CN112943686B - 一种离心压气机叶轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心压气机叶轮及其设计方法，通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制。该种方法能够分别优化气流在不同叶片通道内受到的不同气动不平衡力，通过不同倾斜角施加不同的叶片力，合理平衡由轮毂指向机匣的展向压力梯度和由压力面指向吸力面的周向压力梯度，从而以更好的效果分别抑制不同叶片通道内低速高熵流体在机匣附近以及在吸力面附近的聚集，进而改善了离心叶轮内部的二次流结构并提高了出口流场均匀性。该种叶片构型结构相对简单、易于加工，特别适用于各类中小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。

Description

一种离心压气机叶轮及其设计方法

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，涉及一种离心压气机叶轮，具体涉及一种控制离心叶轮流动的主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的离心叶轮。通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制。

背景技术

离心压气机因其具有单级增压能力强、结构紧凑、可靠性高等优点，广泛应用于中小型燃气轮机及中小型航空发动机，图1所示为典型的离心压气机结构，通常情况下，离心叶轮10的出口外围布置有扩压器20。然而，离心压气机相比轴流压气机，由于具有叶片通道长、叶片通道曲率大、单级压比高等特点，往往具有更差的气动性能。气流在离心叶轮叶片通道内受到叶轮旋转产生的离心力和科氏力的作用，极易在叶片表面发生边界层分离，从而在叶片通道内形成显著的二次流与回流，进一步在叶轮出口形成“射流—尾迹”的流动结构，其中尾迹区主要集中在机匣与叶片吸力面附近。叶轮出口的“射流—尾迹”流动结构，不仅仅造成了叶轮本身效率的降低，也严重影响了叶轮下游的扩压器工作性能。

因此，离心叶轮内部流动的好坏在决定了叶轮本身效率的同时，也限制了离心压气机整体的工作性能与裕度。一直以来，人们为改善离心叶轮出口的“射流—尾迹”流场结构提出了多种解决方案，如通过叶片出口的后弯在叶片通道内对气流作用一与科氏力方向相反的叶片力，从而抑制低速高熵流体的周向迁移和在吸力面一侧的聚集；或者通过在叶片中后部采用C型分布，施加叶片力，从而抑制机匣侧流体分离和低速高熵流体的聚集。这些措施虽然能够在一定程度上改善叶轮出口流场的均匀性，提高离心压气机的性能，但随着离心压气机设计压比的逐渐提高，这些流动控制手段控制叶轮出口“射流—尾迹”流动结构的效果已经不能满足离心压气机的设计要求，因此，有必要进一步发展改善叶轮出口不均匀流场的流动控制结构。

发明内容

针对现有技术的上述需求，为进一步发展改善离心叶轮出口不均匀流场的流动控制结构，本发明提供了一种主叶片与分流叶片具有不同倾斜角的离心叶轮，通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制，能够分别优化气流在不同叶片通道内受到的不同气动不平衡力，通过不同倾斜角施加不同的叶片力，合理平衡由轮毂指向机匣的展向压力梯度和由压力面指向吸力面的周向压力梯度，从而以更好的效果分别抑制不同叶片通道内低速高熵流体在机匣附近以及在吸力面附近的聚集，进而改善了离心叶轮内部的二次流结构并提高了出口流场均匀性。

本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种离心压气机叶轮，包括轮毂以及沿周向均布设置在所述轮毂上的多个主叶片，所述轮毂上还设有多个分流叶片，各所述主叶片在流向上由叶轮入口延伸至叶轮出口，相邻两所述主叶片之间形成主叶片通道，每一所述主叶片通道中均至少设置一所述分流叶片，各所述分流叶片在流向上由离心叶轮的中部延伸至叶轮出口，所述分流叶片与其两侧的叶片之间分别形成不同分流叶片通道，其特征在于，

从所述离心叶轮的中部至叶轮出口，所述分流叶片与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，所述分别改善分流叶片两侧的分流叶片通道内具有畸变程度不同的流场，所述分流叶片的倾斜角分布曲线应保证气流在其两侧的分流叶片通道中受到不同的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度。

