离心压气机半开式叶轮结构包括半开式叶轮A，半开式叶轮A设置在机匣B中，半开式叶轮A的出口处设置有扩压器C。以半开式叶轮A的旋转中心为基准，叶轮进口轮毂处1的半径为R1h，叶轮出口处2的半径为R2，叶轮背面密封处的半径为RS，叶轮背面与机匣B之间的平均间隙为t。半开式叶轮A工作时，叶轮旋转角速度为ω，叶轮进口气流的质量流量为m，叶轮进口气流的轴向速度为Vax1，流过叶轮背面间隙的气体体积流量为Q。半开式叶轮A处于工作状态时，叶轮前端所受轴向力为Ff，叶轮后端所受轴向力为Fb，叶轮所受总的轴向力F为叶轮前端所受轴向力Ff与叶轮后端所受轴向力Fb的差值，即F、Ff、Fb三者满足：F＝Ff-Fb。
为提高离心压气机半开式叶轮轴向力的计算精度，同时降低计算量，本发明在计算时，结合燃气涡轮发动机设计过程的特点，针对燃气涡轮发动机常用的半开式离心叶轮，本发明提供了一种基于叶轮进出口以及叶轮背部气动和几何参数、采用周向参数平均的一维轴向力计算方法。在计算叶轮前端所受轴向力Ff、叶轮后端所受轴向力Fb时，假设叶轮前端面的压力分布符合抛物线分布规律(如图1所示)，并假设叶轮出口速度轴向分量为零，该假设符合大多数叶轮的压力分布规律。
基于上述假设，叶轮前端所受轴向力Ff按照如下计算式进行计算：
Ff＝Ffp+Ffm
其中，Ffp为叶轮前端由于压力产生的轴向力，Ffm为叶轮前端由于动量产生的轴向力，Ffp、Ffm分别按照如下计算式进行计算：
Ffm＝mVax1
其中，R1h为叶轮进口轮毂处的半径，R2为叶轮出口处的半径，rf为叶轮前端表面任一点处的半径，Pf(rf)为叶轮前端表面任一点处的压力，m为叶轮进口气流的质量流量，Vax1为叶轮进口气流的轴向速度，并且其中，叶轮前端表面任一点处的压力Pf(rf)按照如下计算式进行计算：
其中，p1为叶轮进口处的平均压力，p2叶轮出口处的平均压力。
同样地，基于上述假设，叶轮后端所受轴向力Fb按照如下计算式进行计算：
其中，RS为叶轮背面密封处的半径，rb为叶轮背面任一点处的半径，Pb(rb)为叶轮背面任一点处的压力，并且其中，叶轮背面任一点处的压力Pb(rb)按照如下计算式进行计算：
其中，ρ为叶轮出口气流密度，λ为引入的中间变量，并且λ满足Q为流过叶轮背面间隙的气体体积流量，t为叶轮背面与机匣之间的平均间隙，ω为叶轮旋转角速度。以上所有公式均采用公制单位。
本发明所提供的上述压气机半开式叶轮轴向力计算方法具有以下特点：(1)计算简单：采用的是周向平均的一维参数进行轴向力计算，所需气动和几何参数少，计算量少。(2)通用性好：无论是低压比还是高压比的压气机半开式离心叶轮，均可采用该方法进行轴向力计算。
此外，本发明所提出的压气机半开式叶轮轴向力计算方法，还具有计算精度高的特点。图3为在同一工况下，针对同一离心压气机半开式叶轮，采用本发明的叶轮轴向力计算方法以及现有CFD方法得到的计算结果与实验实测结果进行对比的情况，从图3中不难看出，由于本发明在计算压气机半开式叶轮轴向力时，由于仅仅采用了叶轮前端压力抛物线分布形式的假设，而该假设符合大多数叶轮的压力分布规律，同时考虑了叶轮背面间隙及密封处位置的影响，且修正系数是通过大量实验获得，因而本发明的轴向力计算方法所得到的计算结合与实验实测结果的吻合度较高，这表面本发明的轴向力计算方法具有较高的计算精度。相比之下，现有CFD方法实质上是一种基于复杂三维流场计算的数值模拟方法，这种方法计算量大、耗时长，属于详细设计过程采用的方法，且其计算中的某些假设也会对计算结果的准确性产生较大影响，如图3所示，CFD方法虽然计算量大，但是其计算结果与验实测结果之间具有一定的偏差。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，所述离心压气机半开式叶轮处于工作状态时，叶轮前端所受轴向力为Ff，叶轮后端所受轴向力为Fb，叶轮所受总的轴向力F为叶轮前端所受轴向力Ff与叶轮后端所受轴向力Fb的差值，其特征在于，
SS1.在计算叶轮前端所受轴向力Ff、叶轮后端所受轴向力Fb时，假设叶轮前端面的压力分布符合抛物线分布规律，并假设叶轮出口速度轴向分量为零；
SS2.叶轮前端所受轴向力Ff按照如下计算式进行计算：
Ff＝Ffp+Ffm
其中，Ffp为叶轮前端由于压力产生的轴向力，Ffm为叶轮前端由于动量产生的轴向力，Ffp、Ffm分别按照如下计算式进行计算：
Ffm＝mVax1
其中，R1h为叶轮进口轮毂处的半径，R2为叶轮出口处的半径，rf为叶轮前端表面任一点处的半径，Pf(rf)为叶轮前端表面任一点处的压力，m为叶轮进口气流的质量流量，Vax1为叶轮进口气流的轴向速度，并且其中，叶轮前端表面任一点处的压力Pf(rf)按照如下计算式进行计算：
其中，p1为叶轮进口处的平均压力，p2为叶轮出口处的平均压力；
SS3.叶轮后端所受轴向力Fb按照如下计算式进行计算：
其中，RS为叶轮背面密封处的半径，rb为叶轮背面任一点处的半径，Pb(rb)为叶轮背面任一点处的压力，并且其中，叶轮背面任一点处的压力Pb(rb)按照如下计算式进行计算：
其中，ρ为叶轮出口气流密度，λ为引入的中间变量，并且λ满足Q为流过叶轮背面间隙的气体体积流量，t为叶轮背面与机匣之间的平均间隙，ω为叶轮旋转角速度。
2.根据权利要求1所述的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，其特征在于，步骤SS2、SS3中的所有公式均采用公制单位。
3.根据权利要求1所述的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，其特征在于，流过叶轮背面的气体体积流量Q由一维计算、实验测量或流体动力学计算获得。
4.根据权利要求1所述的离心压气机半开式叶轮轴向力计算方法，其特征在于，叶轮进口平均压力p1与叶轮出口平均压力p2通过设计计算、实验测量或流体动力学计算获得。
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