CN113530885A - 一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，本发明旨在现有加工水平的基础上借助串列叶片式离心叶轮在结构上的独特优势来兼顾跨音速离心叶轮的全三维设计需求和叶轮的加工制造成本，在保留全三维任意空间曲面叶轮设计优势的同时叠加串列叶片式离心叶轮构型的性能收益，实现1+1>2的效果。
Description
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，特别涉及一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮。
背景技术
压气机技术是航空发动机中最为关键、难度最高的技术之一，其技术水平直接关系到发动机研制的全局。离心压气机是中小型航空发动机的核心部件，在发动机更高推(功)重比的需求牵引下，具有高负荷、高压比和高转速特征的跨音速离心压气机逐渐成为设计主流。然而，跨音速离心压气机一直以来都面临效率和裕度水平较低的设计难题：受限于客观存在的流道剧烈折转和离心力、科氏力的作用，离心叶轮内部流动的三维性较轴流压气机更为强烈，其内部呈现高度不均匀的流场结构并直接恶化其下游扩压器的性能；而在跨音速离心压气机中，流动超音、流场畸变以及叶轮/扩压器匹配关系恶化等问题更为凸显，导致压气机的性能水平大为降低。考虑到离心叶轮内部流动好坏对叶轮自身和下游扩压器性能的决定性作用，从源头突破跨音速离心压气机的性能瓶颈必须着眼于调控叶轮内部的高度畸变流场和强激波系。
针对离心叶轮内部二次流动带来的流场不均匀问题，人们为采用了多种措施，如：叶片后弯、前倾、抽吸气控制、机匣处理等等，这些措施一方面实现了离心压气机效率和稳定工作裕度的提升，另一方面却使得离心叶轮做功能力减弱，且其作用效果在更高转速和压比的跨音速离心压气机中较为有限或面临瓶颈。针对跨音速离心压气机的激波控制问题，人们发展了全三维任意空间曲面离心叶轮以更好地适应叶轮进口的跨音速来流，然而由于传统离心叶片展弦比较小且流道高度扭曲，全三维任意空间曲面叶轮带来的气动性能收益与叶片加工成本和加工工艺之间仍有较大冲突，迄今为止，全三维任意空间曲面叶轮的实际应用尚未有先例。因此，补充并发展新的离心叶轮流场调控方法是十分必要的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为补充和发展离心叶轮流动控制方法，本发明提供了一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型来实现跨音速离心压气机内部高度畸变流场和强激波系的有效调控。串列叶片式离心叶轮将传统离心叶轮的直纹叶片在特定位置分割为前后两排叶片，其中前排叶片称为诱导轮，通常位于轴流段；后排叶片称为工作轮，通常位于径向段，且前/后排叶片的相对位置可进行优化调整。
本发明的技术方案是：一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，包括位于诱导轮叶片1、工作轮叶片2，其在轮毂壁面3和机匣壁面4的合围下形成一个气流通道，且其上游为压气机进口4，下游为扩压器5，串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。
本发明进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。
本发明进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片和工作轮叶片载荷分布即叶片角分布可与初始叶轮相一致。
本发明进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面之间的距离与叶片栅距之比＜50％。
本发明进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面沿轴向相对布局|ΔX|＜3％C，其中C为叶片弦长。
发明效果
本发明的技术效果在于：相较于传统的单排直纹叶片式离心叶轮构型，串列叶片式离心叶轮构型的优越性体现在如下两个方面：其一，串列叶片式离心叶轮带来的几何结构变化必然会重新组织离心叶轮内部流场和涡系结构，通过对叶轮内部复杂二次流动的调控来改善叶轮出口气流均匀性，进而改善叶轮/扩压器匹配关系；其二，串列叶片式离心叶轮构型中诱导轮部分的独立设计赋予了诱导轮叶片新的设计自由度，可以借鉴先进跨音速轴流压气机叶片的设计经验实现跨音速离心压气机中强激波系的控制，从而得到负荷和效率均较高的全三维复合弯掠诱导轮叶片。可以看到，串列叶轮构型的潜在流动调控效果与跨音速离心压气机的流动控制需求高度吻合，因此具有明确的应用前景。
本发明探索了一种适用于跨音速离心压气机的新型离心叶轮布局，设计出一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型。本发明旨在现有加工水平的基础上借助串列叶片式离心叶轮在结构上的独特优势来兼顾跨音速离心叶轮的全三维设计需求和叶轮的加工制造成本，在保留全三维任意空间曲面叶轮设计优势的同时叠加串列叶片式离心叶轮构型的性能收益，实现1+1>2的效果。
附图说明
图1为子午面结构示意图
图2为三维机构示意图
图3为诱导轮叶片“掠”的定义图
图4为诱导轮叶片“弯”的定义图
图5为诱导轮和工作轮叶片相对布局示意图
图6为全三维诱导轮叶片造型的控制截面实例图
附图标记说明：1-全三维诱导轮；2-机匣；3-轮毂；4-工作轮；5-扩压器
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图6，本发明采用的技术方案为：一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型，初始离心叶轮中叶片为沿叶高方向为平直的单排直纹叶片，并以两相邻叶片所围区域为一个周期。本发明将初始离心叶轮的单排叶片在特定的串列分割位置分割为前后两排串列式叶片，其中前排叶片即诱导轮叶片采用全三维造型方法，后排叶片即工作轮叶片仍采用传统的直纹面叶片。
