CN117910157A - 一种离心叶轮叶片及其设计方法、离心叶轮及离心压气机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离心叶轮叶片及其设计方法、离心叶轮及离心压气机，涉及压气机技术领域。包括：分别设定叶轮轮毂和机匣的子午流道，给定叶轮轮毂和机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，给定叶轮轮毂和机匣的叶型厚度沿子午弦长的分布，采用线性积叠的方式完成叶轮叶片的展向积叠，生成三维直纹面；在叶轮叶片子午面中添加中间截面，计算所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，获得三维曲面叶片。本发明以改善离心叶轮内气体的流动状态，减小进气的激波损失以及对下游气体的影响，增大压气机叶轮的喘振裕度，实现离心叶轮的设计优化，提升离心叶轮的气动效率。

Description

一种离心叶轮叶片及其设计方法、离心叶轮及离心压气机

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，具体涉及一种离心叶轮叶片及其设计方法、离心叶轮及离心压气机。

背景技术

离心压气机作为燃气轮机、微小型航空发动机的核心部件之一，其性能的优劣对总体指标的实现至关重要。现有总体需求对压气机的气动设计水平要求越来越高，压气机进口相对速度往往处于跨音速的状态，出口处于超音速的状态，这会造成压气机内部较大的激波损失和流动损失。因此就需要不断改进压气机的叶型设计技术，才能满足总体上高效率、高推重比以及低油耗的需求。

目前现有的离心压气机叶片为直纹面，设计中给定了轮毂和机匣的子午流道以及中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，中间截面叶型采用线性积叠来完成。采用以上方式设计叶轮虽然有益于加工生产，但是在叶轮进口前缘位置对超音速气流的适应性较弱，从而使叶轮效率降低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种离心叶轮叶片及其设计方法、离心叶轮及离心压气机，以改善气体的流动状态，减小进气的激波损失以及对下游气体的影响，增大压气机叶轮的喘振裕度，实现压气机叶轮的设计优化，提升叶轮效率。

本申请实施例提供以下技术方案：一种离心叶轮叶片设计方法，包括：

分别给定叶轮轮毂和机匣的子午流道，给定叶轮轮毂和机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，给定叶轮轮毂和机匣的叶型厚度沿子午弦长的分布，采用线性积叠的方式完成叶轮叶片的展向积叠，生成三维直纹面；

在叶轮叶片子午面中添加中间截面，给定所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，获得三维曲面叶片。

根据本申请一种实施例，在叶轮叶片子午面中添加中间截面，给定所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，包括：

在叶轮叶片子午面中50％叶高处添加中间截面的子午流道，根据所述中间截面的前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，计算获得所述中间截面的前缘进口安装角；

根据给定的所述中间截面的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，获得所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正。

根据本申请一种实施例，还包括：分别给定所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口气流攻角，根据该前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，分别重新计算所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口安装角：

根据设计的所述叶轮轮毂和所述机匣的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，分别重新获得所述叶轮轮毂和所述机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述叶轮轮毂和所述机匣以及所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，对所述三维曲面叶片进行优化。

根据本申请一种实施例，所述前缘进口安装角的计算公式如下：

β_gm＝β_m+i_m

式中，β_gm为前缘进口安装角；β_m为前缘进口相对气流角；i_m为前缘进口气流攻角；m为沿叶高方向可设计的截面数，m≥3。

根据本申请一种实施例，所述前缘进口相对气流角的计算公式如下：

式中，β_m为前缘进口相对气流角；U_m表示该叶高位置处的进口线速度；C表示叶轮进口气流绝对速度。

根据本申请一种实施例，所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度沿子午弦长从叶片进口到出口先增大再减小，在子午弦长40％的位置处达到最大值；所述中间截面的叶型厚度由所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度等比例缩放获得。

