CN113931879A - 一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法 - Google Patents
一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，首先定义折转角α4‑α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2三个关键参数控制，之后定义零厚度叶片扩压器，扩压器具有圆形的前缘和尾缘并且具有薄且恒定的厚度分布，然后将零厚度叶片扩压器的性能图谱按照典型的Reneau图的格式，通过参数化研究评估叶片扩压器理想的扩压途径；最后设计非零厚度扩压器，利用中弧线作为扩压器的吸力面，压力面采用后加载的高斯厚度分布确定。利用本发明的高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，可获得扩压器关键参数最佳取值范围，形成扩压器设计图谱，为中小型燃气涡轮发动机高压比离心压气机径向扩压器设计提供理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及中小型燃气涡轮发动机离心压气机设计领域，涉及一种离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，具体涉及一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，获得扩压器关键参数最佳取值范围，形成扩压器设计图谱，为中小型燃气涡轮发动机高压比离心压气机径向扩压器设计提供理论支撑。
背景技术
在现代中小型燃气涡轮发动机中紧凑高效的径向叶片扩压器设计非常具有挑战性，成为制约高压比离心压气机应用于工程实际的主要技术障碍。究其原因，是高压比离心叶轮出口高马赫数引起的复杂激波系，射流-尾迹不均匀流和非定常流动等异常复杂流场给下游径向叶片扩压器带来了多重挑战。目前，有两种常用的径向叶片扩压器设计方法，通道扩压器法和叶栅法。虽然上述两种方法均已成功使用，但缺乏具有开创性提高扩压器性能的设计方法，目前设计的扩压器性能普遍不高。并且，为了进一步大幅提高径向扩压器气动性能，研究者们提出了一种基于流线法调控叶片扩压器扩压面积分布的高压比离心压气机径向叶片扩压器设计方法，如图1、2所示，图中，②为离心叶轮出口，
为扩压器进口，③为扩压器叶片前缘，④为扩压器叶片尾缘，⑤为蜗壳进口，⑦蜗壳出口，LE为叶片前缘，TE为叶片尾缘。该方法耦合了通道扩压器法和叶栅法，将叶片扩压器分为无叶区(VLS)、半无叶区(SVLS)、叶片通道(Channel)、下游半无叶区(SVLS)和下游无叶区(VLS)共计5个扩压区，利用叶片扩压器中弧线和厚度分布调节扩压器面积分布，兼顾了无叶区(VLS)和半无叶区(SVLS)强烈的气流掺混和扩散。并指出叶片扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道是扩压器实现性能提升的主要区域。例如，从吸力面去除多余厚度可消除流动加速，增加有效扩散长度。较小的前缘厚度可以确保光顺流动区域过渡到叶片通道中，减少对叶片上游的影响，从而减少叶轮压力脉动等。虽然目前已经掌握了提高径向叶片扩压器性能的方向，但是缺乏叶片扩压器关键参数定义、取值范围及其设计图谱等指导叶片扩压器设计定量的、系统的设计方法。
发明内容
针对现有技术的上述问题，为实现叶片扩压器定量的、系统的设计，本发明提出了一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，获得扩压器关键参数最佳取值范围，形成扩压器设计图谱，为中小型燃气涡轮发动机高压比离心压气机径向扩压器设计提供理论支撑。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，其特征在于，所述参数化设计方法至少包括如下步骤：
SS1.采用现有通道扩压器法建立径向叶片扩压器面积比与无量纲扩压长度之间的联系，径向叶片扩压器面积比由扩压器进出口折转角α4-α3控制，无量纲扩压长度由扩压器出口半径比r4/r2表征，引入扩压器进口半径比r3/r2以兼顾离心叶轮与扩压器间距对叶片扩压器性能的影响，其中，r2为离心叶轮出口半径，r3为扩压器进口半径，r4为扩压器出口半径，α3为扩压器进口气流角，α4为扩压器出口气流角；
SS2.在确定扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2三个关键参数后，定义零厚度叶片扩压器，扩压器具有圆形的前缘和尾缘并具有薄且恒定的厚度分布；
SS3.在给定扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2的条件下，设计一系列零厚度叶片扩压器，零厚度叶片扩压器的性能图谱按照Reneau图的格式，将其定义为扩压器面积比和以扩压器出口半径比r4/r2表征的无量纲扩压长度的函数，并确定恒定折转角线，通过参数化研究评估叶片扩压器理想的扩压途径；
SS4.设计非零厚度扩压器，利用中弧线作为扩压器的吸力面，压力面采用后加载的高斯厚度分布确定。
优选地，步骤SS4中，后加载的高斯厚度分布采用如下数学式确定：
其中，m是叶片最大厚度的位置，σ取决于前缘厚度，x为弦向位置。
本发明的高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，获得扩压器关键参数最佳取值范围，形成扩压器设计图谱，具有以下特点：
1)定义了径向叶片扩压器由扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2三个关键参数控制，扩压器面积比由折转角α4-α3控制，扩压器出口半径比r4/r2主要表征无量纲扩压长度，扩压器进口半径比r3/r2用以兼顾离心叶轮与扩压器间距对叶片扩压器性能的影响。
2)定义了零厚度叶片扩压器，即所谓的中弧线扩压器，扩压器具有圆形的前缘和尾缘，并且具有薄且恒定的厚度分布。
3)零厚度叶片扩压器(中弧线扩压器)的性能图谱按照典型的Reneau图的格式，将其定义为面积比和以扩压器出口半径比r4/r2表征的无量纲扩散长度的函数，并确定了恒定折转角线。通过参数化研究评估叶片扩压器理想的扩压途径。
