CN112989720B - 轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法 - Google Patents

Abstract

一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，采用高负荷悬臂静子叶片模型及工况，通过CFD数值模拟分析方法计算得出悬臂静子叶片总压损失随间隙大小的变化规律；采用强度计算确定机械强度安全裕度允许情况下的考虑离心力和温度变化所需要的最小径向间隙保证值；采用尺寸链计算确定在保证制造装配公差值允许情况下的最小径向间隙值，根据机械强度安全裕度与制造装配公差值之和实现轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的优化。本发明在兼顾机械强度安全裕度和制造装配公差的基础上，确保悬臂静子叶片气动性能的总压损失最小。

Description

轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法。

背景技术

轴流压气机是航空发动机和地面燃气轮机的重要组成部分之一，而高效率高增压比的轴流压气机对气动稳定性和减轻重量都提出了更高的要求。目前较常见的压气机静子叶片结构有带内环的静子叶片和悬臂静子叶片两种。在轴流压气机中，如果采用悬臂静子叶片的结构形式，那么相较于带内环的静子叶片，就可以做到结构更简单且使压气机更短更轻。高负荷悬臂静子叶片与高速旋转轮毂之间不可避免地存在径向间隙，因为只有这样才能保证压气机在旋转做功时转静子之间不刮碰，从而安全工作。在径向间隙内，受到叶片吸力面和压力面的压差影响，部分气流从压力面越过轮毂间隙流向吸力面，形成轮毂泄漏流。轮毂泄漏流不仅会带来泄漏损失，而且还与其他各种二次流相互作用使得悬臂静子叶片端区流场非常复杂，掺混损失和堵塞造成了压气机气动性能的下降。

发明内容

本发明针对现有轴流压气机中悬臂静子叶片轮毂径向间隙设计存在影响因素繁多、缺乏有效设计方法的缺陷，提出了一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，在兼顾机械强度安全裕度和制造装配公差的基础上，确保悬臂静子叶片气动性能的总压损失最小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，采用高负荷悬臂静子叶片模型及工况，通过CFD数值模拟分析方法计算得出悬臂静子叶片总压损失随间隙大小的变化规律；采用强度计算确定机械强度安全裕度允许情况下的考虑离心力和温度变化所需要的最小径向间隙保证值；采用尺寸链计算确定在保证制造装配公差值允许情况下的最小径向间隙值，根据机械强度安全裕度与制造装配公差值之和实现轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的优化。

所述的高负荷悬臂静子叶片模型具体为可控扩散叶型(CDA)，取其设计点工况，即压气机的实际工作状况。

所述的轴流压气机悬臂静子叶片的一端固定设置于静子外环上，另一端为与高速旋转的轮毂间存在径向间隙的悬臂端。

所述的轮毂径向间隙h采用除以悬臂静子叶片叶根截面的轴向弦长c_轴向的相对百分比表示。

所述的变化规律是指悬臂静子叶片总压损失系数与轮毂径向间隙的正相关关系。

所述的轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的下限为考虑保证机械强度安全裕度和制造装配公差后的最小径向间隙值h_下限，上限为h_下限*1.5，即间隙值范围为[h_下限，h_下限*1.5]。

所述的CFD数值模拟分析方法是指：采用高负荷悬臂静子叶片模型，构造间隙值分别为相对弦长的0％～5％之间的至少5组径向间隙计算方案，对不同计算方案的悬臂静子叶片计算域，采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程，计算得出各个间隙方案的悬臂静子叶片总压损失系数，具体为：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：

其中：

为守恒型参数向量，

和

分别是无粘矢通量和粘性矢通量，

其中：热源项

应力

克罗内克符号

源项

为外作用力，W_f为这些外作用力所做的功，

所述的悬臂静子叶片总压损失系数ω是评价压气机中静子叶片气动性能的重要指标之一，应尽量减小总压损失以达到更好的性能，本发明中具体为

其中：

分别为进、出口总压；p_inlet为进口静压，其通过在完成CFD数值模拟后，对整个进、出口平面计算总压或静压的质量平均值而得。

技术效果

本发明整体解决了现有轴流压气机中悬臂静子叶片轮毂径向间隙设计存在影响因素繁多、缺乏有效设计方法的缺陷。与现有技术相比，本发明在兼顾机械强度安全裕度和制造装配公差的基础上，确保悬臂静子叶片气动性能的总压损失最小；同时缩短了航空发动机或地面燃气轮机的研制时间，节省了大量的研发时间和人力成本。

附图说明

图1为悬臂静子叶片的几何示意图；

图中：h为轮毂径向间隙，采用除以悬臂静子叶片叶根截面的轴向弦长c_轴向的相对百分比；

图2为悬臂静子叶片的计算域；

图3为不同轮毂径向间隙与静子叶片总压损失系数的关系图。

具体实施方式

本实施例涉及一种轴流压气机悬臂静子叶片与高速旋转轮毂径向间隙值的设计方法，采用CFD数值模拟方法进行气动性能中的总压损失系数计算。以航空发动机中轴流压气机高负荷悬臂静子叶片为例，悬臂静子叶片采用可控扩散叶型(CDA)的平面叶栅，弦长为60mm，叶高为100mm。计算工况选为设计点工况，进气攻角为0°，进口气流马赫数为0.61，轮毂旋转速度为345m/s。

本实施例具体步骤包括：

1)对悬臂静子叶片平面叶栅进行计算域的建模，选取设计点工况，在进行各个间隙值计算方案时，保持进气条件不变，通过只改变轮毂径向间隙值来计算分析其变化对静子叶片叶栅设计点气动性能的影响。

2)轮毂径向间隙h取值依次为相对弦长的0％、0.5％、1％、2％、3.5％和4.5％，分别进行数值模拟计算，得出各个间隙方案在设计点工况下的总压损失系数。

3)分析计算结果得出：随着轮毂径向间隙的增大静子叶片总压损失持续增大的规律。当轮毂径向间隙较小(小于1％弦长)时，静子叶片总压损失增长较快，而当轮毂径向间隙较大(大于3.5％弦长)时，静子叶片总压损失增长较慢。如图3所示，该静子叶片总压损失系数随轮毂径向间隙增加的规律可近似拟合为三次多项式：ω＝94.879h³-10.033h²+0.390h+0.028。

对于轴流压气机悬臂静子叶片，应使总压损失最小以达到最佳气动性能。但鉴于轴流压气机安全工作和制造装配需求，需要考虑轮毂旋转和温度效应后采用强度计算确定机械强度安全裕度，采用尺寸链计算确定制造装配公差值，将此两项相加得出最小径向间隙值。综合下来，针对此高负荷悬臂静子平面叶栅，其轮毂径向间隙下限值取为悬臂静子叶片叶根截面轴向弦长c_轴向的0.8％～1.2％。

经过具体实际实验，在设计点工况、进口马赫数为0.61的条件下，分别设置轮毂径向间隙为相对弦长的0％、0.5％、1％、2％、3.5％和4.5％，使用上述方法进行计算，能够得到的实验数据是：随着轮毂径向间隙增大，静子叶片总压损失持续增大，总压损失系数随轮毂径向间隙增加的规律可近似拟合为三次多项式：ωω94.879ω³-10.033ω²+0.390ω+0.028。与现有技术相比，本发明将复杂的多学科交叉的问题化为有章可循的计算步骤，通过简明扼要地表征悬臂静子叶片总压损失系数随轮毂径向间隙变化，利于压气机方案设计阶段的快速计算。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (4)

1.一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，其特征在于，采用高负荷悬臂静子叶片模型及工况，通过CFD数值模拟分析方法计算得出悬臂静子叶片总压损失随间隙大小的变化规律；采用强度计算确定机械强度安全裕度允许情况下的考虑离心力和温度变化所需要的最小径向间隙保证值；采用尺寸链计算确定在保证制造装配公差值允许情况下的最小径向间隙值，根据机械强度安全裕度与制造装配公差值之和实现轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的优化；

所述的高负荷悬臂静子叶片模型具体为可控扩散叶型(CDA)，取其设计点工况，即压气机的实际工作状况；

所述的轴流压气机悬臂静子叶片的一端固定设置于静子外环上，另一端为与高速旋转的轮毂间存在径向间隙的悬臂端；

所述的轮毂径向间隙h采用除以悬臂静子叶片叶根截面的轴向弦长c_轴向的相对百分比表示。

2.根据权利要求1所述的轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，其特征是，所述的变化规律是指悬臂静子叶片总压损失系数与轮毂径向间隙的正相关关系。

3.根据权利要求1所述的轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，其特征是，所述的轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的下限为考虑保证机械强度安全裕度和制造装配公差后的最小径向间隙值h_下限，上限为h_下限*1.5，即间隙值范围为[h_下限，h_下限*1.5]。

4.根据权利要求1所述的轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，其特征是，所述的悬臂静子叶片总压损失系数

其中：

分别为进、出口总压；p_inlet为进口静压，其通过在完成CFD数值模拟后，对整个进、出口平面计算总压或静压的质量平均值而得。

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