本申请还提供一种离心叶轮叶片，所述离心叶轮叶片采用如上述的方法设计生成。

本申请还提供一种离心叶轮，包括轮毂和机匣，所述轮毂和所述机匣之间设置轮盘，所述轮盘上设置如上述的离心叶轮叶片。

本申请还提供一种离心压气机，包括如上述的离心叶轮及设于所述离心叶轮下游的扩压器。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例通过在离心叶轮子午面中添加中间截面，对中间截面中弧线叶片安装角进行独立设计，能够更为直接地控制叶片展向不同叶高处的叶片前缘进口安装角，实现叶片通道内流场的局部优化，增强进口前缘叶型对跨音速气流的适应能力，改善离心叶轮内气体的流动状况，减小进气的激波损失以及对下游气体的影响，提升离心叶轮的气动效率。本发明实施例特别适用于高压比、跨音速、紧凑型的微小型航空发动机以及微小型燃气轮机的离心压气机。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例的离心叶轮子午面示意图；

图2是本发明实施例的离心叶轮的三维结构图；

图3是本发明实施例的中弧线叶片安装角的分布示意图；

其中，101-主叶片，102-分流叶片，300-中间截面，400-轮毂，200-机匣，100-叶片进口，500-叶片出口。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

离心压气机：压气机即空气压缩机，一种旋转机械，用来压缩空气，离心压气机又称径流式压气机，即气体从轴向进气，经压缩后径向出气。在微小型航空发动机领域所采用的离心压气机一般由进气道、叶轮、径向扩压器以及轴向扩压器组成。

离心叶轮：由轮盘以及其上的叶片组成，气流沿着轮盘、外壳和叶片组成的通道流动，并在这一过程中将从旋转叶轮吸收的机械功转化成压力(势能)及速度(动能)。工作叶轮是压气机最主要的零件，它的好坏对压气机的特性起了决定性的影响。

离心叶轮叶片：在离心压气机中对气流做功并引导气流流动方向，离心压气机的造型设计主要是设计叶片的形状，包括进出口结构参数以及角度分布和厚度分布等。

叶轮子午面：即过叶轮轴线的平面，将每一点绕轴线旋转到同一轴面而成，坐标为r和Z。如图1所示。

叶片展向：即叶高方向，如图1从叶根到叶顶为叶片展向方向，r方向。

叶片流向：从进口到出口。

叶片前缘：叶片进口。

叶片尾缘：叶片出口。

叶片轴向：Z方向。

叶顶：即叶片顶部。

叶根：即叶片根部。

叶尖：叶片前缘顶部。

本发明实施例提供了一种离心叶轮叶片设计方法，包括：分别设定叶轮轮毂和机匣的子午流道，给定叶轮轮毂和机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，给定叶轮轮毂和机匣的叶型厚度沿子午弦长的分布，采用线性积叠的方式完成叶轮叶片的展向积叠，生成三维直纹面；在叶轮叶片子午面中添加中间截面，计算所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，获得三维曲面叶片。

本发明实施例通过在离心叶轮子午面中添加中间截面设计，对中间截面中弧线叶片安装角进行独立设计，增强进口前缘叶型对跨音速气流的适应能力，改善压气机内部的流动状况，减小流动损失，提升叶轮效率。本发明实施例特别适用于高压比、跨音速、紧凑型的微小型航空发动机以及微小型燃气轮机的离心压气机。

在一种实施例中，在叶轮叶片子午面中添加中间截面，给定所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，包括：

在叶轮叶片子午面中50％叶高处添加中间截面的子午流道，根据所述中间截面的前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，计算获得所述中间截面的前缘进口安装角；根据给定的所述中间截面的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，获得所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正。

本发明实施例在离心压气机叶轮子午面中添加中间截面设计，对中间截面中弧线叶片安装角进行独立设计，通过前缘叶片安装角的优化，灵活的给定不同叶高处的气流进气攻角，改善气体的流动状态，增强进口前缘叶型对跨音速气流的适应能力，减小进气的激波损失以及对下游气体的影响，增大压气机叶轮的喘振裕度，实现压气机叶轮的设计优化，提升叶轮效率。