4)设计非零厚度扩压器，利用中弧线作为扩压器的吸力面，压力面则通过采用后加载的高斯厚度分布确定，扩压器的性能最佳。
附图说明
图1为离心压气机示意图；
图2为叶片扩压器区域划分示意图；
图3为叶片扩压器扩压面积分布关键参数影响示意图；
图4为常规叶片扩压器和零厚度叶片扩压器(中弧线扩压器)对比示意图；
图5为给定进口半径比下最佳扩压器面积分布示意图；
图6为扩压器进口半径比影响示意图；
图7为前/后加载叶片扩压器及厚度分布示意图；
图8为前加载和后加载叶片扩压器对性能影响示意图。
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。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。
为实现离心压气机径向叶片扩压器定量的、系统的设计，本发明提出了一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化方法及其设计方法，获得扩压器关键参数最佳取值范围，形成扩压器设计图谱，为中小型燃气涡轮发动机高压比离心压气机径向扩压器设计提供理论支撑。
本发明的高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法在实施时主要包括如下步骤：
首先，类似于传统通道扩压器法需要建立径向叶片扩压器面积比与无量纲扩压长度之间的联系。叶片扩压器面积比由折转角控制，折转角是扩压器进出口气流角α4-α3之间的差。扩压器出口半径比r4/r2主要表征无量纲扩压长度。为了兼顾离心叶轮与扩压器间距对叶片扩压器性能的影响，引入扩压器进口半径比r3/r2。如图3给出了扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2这三个关键设计参数对叶片扩压器面积分布的影响。
其次，在确定扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2这三个关键参数后，定义零厚度叶片扩压器，即所谓的中弧线扩压器，图4所示。这些扩压器具有圆形的前缘和尾缘(TE)，并且具有薄且恒定的厚度分布。
之后，在给定扩压器的进出口半径比r4/r2、r3/r2和叶片折转角α4-α3条件下，设计一系列零厚度叶片扩压器(中弧线扩压器)，通过参数化研究评估叶片扩压器理想的扩压途径。零厚度叶片扩压器(中弧线扩压器)的性能图谱按照典型的Reneau图的格式，将其定义为面积比和以扩压器出口半径比r4/r2表征的无量纲扩散长度的函数，并确定了恒定折转角线(类似于Reneau图的扩压角2θ)。给定扩压器进口半径比r3/r2，例如r3/r2＝1.15时，可以确定叶片扩压器的静压恢复(Cp)最佳区域(1.4<r4/r2<1.5和AR＝1.6，AR为扩压器面积比)。由于流动面积的大幅度增加和在低出口半径比下(r4/r2)的大折转角会导致端壁分离，从而减少有效流动面积，因此叶片扩压器静压恢复(Cp)最佳区域比典型的Reneau图表中的扩压器最佳区域都低(AR＝2和L/W＝8)。相反，由于叶型损失和拐角分离程度随叶片表面积而定，总压损失系数(Cp,t)随出口半径比(r4/r2)单调递增。因此鉴于Cp/Cp,t比值确定扩压器性能，给定扩压器进口半径比r3/r2＝1.15时，最佳的扩压器面积分布为r4/r2＝1.4和AR＝1.45(图5)。基于此，利用中弧线扩压器，设计具有相同最佳折转角，面积比和弦长，不同进口半径比r3/r2扩压器，通过分析指出离叶轮更近的的半无叶区可增加扩压器进口马赫数，提高扩压器的压力恢复能力，因而较小进口半径比的扩压器可提高扩压器性能(图6)，实现更为紧凑的设计。
最后，设计非零厚度扩压器。利用中弧线作为扩压器的吸力面，压力面则通过分别采用前加载的NACA SC(2)-1006超临界翼型厚度分布和后加载的高斯分布G(x)厚度分布确定，以评估其对扩压器性能的影响。
其中，m是最大厚度的位置，σ取决于前缘厚度，x为弦向位置。图7给出了前加载和后加载叶片扩压器及其厚度分布。图8给出了不同加载方式对扩压器性能影响。可以看出基于高斯分布的后加载叶片扩压器与理想状态下的中弧线(零厚度)扩压器接近，性能最好。
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 (2)
1.一种高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，其特征在于，所述参数化设计方法至少包括如下步骤：
SS1.采用现有通道扩压器法建立径向叶片扩压器面积比与无量纲扩压长度之间的联系，径向叶片扩压器面积比由扩压器进出口折转角α4-α3控制，无量纲扩压长度由扩压器出口半径比r4/r2表征，引入扩压器进口半径比r3/r2以兼顾离心叶轮与扩压器间距对叶片扩压器性能的影响，其中，r2为离心叶轮出口半径，r3为扩压器进口半径，r4为扩压器出口半径，α3为扩压器进口气流角，α4为扩压器出口气流角；
SS2.在确定扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2三个关键参数后，定义零厚度叶片扩压器，扩压器具有圆形的前缘和尾缘并具有薄且恒定的厚度分布；
SS3.在给定扩压器进出口折转角α4-α3、扩压器出口半径比r4/r2、扩压器进口半径比r3/r2的条件下，设计一系列零厚度叶片扩压器，零厚度叶片扩压器的性能图谱按照Reneau图的格式，将其定义为扩压器面积比和以扩压器出口半径比r4/r2表征的无量纲扩压长度的函数，并确定恒定折转角线，通过参数化研究评估叶片扩压器理想的扩压途径；
SS4.设计非零厚度扩压器，利用中弧线作为扩压器的吸力面，压力面采用后加载的高斯厚度分布确定。
2.根据权利要求1所述的高压比离心压气机径向叶片扩压器参数化设计方法，其特征在于，步骤SS4中，后加载的高斯厚度分布采用如下数学式确定：
其中，m是叶片最大厚度的位置，σ取决于前缘厚度，x为弦向位置。
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