CN113931880A - 一种基于流线法调控扩压面积的径向叶片扩压器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流线法调控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，首先将叶片扩压器的叶片到叶片之间的区域，划分为无叶区、半无叶区、叶片通道、下游半无叶区、下游无叶区等五个扩压区；之后，以扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道作为提升扩压器性能的重点，从吸力面去除多余厚度以消除流动加速，增加有效扩散长度，在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数；叶片压力面厚度分布控制通道面积分布；减薄前缘以光顺流动区域过渡到叶片通道中，减小对叶片上游的影响，从而减少叶轮压力脉动。本发明的径向叶片扩压器设计方法，耦合了通道扩压器法和叶栅法，兼顾了径向扩压器无叶区和半无叶区强烈的气流掺混和扩散。
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，涉及一种径向叶片扩压器设计方法，具体涉及一种基于流线法调节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，可大幅降低径向叶片扩压器的流动损失，提高燃气涡轮发动机高压比离心压气机总体气动性能。
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(如图1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为前缘，TE为尾缘)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。通道扩压器法假定径向叶片式扩压器类似于直通道扩压器，在综合权衡长宽比和面积比(AR)两个关键参数后，可获得最佳设计。然而，由于没有考虑叶片扩压器进出口折转角，忽略了径向扩压器与上游叶轮和下游轴向扩压器匹配的重要性。并且，由于扩压器入口处的半几何形状边界区域而变得复杂，即图2所示的半无叶区(SVLS)，扩压器面积比的定义上也不一致。叶栅法则利用了平面叶栅数据到径向的保形变换。尽管为部件匹配很好地定义了叶片扩压器进出口折转角，但是平面叶栅数据无法解决扩压器面积随半径增加的问题，使得在设计阶段预估扩压器总压损失成为一项艰巨任务。换言之，无分离平面叶栅设计可能会在保型转化为径向叶片扩压器后导致严重分离。并且，通道扩压器法和基于叶栅理论法都忽略了无叶片和半无叶片区强烈的流场掺混和扩散，这两部分是设计过程中必须考虑的损失影响关键因素。
发明内容
针对现有技术的上述问题，为了进一步大幅提高径向扩压器气动性能，本发明提出了一种基于流线法调控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，该方法耦合了通道扩压器法和叶栅法，利用叶片扩压器中弧线和厚度分布规律调节扩压器面积分布，兼顾了径向扩压器无叶区(VLS)和半无叶区(SVLS)强烈的气流掺混和扩散。
本发明为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种基于流线法调控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，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：
SS1.将叶片扩压器的叶片到叶片之间的区域，划分为无叶区、半无叶区、叶片通道、下游半无叶区、下游无叶区等五个扩压区，其中，所述无叶区，无几何边界流动路径，扩压主要由端壁轮廓和叶轮出口气流角决定；所述半无叶区，有半几何边界流动路径，扩压主要由叶片扩压器吸力面的几何形状控制；所述叶片通道，扩压主要由面积比和长宽比确定；所述下游半无叶区，扩压主要由叶片出口角和叶片压力侧确定；所述下游无叶区，扩压主要由旋流角和半径比确定；
SS2.以扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道作为提升扩压器性能的重点，从吸力面去除多余厚度以消除流动加速，增加有效扩散长度，在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数；叶片压力面厚度分布控制通道面积分布；减薄前缘以光顺流动区域过渡到叶片通道中，减小对叶片上游的影响，从而减少叶轮压力脉动。
同现有技术相比，本发明的基于流线法调控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，具有以下特点：本方法耦合了通道扩压器法和叶栅法，利用叶片扩压器中弧线和厚度分布调节扩压器面积分布；确定了叶片扩压器五个扩压区定义，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关键途径；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，在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数。采用较薄的前缘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，从而减少叶轮压力波动。
附图说明
图1为离心压气机示意图。
图2为典型叶片扩压器和扩压面积分布的示意图。
图3基于流线法调控扩压面积分布的叶片扩压器及其扩压面积分布示意图。
图4典型叶片扩压器和理想状态下基于流线法调控扩压面积分布示意图。
图5典型叶片扩压器和基于流线法调控扩压面积分布的扩压器性能对比示意图。
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。
为进一步提高径向扩压器气动性能，本发明提出了一种基于流线法调控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，该方法耦合了通道扩压器法和叶栅法，利用叶片扩压器中弧线和厚度分布规律调节扩压器面积分布，兼顾了径向扩压器无叶区和半无叶区强烈的气流掺混和扩散。
本发明的基于流线法调控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在实施时主要包括如下步骤：
首先，将叶片扩压器的叶片到叶片之间的区域，划分为无叶区、半无叶区、叶片通道、下游半无叶区、下游无叶区等五个扩压区，其中，所述无叶区，无几何边界流动路径，扩压主要由端壁轮廓和叶轮出口气流角决定；所述半无叶区，有半几何边界流动路径，扩压主要由叶片扩压器吸力面的几何形状控制；所述叶片通道，扩压主要由面积比和长宽比确定；所述下游半无叶区，扩压主要由叶片出口角和叶片压力侧确定；所述下游无叶区，扩压主要由旋流角和半径比确定；
其次，以扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道作为提升扩压器性能的重点，从吸力面去除多余厚度以消除流动加速，增加有效扩散长度，在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数；叶片压力面厚度分布控制通道面积分布；减薄前缘以光顺流动区域过渡到叶片通道中，减小对叶片上游的影响，从而减少叶轮压力脉动。
图2所示为典型叶片扩压器和扩压面积分布的示意图。在叶片到叶片(B2B)截面，可分为以下五个扩压区：(1)无叶区(VLS)：无几何边界流动路径，扩压主要由端壁轮廓和叶轮出口气流角决定，(2)半无叶区(SVLS)：有半几何边界流动路径，扩压主要由叶片扩压器吸力面的几何形状控制，(3)叶片通道(Channel)：扩压主要由面积比和长宽比确定，遵循经典通道扩压器设计准则，(4)下游半无叶区(SVLS)：扩压主要由叶片出口角和叶片压力侧确定；(5)下游无叶区(VLS)：扩散主要由旋流角和半径比确定。给定离心压气机叶轮出口气流角度，端壁几何和叶片扩压器几何形状，可以计算出面积分布。图2下半部分给出了典型扩压器扩压面积分布。可以看出，典型叶片扩压器的叶片前缘附近由中弧线和厚度分布确定的吸力面，减小了SVLS中的流通面积，并导致了流动加速，减少了扩压能力和有效扩压长度。
图3则为理想的基于流线法调控扩压面积分布的叶片扩压器及其扩压面积分布示意图。与基线相比，此扩压器具有相同的喉部面积，入口/出口半径比和面积比。
图4则对比了典型叶片扩压器和理想状态下基于流线法调控扩压面积分布，箭头标记处则表示扩压器实现性能提升的区域，主要是扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道。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，并在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数。叶片压力面厚度分布控制通道面积分布。较小的前缘厚度可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影响。
图5给出了典型叶片扩压器和基于流线法调控扩压面积分布的叶片扩压器性能参数对比。可以看出：基于流线法调控扩压面积分布的叶片扩压器比常规叶片扩压器性能参数提高了2倍左右，大幅度提高了叶片扩压器的气动性能，因此该方法具有非常高的工程应用价值。
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 (1)
1.一种基于流线法调控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，其特征在于，所述设计方法至少包括如下步骤：
SS1.将叶片扩压器的叶片到叶片之间的区域，划分为无叶区、半无叶区、叶片通道、下游半无叶区、下游无叶区等五个扩压区，其中，所述无叶区，无几何边界流动路径，扩压主要由端壁轮廓和叶轮出口气流角决定；所述半无叶区，有半几何边界流动路径，扩压主要由叶片扩压器吸力面的几何形状控制；所述叶片通道，扩压主要由面积比和长宽比确定；所述下游半无叶区，扩压主要由叶片出口角和叶片压力侧确定；所述下游无叶区，扩压主要由旋流角和半径比确定；
SS2.以扩压器吸力面主导的半无叶区和压力面主导的叶片通道作为提升扩压器性能的重点，从吸力面去除多余厚度以消除流动加速，增加有效扩散长度，在降低总压损失的前提下提高静压恢复系数；叶片压力面厚度分布控制通道面积分布；减薄前缘以光顺流动区域过渡到叶片通道中，减小对叶片上游的影响，从而减少叶轮压力脉动。
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