本发明所述的主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的结构设置在离心叶轮叶片中部至叶片尾缘部分，通过分别优化气流在不同叶轮通道内受到的不同气动不平衡力实现对离心叶轮内部二次流动更好的控制，从而抑制叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

优选地，所述离心叶轮的中部为在流向上距离主叶片通道入口约40～70％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，从而容易在叶顶附近产生流动分离。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。

优选地，所述分流叶片的倾斜角造型控制线与所述主叶片的倾斜角造型控制线相互独立，根据所述主叶片和分流叶片的倾斜角造型控制线分别造型得到主叶片与分流叶片。

进一步地，所述主叶片和分流叶片的倾斜角造型控制线均为连续函数，所述连续函数包括但不局限于B样条曲线函数。

本发明的另一个发明目的，还在于提供一种上述离心压气机叶轮的设计方法，其特征在于，

SS1.提供一初始离心压气机叶轮，所述初始离心压气机叶轮中的分流叶片与主叶片具有相同的设计参数，分流叶片与主叶片造型方式相同，分流叶片由主叶片截取改型得到；

SS2.对所述初始离心压气机叶轮中的分流叶片进行重新造型，通过改变分流叶片的造型方式，将分流叶片的出口倾斜角作为独立于主叶片的设计参数，选取为不同于主叶片出口倾斜角的值，从而得到分流叶片不同于主叶片的叶片倾斜角分布。这种分流叶片结构的变化，优势在于，对分流叶片两侧的不同叶片通道内畸变程度不同的流场，采用不同的倾角分布施加不同的叶片力分别调控，从而在每个叶片通道内实现更好抑制低速高熵流体在机匣和吸力面附近聚集的效果，进而改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况，实现本发明的目的。

本发明所述的主叶片与分流叶片具有不同叶轮出口倾斜角的离心叶轮结构由初始主叶片与分流叶片具有相同倾斜角的叶轮演变而来，通过在设计过程中将分流叶片与主叶片的叶轮出口倾斜角设置为不同的值，从而使分流叶片与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线。

优选地，步骤SS2中，在对所述初始离心压气机叶轮中的分流叶片进行重新造型时，通过将所述分流叶片设计为与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，使得所述分流叶片两侧的分流叶片通道内畸变程度不同的流场受到分别改善，通过对分流叶片倾斜角分布曲线的优化，使得气流在分流叶片两侧的不同分流叶片通道中受到的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度，从而改善分流叶片两侧的不同分流叶片通道中不同畸变的流场，更好的抑制低速高熵流体在吸力面与机匣附近的聚集，最终改善了叶轮通道内二次流结构和叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

本发明所述的主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的结构设置在离心叶轮叶片中部至叶片尾缘部分，通过分别优化气流在不同叶轮通道内受到的不同气动不平衡力实现对离心叶轮内部二次流动更好的控制，从而抑制叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

同现有技术相比，本发明提供了一种主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的离心压气机叶轮及设计方法，其工作原理为由于离心叶轮中分流叶片的存在，分流叶片左右两侧的叶片通道内的流动并不相同，为补充和发展离心叶轮内部流动控制，本发明通过改进离心叶轮分流叶片的造型，在离心叶轮中采用主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的叶片结构，从而实现对分流叶片两侧的叶片通道内畸变程度不同的流场进行分别的流动控制。本发明能够分别优化气流在不同叶轮通道内受到的不同气动不平衡力，通过合理的减弱由轮毂指向机匣的压力梯度和由压力面指向吸力面的周向压力梯度，从而以更好的效果抑制不同叶片通道内低速高熵流体在机匣附近以及在吸力面附近的聚集，进而改善了叶轮内部二次流结构并提高了出口流场均匀性。该种叶片构型结构相对简单、易于加工，特别适用于各类中小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。

