CN115221618B - 一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法，通过大量试验总结出的可靠公式来计算相关系数，最终计算得到轴流压气机超音速叶栅造型的关键角度参数。本发明能够快速、准确地计算出轴流压气机常用超音速叶栅在设计状态下的造型关键角度参数，有效提升了压气机跨音级、超音级的气动性能，提高了设计精度。并且有效减少了通过三维计算来修正多级轴流压气机进口跨音级、超音级叶片角度造型参数的次数，实现了压气机超音速叶栅角度造型参数的流程化计算，可节省大量的设计迭代时间，缩短设计周期。

Description

一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机设计方法，具体地说是压气机设计方法。

背景技术

在燃气轮机性能水平不断提高的强力驱动下，压气机作为燃气轮机核心部件之一，对其气动性能的需求也在不断提升。时至今日，随着通流能力越来越强，负荷越来越高，压气机内部的流动也从传统的亚音速逐渐过渡为跨音速、超音速，气动设计体系也随之不断发展。

目前以S1、S2两类流面理论为基础的准三维气动设计仍然是现阶段国内外压气机气动设计体系的核心，如何将准三维通流设计结果转换为叶片的几何造型，其中最重要的环节就在于叶片造型设计。随着跨音级、超音级设计在轴流压气机中越来越普遍，具有强大增压能力、能够控制激波构型的超音速叶型开始被广泛使用。对于超音速叶栅造型设计而言，如何合理、准确地确定基本的造型角度参数是其中的重要环节，也是设计出高性能超音速叶栅的先决条件。可以说，合理、准确的叶片造型角度参数直接关系着压气机跨音级、超音级内部的流动匹配，对轴流压气机气动性能指标的实现起着至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决轴流压气机气动设计中超音速叶栅造型的关键角度参数确定问题的一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：

(1)确定进口尖楔角，超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置形成对应的切线，二者切线的夹角为进口尖楔角ξ，通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ；

(2)确定进出口几何角，叶栅进口、出口几何角β_1k、β_2k分别为超音速叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得超音速叶栅进口气流角β₁与出口气流角β₂，通过确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ，从而进一步确定β_1k＝β₁+α，β_2k＝β₂+δ；

(3)计算叶型弯角，在确定了超音速叶栅进出口几何角之后，计算得到超音速叶栅的弯角ε＝β_2k-β_1k；

(4)确定进出口楔角，超音速叶栅的进口、出口楔角χ₁、χ₂分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角，根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

(5)计算叶型安装角，根据进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，计算叶型安装角γ＝β_1k+χ₁。

本发明还可以包括：

1、步骤(1)中所述的通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b，通过该方程即可求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ。

2、步骤(2)中所述的确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ，采用如下方式：

进口冲角α：式中，Δα为超音速叶栅冲角修正量，取2°～4°；

出口落后角δ：取1°～2°，与整个叶片的亚音速部分平稳过渡。

3、步骤(4)中所述的根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0；

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

从而确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值。

本发明的优势在于：

1、本发明能够快速、准确地计算出轴流压气机常用超音速叶栅在设计状态下的造型关键角度参数，有效提高了设计精度，提升了压气机跨音级、超音级的气动性能。

2、本发明有效减少了通过三维计算来修正多级轴流压气机进口跨音级、超音级叶片角度造型参数的次数，实现了压气机超音速叶栅角度造型参数的流程化计算，可节省大量的设计迭代时间，缩短设计周期。

3、本发明不仅局限于燃气轮机轴流压气机，同样适用于各种具有跨、超音级的工业用轴流压缩机、航空发动机轴流压气机/风扇的气动设计过程。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数定义图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法，通过以下步骤实现：

步骤一：确定进口尖楔角。超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置可形成对应的切线。二者切线的夹角即为进口尖楔角ξ。通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ；

步骤二：确定进出口几何角。叶栅进口、出口几何角β_1k、β_2k分别为超音速叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角。根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得超音速叶栅进口气流角β₁与出口气流角β₂。通过确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ，从而进一步确定β_1k＝β₁+α，β_2k＝β₂+δ；

步骤三：计算叶型弯角。在确定了超音速叶栅进出口几何角之后，即可计算得到超音速叶栅的弯角ε＝β_2k-β_1k；

步骤四：确定进出口楔角。超音速叶栅的进口、出口楔角χ₁、χ₂分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角。根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

步骤五：计算叶型安装角。根据进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，可以计算叶型安装角γ＝β_1k+χ₁。

步骤一中所述的“通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ”，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b。

通过该方程即可求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ。

步骤二中所述的“确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ”，采用如下方式：

进口冲角α：式中，Δα为超音速叶栅冲角修正量，通常取2°～4°；

出口落后角δ：通常取1°～2°，与整个叶片的亚音速部分要平稳过渡。

步骤四中所述的“根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值”，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0。

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

从而确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值。

Claims (2)

1.一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：

(1)确定进口尖楔角，超音速叶型的叶背型线、叶盆型线在与叶型前缘圆弧的相切位置形成对应的切线，二者切线的夹角为进口尖楔角ξ，通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ；

通过与叶型最大厚度相关的方程，求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ，该方程如下：

式中，C_max为叶型最大厚度；b_p为叶型名义弦长，与叶型弦长b有如下关系：b_p＝1.05b，通过该方程即可求解得到超音速叶栅的进口尖楔角ξ；

(2)确定进出口几何角，叶栅进口、出口几何角β_1k、β_2k分别为超音速叶型中弧线在前、尾缘点切线与圆周方向的夹角，根据轴流压气机通流反问题设计结果，获得超音速叶栅进口气流角β₁与出口气流角β₂，通过确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ，从而进一步确定β_1k＝β₁+α，β_2k＝β₂+δ；

(3)计算叶型弯角，在确定了超音速叶栅进出口几何角之后，计算得到超音速叶栅的弯角ε＝β_2k-β_1k；

(4)确定进出口楔角，超音速叶栅的进口、出口楔角χ₁、χ₂分别为叶型中弧线在前、尾缘点切线与弦线的夹角，根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值，进而得到出口楔角χ₂＝ε-χ₁；

根据叶型中弧线的当量半径R，确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值，采用如下方式：

首先根据如下方程求解叶型中弧线的当量半径R：

其中l₁对于叶顶取0.2～0.25，随叶型截面相对叶高位置的降低逐渐平稳减小至0；

然后根据如下方程求解进口楔角χ₁值：

从而确定超音速叶栅的进口楔角χ₁值；

(5)计算叶型安装角，根据进口几何角β_1k和进口楔角χ₁，计算叶型安装角γ＝β_1k+χ₁。

2.根据权利要求1所述的一种轴流压气机超音速叶栅造型关键角度参数确定方法，其特征是：步骤(2)中所述的确定超音速叶栅进口冲角α和出口落后角δ，采用如下方式：

进口冲角式中，Δα为超音速叶栅冲角修正量，取2°～4°；

出口落后角δ：取1°～2°，与整个叶片的亚音速部分平稳过渡。