该种叶片结构的变化一方面重新组织和调控了离心叶轮内部二次流动结构，抑制了叶片通道内低能流体在叶尖及吸力面附近的堆积，改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况；另一方面增加了诱导轮叶片新的设计自由度，通过复合弯掠设计更好地适应和控制叶轮内部的跨音速流动，这些都有利于提升跨音速离心压气机的气动性能，从而实现本发明的目的。
本发明所述的串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。
本发明所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片均为完整叶片，即诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。
本发明所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片载荷分布即叶片角分布可与初始叶轮相一致，也可进行优化调整，实现叶片角在整个叶片弦长范围内的非光滑分布。
本发明所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片的叶片数目之比可为1：1，也可为1：2。
本发明所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片的相对位置可进行优化调整，其中前/后排叶片沿圆周方向的相对布局选取为λs＜50％，即诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面之间的距离与叶片栅距之比；沿轴向相对布局|ΔX|＜3％C，其中C为叶片弦长；考虑到全三维诱导轮设计带来的非均匀尾缘位置，诱导轮与后排工作轮叶片之间的相对位置和缝隙形状可以是非均匀的。
本发明所述的全三维造型方法通过对诱导轮叶片设置多个控制截面实现，控制截面至少包含0％、100％以及一个中间叶高截面等三个叶高位置，各个控制截面的叶片厚度和叶片角分布可优化调整。
本发明所述的全三维造型方法包括但不限于叶片的弯、掠设计，叶片弯通过保持叶根和叶尖两个截面的参数和位置不变，对不同的中间叶高截面沿周向进行偏置得到不同的弯型设计，其中以向叶片旋转方向偏置为正弯，向反旋转方向偏置为负弯；叶片掠通过改变叶片弦长进而得到不同的掠型，其中增加叶片弦长将使叶片前缘向上游移动，产生“前掠”的作用效果，缩短叶片弦长将使叶片前缘向下游移动，产生“后掠”的作用效果。
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型包括位于前排的诱导轮叶片1和位于后排的工作轮叶片2，其在轮毂壁面3和机匣壁面4的合围下形成一个气流通道，且其上游为压气机进口4，下游为扩压器5。
诱导轮叶片1和工作轮叶片2的串列分割位置选取在30％叶片弦长位置，叶片数目之比选定为1：2，周向相对布局选取为λs＝25％，即诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面之间的距离为叶片栅距的25％，以确保该串列叶片式离心叶轮能够更好地实现叶片通道内流场的组织与调控；进一步地，诱导轮叶片和工作轮叶片的轴向相对布局选取为ΔX＝0.5％C，即诱导轮叶片排与工作轮叶片排之间存在一个轴向间隙，以使该串列叶片式离心叶轮更易加工。
对于诱导轮叶片采用全三维造型方法，选取0％、20％、50％、80％和100％叶高位置等5个控制截面，通过优化调整不同截面的弦长、圆周位置、厚度和叶片角分布实现诱导轮叶片的前掠和负弯设计，进而能够更好地适应叶轮进口的跨音速来流；而对于工作轮叶片仍然采用加工工艺性较好的直纹叶片造型方法，通过0％和100％两个叶高位置的控制截面实现叶片造型，最终获得本发明的耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮。
综上所述，本发明的耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型可有效调控离心叶轮内部的高度畸变流场和跨音速流动，进而大幅提升离心压气机的气动性能，同时加工工艺性较好，可直接用于中小型航空发动机和燃气轮机。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，包括位于诱导轮叶片1、工作轮叶片2，其在轮毂壁面3和机匣壁面4的合围下形成一个气流通道，且其上游为压气机进口4，下游为扩压器5，串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。
2.如权利要求1所述的一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，所述诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。
3.如权利要求1所述的一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，所述诱导轮叶片和工作轮叶片载荷分布即叶片角分布可与初始叶轮相一致。
4.如权利要求1所述的一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面之间的距离与叶片栅距之比＜50％。
5.如权利要求1所述的一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面沿轴向相对布局|ΔX|＜3％C，其中C为叶片弦长。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211022 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |