CN113090580A - 一种具有s型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压气机技术领域，涉及一种具有S型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法。通过对离心叶轮入口叶片前缘采用S型三维造型来实现削弱跨音速叶轮入口部分的激波强度和二次流强度的目的。该种方法通过优化离心叶轮入口叶片前缘的造型方式改变叶片前缘的型线，改变了叶片不同叶高的流向长度，进而改变了叶轮入口导风轮不同叶高的载荷分布，优化了叶轮入口的激波结构与二次流结构，提高了跨音速离心压气机的气动性能。该种三维离心叶轮结构相对简单、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

一种具有S型前缘的离心叶轮叶片及其造型方法
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，涉及一种离心叶轮，具体涉及一种能够控制跨音速离心叶轮内部流动的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮及造型方法。通过对离心叶轮入口叶片前缘采用S型三维造型来实现削弱跨音速叶轮入口部分的激波强度和二次流强度的目的。该种方法通过优化离心叶轮入口叶片前缘的造型方式改变叶片前缘的型线，改变了叶片不同叶高的流向长度，进而改变了叶轮入口导风轮不同叶高的载荷分布，优化了叶轮入口的激波结构与二次流结构，提高了跨音速离心压气机的气动性能。该种三维离心叶轮结构相对简单、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。
背景技术
离心压气机因其具有单级压比高、结构紧凑、运行可靠性高等优点，广泛应用于中小型燃气轮机及中小型航空发动机。在获得更高功(推)重比这一需求的引导下，高压比、高转速的跨音速离心压气机设计已经成为主流，然而这也使得叶轮入口激波与叶片的高负荷进一步恶化了离心叶轮内部的复杂流动，从而限制了跨音速离心压气机的气动性能。
如图1所示，对于现有跨音速离心压气机叶轮100而言，通常其叶片前缘101采用轴向坐标为固定值的直线进行造型。导致离心叶轮气动性能下降的一个重要的损失来源是叶轮入口导风轮部分的损失，既包括了入口叶顶气流相对速度超音导致的激波以及激波与泄漏流和边界层的相互作用，气流经过激波本身就存在较大的熵增，同时超音气流在经历激波后，静压会有很明显的提升，这样的逆压梯度发生在边界层或者泄漏流等低能流体之中时会对其流态产生很大的影响，甚至可能引起边界层的分离和泄漏涡的破碎等现象；也包括了入口叶根的边界层，在逆压梯度下形成的分离泡，进而恶化了叶根向叶顶的叶片潜流。离心叶轮入口导风轮产生的低速高熵流体还会增加下游流道内尾迹区的范围，对离心叶轮与下游扩压器的工作性能产生负面影响。因此合理组织叶轮入口的激波结构与二次流结构成为提高跨音速离心压气机效率的关键，有必要进一步发展改善跨音速离心压气机叶轮入口流场的流动控制结构。
发明内容
由于现有跨音速离心叶轮入口叶顶来流相对马赫数超音，存在激波及其与二次流干涉等流动现象，叶根易形成边界层的分离，这些现象既会造成气体熵产的增加，也会在下游形成范围更大的尾迹区域，导致现有跨音速离心压气机叶轮入口存在较大的激波损失与二次流损失，为补充和发展离心叶轮内部流动的控制方法，本发明提供了一种叶轮叶片前缘采用S型造型的三维离心叶轮结构及造型方法，通过改变离心叶轮前缘的造型方法，改变离心叶轮入口的激波结构与二次流结构，减弱激波强度及其带来的损失，减少离心叶轮入口产生的低速高熵流体，从而提高了离心叶轮的气动性能，进一步地改善了叶轮内的“射流—尾迹”结构，优化了下游扩压器的工作性能。
具体而言，本发明通过改进离心叶轮叶片前缘的造型方法，在叶片前缘采用S型的型线控制叶片前缘的造型，改变不同叶高叶片流向长度，进而改变了离心叶轮各叶高叶片的载荷，通过优化不同叶高的载荷分布实现：在叶顶降低入口激波波前马赫数，减弱激波强度，减少激波以及激波二次流干涉的损失；在叶根减小前缘附近吸力面的逆压梯度，减小叶根前缘分离泡的大小，减少叶根附近的低能流体，削弱由叶根前缘发展而来的叶片潜流。从而既提升了跨音速离心叶轮导风轮部分的气动性能，也改善了下游流场的不均匀性。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，所述造型方法至少包括如下步骤：
SS1.以叶片前缘采用轴向坐标为固定值的直线型叶片前缘的初始离心叶轮叶片为基础进行造型；
SS2.对所述初始离心叶轮叶片的直线型前缘进行重新造型：选择所述初始离心叶轮叶片不同叶高上的多个叶片前缘点为前缘控制点，以叶片前缘点的轴向坐标值为独立的设计参数，通过调节各所述前缘控制点的轴向坐标值，并通过所述多个前缘控制点构造S型连续曲线，以所述S型连续曲线替代所述初始离心叶轮叶片的直线型叶片前缘，得到重新造型后的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片，且在调节各所述前缘控制点的轴向坐标值时，应保证重新造型后的叶片前缘能够优化离心叶轮叶片不同叶高的载荷分布，以改变离心叶轮入口的激波结构与二次流结构，减小由于激波和二次流以及两者相互作用导致的损失。
本发明的上述具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，在对初始具有直线型前缘的离心叶轮叶片的前缘进行重新造型时，主要是通过选择多个典型叶高的叶片前缘轴向坐标为独立的设计参数，以这些叶高的前缘点为前缘控制点，构造S型连续曲线，以S型连续曲线替代初始离心叶轮叶片的直线型叶片前缘，得到重新造型后的叶片前缘的构型。这种叶片前缘结构的变化，优势在于，这种前缘结构通过优化离心叶轮入口导风轮不同叶高的载荷分布，改变了叶轮入口的激波结构与二次流结构，减小由于激波和二次流以及两者相互作用导致的损失，提高叶轮的工作效率，使得叶轮内部流动的均匀性有所提高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。
优选地，上述步骤SS2中，在S型叶片前缘的设计过程中，首先在子午面上将叶片前缘上各所述前缘控制点的前缘轴向坐标值设置为不同的设计参数，在得到前缘在子午面的S型投影曲线后，需要进一步根据各所述前缘控制点的叶片角得到在空间上连续的S型叶片前缘构型。
本发明所述的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构由初始等轴向坐标直线前缘的叶轮演变而来，通过在设计过程中，在子午面，将叶片前缘典型叶高的前缘轴向坐标设置为不同的设计参数，在得到前缘在子午面的投影曲线后，进而根据不同叶高控制点的叶片角得到连续的S型叶片前缘构型。
本发明所述的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构是通过对叶轮进口导风轮部分进行三维设计，进而控制跨音速叶轮入口激波结构与二次流流动，提高叶轮入口部分的效率，更进一步抑制叶轮出口的“尾迹-射流”结构。
优选地，上述步骤SS2中，所述S型连续曲线形成为一条单独用以描述离心叶轮叶片前缘形状的叶片前缘造型控制线。在进行离心叶轮叶片的整体构型时，除常规叶轮叶片的各造型控制线外，至少还应包括所述叶片前缘造型控制线。
进一步地，所述叶片前缘造型控制线为连续函数，所述连续函数包括但不局限于B样条曲线函数。
优选地，上述步骤SS2中，所述前缘控制点的数目应至少选择为5个，以求获得流动控制效果更好的前缘型线。
进一步地，为达到更好的流动控制效果，可以选择在不同叶高设置单独的厚度分布曲线，进而在满足强度要求的条件下，达到更好的气动性能，厚度分布曲线应为连续函数包括但不局限与B样条曲线。
本发明的另一个发明目的还在于提供一种利用上述造型方法得到的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片。
本发明的另一个发明目的还在于提供一种离心叶轮结构，其特征在于，所述离心叶轮包括多个上述离心叶轮叶片。
本发明的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构实现了对叶轮入口激波结构与二次流的控制，在不降低叶轮做功能力的前提下有效改善叶轮的气动性能，进而改善了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。
同现有技术相比，本发明的具有S型叶片前缘的离心压气机三维叶轮结构，具有以下特点：1)结构简单、设计加工方便、易于实现：对原有离心叶轮叶片造型方式进行改型加工，不引入额外的流动控制结构；2)弥补现有技术的不足：现有技术下，跨音速离心压气机叶轮入口存在较大的激波损失与二次流损失，本发明采用S型叶片前缘的三维叶轮结构设计，通过调整导风轮不同叶高的载荷分布，优化了入口激波结构与二次流结构，减小了激波与二次流造成的损失，提高了跨音速离心压气机叶轮的气动性能，也改善了叶轮出口的不均匀流场结构，即可对现有技术形成补充，也可单独使用。
附图说明
图1为现有离心叶轮结构示意图。
图2为本发明的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构示意图。
图3为本发明的具有S型叶片前缘的离心叶轮子午视图示意图。
图4为S型前缘形状控制线示意图。
附图标记说明：
100-离心叶轮，101-离心叶轮叶片前缘。
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，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。
结合图1～4所示，本发明提供了一种具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片及其造型方法，并提供了一种具有S型叶片前缘的离心叶轮结构，具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片在进行造型时主要包括如下步骤：
SS1.以叶片前缘采用轴向坐标为固定值的直线型叶片前缘的初始离心叶轮叶片为基础进行造型；
SS2.对初始离心叶轮叶片的直线型前缘进行重新造型：选择初始离心叶轮叶片不同叶高上的多个叶片前缘点为前缘控制点，以叶片前缘点的轴向坐标值为独立的设计参数，通过调节各前缘控制点的轴向坐标值，并通过多个前缘控制点构造S型连续曲线，以S型连续曲线替代初始离心叶轮叶片的直线型叶片前缘，得到重新造型后的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片，且在调节各前缘控制点的轴向坐标值时，应保证重新造型后的叶片前缘能够优化离心叶轮叶片不同叶高的载荷分布，以改变离心叶轮入口的激波结构与二次流结构，减小由于激波和二次流以及两者相互作用导致的损失。
本发明对离心叶轮中叶片的前缘进行重新造型，通过选择多个典型叶高的叶片前缘轴向坐标为独立的设计参数，以这些叶高的前缘点为控制点，构造连续曲线，得到叶片前缘的构型。这种叶片前缘结构的变化，优势在于，这种前缘结构通过优化离心叶轮入口导风轮不同叶高的载荷分布，改变了叶轮入口的激波结构与二次流结构，减小由于激波和二次流以及两者相互作用导致的损失，提高叶轮的工作效率，使得叶轮内部流动的均匀性有所提高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。
本发明的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构由初始等轴向坐标直线前缘的叶轮演变而来，通过在设计过程中，在子午面，将叶片前缘典型叶高的前缘轴向坐标设置为不同的设计参数，在得到如图3所示的前缘在子午面的投影曲线后，进而根据不同叶高的叶片角得到连续的S型叶片前缘构型。本发明的具有S型叶片前缘的三维离心叶轮结构是通过对叶轮进口导风轮部分进行三维设计，进而控制跨音速叶轮入口激波结构与二次流流动，提高叶轮入口部分的效率，更进一步抑制叶轮出口的“尾迹-射流”结构。
该种结构中除常规叶轮的各造型控制线外，至少还应包括一条单独描述叶片前缘形状的造型控制线，如图4所示。作为优选的实例，叶片前缘造型控制线为连续函数，连续函数包括但不局限于B样条曲线函数。前缘控制点的数目应至少选择为5个，以求获得流动控制效果更好的前缘型线。为达到更好的流动控制效果，可以选择在不同叶高设置单独的厚度分布曲线，进而在满足强度要求的条件下，达到更好的气动性能，厚度分布曲线应为连续函数包括但不局限与B样条曲线。
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 (8)

1.一种具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，所述造型方法至少包括如下步骤：
SS1.以叶片前缘采用轴向坐标为固定值的直线型叶片前缘的初始离心叶轮叶片为基础进行造型；
SS2.对所述初始离心叶轮叶片的直线型前缘进行重新造型：选择所述初始离心叶轮叶片不同叶高上的多个叶片前缘点为前缘控制点，以叶片前缘点的轴向坐标值为独立的设计参数，通过调节各所述前缘控制点的轴向坐标值，并通过所述多个前缘控制点构造S型连续曲线，以所述S型连续曲线替代所述初始离心叶轮叶片的直线型叶片前缘，得到重新造型后的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片，且在调节各所述前缘控制点的轴向坐标值时，应保证重新造型后的叶片前缘能够优化离心叶轮叶片不同叶高的载荷分布，以改变离心叶轮入口的激波结构与二次流结构，减小由于激波和二次流以及两者相互作用导致的损失。
2.根据上述权利要求所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，上述步骤SS2中，在S型叶片前缘的设计过程中，首先在子午面上将叶片前缘上各所述前缘控制点的前缘轴向坐标值设置为不同的设计参数，在得到前缘在子午面的S型投影曲线后，需要进一步根据各所述前缘控制点的叶片角得到在空间上连续的S型叶片前缘构型。
3.根据上述权利要求所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述S型连续曲线形成为一条单独用以描述离心叶轮叶片前缘形状的叶片前缘造型控制线。在进行离心叶轮叶片的整体构型时，除常规叶轮叶片的各造型控制线外，至少还应包括所述叶片前缘造型控制线。
4.根据权利要求3所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，所述叶片前缘造型控制线为连续函数，所述连续函数包括但不局限于B样条曲线函数。
5.根据上述权利要求所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，上述步骤SS2中，所述前缘控制点的数目应至少选择为5个，以求获得流动控制效果更好的前缘型线。
6.根据上述权利要求所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片的造型方法，其特征在于，为达到更好的流动控制效果，可以选择在不同叶高设置单独的厚度分布曲线，进而在满足强度要求的条件下，达到更好的气动性能，各所述厚度分布曲线为连续函数包括但不局限与B样条曲线。
7.一种利用上述权利要求1～6任一项造型方法得到的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片。
8.一种离心叶轮结构，其特征在于，所述离心叶轮包括多个上述权利要求7所述的具有S型叶片前缘的离心叶轮叶片。
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