此外，现有技术通常忽略了不同叶片通道内流场畸变程度的不同，对主叶片与分流叶片采用相同的倾斜角分布的设计，本发明的主叶片与分流叶片具有不同叶轮出口倾斜角的离心叶轮结构实现了对叶轮内部高度不均匀流场的控制，通过不同的叶片倾斜角施加不同的叶片力分别改善不同叶轮通道内畸变不同的流场，更好的抑制低速高熵流体在吸力面和机匣附近的聚集，从而在不降低叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮内部二次流动及叶轮出口流场均匀性，从而改善离心叶轮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。

附图说明

图1为现有离心压气机结构示意图；

图2为本发明的具有不同倾斜角分布的离心压气机叶轮结构示意图；

图3为具有不同倾斜角分布的离心叶轮出口叶片二维剖面图；

图4为不同叶片倾斜角沿流向变化示意图。

附图中各附图标记说明：

离心叶轮10，轮毂11，主叶片12，分流叶片13，扩压器20

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，本发明提供的离心压气机叶轮，包括轮毂11以及沿周向均布设置在轮毂11上的多个主叶片12，轮毂11上还设有多个分流叶片13，各主叶片12在流向上由叶轮入口延伸至叶轮出口，相邻两主叶片12之间形成主叶片通道，每一主叶片通道中均至少设置一分流叶片13，各分流叶片13在流向上由离心叶轮的中部延伸至叶轮出口，分流叶片13与其两侧的主叶片12之间分别形成分流叶片通道。从离心叶轮的中部至叶轮出口，分流叶片13与主叶片12拥有不同的倾斜角分布曲线，分流叶片13两侧的分流叶片通道内具有畸变程度不同的流场，分流叶片13的倾斜角分布曲线应保证气流在其两侧的分流叶片通道中受到的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度。

本发明的主叶片与分流叶片具有不同倾斜角分布的离心压气机叶轮结构在进行设计时，初始离心叶轮(如图1所示)中的分流叶片与主叶片具有相同的设计参数，与主叶片造型方式相同，由主叶片截取改型得到。本发明对离心压气机叶轮中的分流叶片13进行重新造型，通过改变分流叶片13的造型方式，将分流叶片13的出口倾斜角作为独立于主叶片12的设计参数，选取为不同于主叶片出口倾斜角的值，从而得到分流叶片13不同于主叶片12的叶片倾斜角分布。这种分流叶片结构的变化，优势在于，对分流叶片13两侧的不同叶片通道内畸变程度不同的流场，采用不同的倾角分布施加不同的叶片力分别调控，从而在每个叶片通道内实现更好抑制低速高熵流体在机匣和吸力面附近聚集的效果，进而改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况，实现本发明的目的。

本发明所述的主叶片12与分流叶片13具有不同叶轮出口倾斜角的离心叶轮结构由初始主叶片与分流叶片具有相同倾斜角的离心叶轮演变而来，通过在设计过程中将分流叶片13与主叶片的叶轮出口倾斜角设置为不同的值，从而使分流叶片13与主叶片12在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线。

本发明所述的主叶片12与分流叶片13具有不同叶片倾斜角分布的结构设置在离心叶轮叶片中部至叶片尾缘部分，通过分别优化气流在不同叶轮通道内受到的不同气动不平衡力实现对离心叶轮内部二次流动更好的控制，从而抑制叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

如图3中主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的叶轮出口二维剖面图所示，气流在分流叶片13两侧的不同的分流叶片通道A与B内存在不同的流动结构，通过主叶片与分流叶片不同的倾角分布，气流在分流叶片通道A与B内受到了不同的叶片力①与②，叶片力①与②分别减弱分流叶片通道A与B中不同的由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度，从而改善叶片通道A与B中不同畸变的流场，更好的抑制低速高熵流体在吸力面与机匣附近的聚集，最终改善了叶轮通道内二次流结构和叶轮出口的“尾迹-射流”结构。

除主叶片的倾斜角造型控制线外，还应包括一条单独描述分流叶片倾斜角的造型控制线，如图4所示，进而通过分别造型得到主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的叶轮。叶片倾斜角造型控制线均为连续函数，所述连续函数包括但不局限于B样条曲线函数。

此外，离心叶轮叶片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，从而容易在叶顶附近产生流动分离。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。

本发明的主叶片与分流叶片具有不同叶轮出口倾斜角的离心叶轮结构实现了对叶轮内部高度不均匀流场的控制，在不降低叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮内部二次流动及叶轮出口流场均匀性，从而改善离心叶轮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。

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 (5)

1.一种压气机离心叶轮，包括轮毂以及沿周向均布设置在所述轮毂上的多个主叶片，所述轮毂上还设有多个分流叶片，各所述主叶片在流向上由叶轮进气口延伸至叶轮出气口，相邻两所述主叶片之间形成主气流通道，每一所述主气流通道中均至少设置一所述分流叶片，各所述分流叶片在流向上由离心叶轮的中部延伸至叶轮出气口，所述分流叶片与其两侧的主叶片之间分别形成分气流通道，其特征在于，

从所述离心叶轮的中部至叶轮出气口，所述分流叶片与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，所述分流叶片两侧的分气流通道内具有畸变程度不同的流场，所述分流叶片的倾斜角分布曲线应保证气流在其两侧的分气流通道中受到的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度，从而实现在每个分气流通道内抑制低速高熵流体在机匣和吸力面附近的聚集，进而改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况；

所述压气机离心叶轮按照如下方式进行设计：

SS1.提供一初始压气机离心叶轮，所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片与主叶片具有相同的设计参数，初始主叶片与分流叶片具有相同的倾斜角，分流叶片与主叶片造型方式相同，分流叶片由主叶片截取改型得到；

SS2.对所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片进行重新造型，通过改变分流叶片的造型方式，将分流叶片的出口倾斜角作为独立于主叶片的设计参数，选取为不同于主叶片出口倾斜角的值，从而得到分流叶片不同于主叶片的叶片倾斜角分布，具体为：

在对所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片进行重新造型时，通过将所述分流叶片设计为与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，使得所述分流叶片两侧的分气流通道内具有畸变程度不同的流场，通过对分流叶片倾斜角分布曲线的优化，使得气流在分流叶片两侧的分气流通道中受到的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度，从而实现在每个分气流通道内抑制低速高熵流体在机匣和吸力面附近的聚集，进而改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况。

2.根据权利要求1所述的压气机离心叶轮，其特征在于，所述离心叶轮的中部为在流向上距离主气流通道入口约40～70％通道流向长度的位置。

3.根据权利要求1所述的压气机离心叶轮，其特征在于，所述分流叶片的倾斜角造型控制线与所述主叶片的倾斜角造型控制线相互独立，根据所述主叶片和分流叶片的倾斜角造型控制线分别造型得到主叶片与分流叶片。

4.根据权利要求1所述的压气机离心叶轮，其特征在于，所述主叶片和分流叶片的倾斜角造型控制线均为连续函数，所述连续函数为B样条曲线函数。

5.一种权利要求1至4任一项压气机离心叶轮的设计方法，其特征在于，

SS1.提供一初始压气机离心叶轮，所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片与主叶片具有相同的设计参数，初始主叶片与分流叶片具有相同的倾斜角，分流叶片与主叶片造型方式相同，分流叶片由主叶片截取改型得到；

SS2.对所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片进行重新造型，通过改变分流叶片的造型方式，将分流叶片的出口倾斜角作为独立于主叶片的设计参数，选取为不同于主叶片出口倾斜角的值，从而得到分流叶片不同于主叶片的叶片倾斜角分布，具体为：

在对所述初始压气机离心叶轮中的分流叶片进行重新造型时，通过将所述分流叶片设计为与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，使得所述分流叶片两侧的分气流通道内具有畸变程度不同的流场，通过对分流叶片倾斜角分布曲线的优化，使得气流在分流叶片两侧的分气流通道中受到的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度，从而实现在每个分气流通道内抑制低速高熵流体在机匣和吸力面附近的聚集，进而改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况。

Images