在具体实施时，如图1-图2所示，本实施例的设计方法具体如下：

1.离心叶轮包括主叶片101、分流叶片102、轮毂400、机匣200、叶片进口100和叶片出口500，叶片进口也称前缘，叶片出口也称尾缘。其中主叶片101、分流叶片102、轮毂400和机匣200共同构成叶轮内部的气体流动通道，主叶片101和分流叶片102沿叶轮周向均匀地交叉分布。离心叶轮叶片造型首先设定叶轮轮毂和机匣的子午流道，然后给定轮毂和机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，再给定轮毂和机匣的叶型厚度沿子午弦长的分布，最后按一定的积叠规律完成叶片的展向积叠，生成三维直纹面。

2.在叶轮叶片子午面中添加中间截面300，基于中间截面300的造型对以上三维直纹面做出修正，具体如下：

首先在叶轮叶片子午面中添加中间截面50％叶高处的子午流道，如图1所示；根据中间截面的前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，计算获得所述中间截面的前缘进口安装角；根据给定的所述中间截面的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，获得中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，如图2所示；基于上述中弧线叠加给定的叶型厚度沿子午弦长的分布即可获得三维曲面叶片。

3.分别给定所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口气流攻角，根据该前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，分别重新计算所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口安装角；根据设计的所述叶轮轮毂和所述机匣的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，分别重新获得所述叶轮轮毂和所述机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述叶轮轮毂和所述机匣以及所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，对所述三维曲面叶片进行优化。

其中，叶片的所述前缘进口安装角的计算公式如下：

β_gm＝β_m+i_m

式中，β_gm为前缘进口安装角；β_m为前缘进口相对气流角；i_m为前缘进口气流攻角；m为沿叶高方向可编辑设计的截面数，m≥3。本发明实施例中，轮毂、中间截面、机匣三个可编辑设计的截面，则m取3。

对于叶片前缘进口相对气流角，设定叶轮进气绝对气流角沿着轴向方向，即图1中的Z方向。所以根据进口速度三角形可得前缘进口相对气流角β_m的计算公式如下：

式中，β_m为前缘进口相对气流角；U_m表示该叶高位置处的进口线速度，可由叶轮转速和相应的叶高半径求得；C表示叶轮进口气流绝对速度，可通过叶轮进口处的气体动力学方程求解得出。

给定叶片不同叶高处的前缘进口气流攻角，即可求得叶片不同叶高处的前缘进口安装角。

4.从轮毂到机匣沿叶高方向m的个数大于等于3，本发明实施例的m值取3，但不限于3。通过步骤2-3求出叶片前缘进口安装角，即图3中子午面弦长为0的位置；叶片尾缘出口安装角由整体需求决定，即图3中子午面弦长为100的位置；中间叶片安装角的大小由叶片整体加载需要与多次的气动优化迭代得到。三个截面上(叶片轮毂、中间截面、叶片机匣)叶片中弧线安装角沿子午弦长的分布见图3。

5.所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度沿子午弦长从叶片进口到出口先增大再减小，在子午弦长40％的位置处达到最大值；所述中间截面的叶型厚度由所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度等比例缩放获得。

6.本实施例中，中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布由设计者调节，但需要保证叶型曲面的光滑连贯以及叶型包角的一致。

其中，根据上述公式计算叶片前缘进口安装角；尾缘处的叶片安装角是由尺寸限制和叶轮做功需求决定；中间截面位置的叶片安装角是介于叶片轮毂和叶片机匣中间位置之间的，参考图3；因此，中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布可由设计者调节，但需要保证叶型包角大小以及整个三维曲面叶型的光滑和连续，不可以有很大的曲率变化。

根据上述方法获得优化后的三维曲面叶片。由本实施例的设计方法生成的三维曲面叶轮叶片构成上述的离心叶轮。

本发明通过中间截面中弧线叶片安装角的独立设计，生成三维曲面叶型，能够更为直接地控制叶片展向不同叶高处的叶片前缘进口安装角，进而控制不同叶高处的进口气流攻角，实现叶片通道内流场的局部优化，减弱进口激波，减小流动损失，从而提升压气机叶轮的效率。

本发明实施例还提供一种离心压气机，包括如上述的离心叶轮及设于所述离心叶轮下游的扩压器。本发明实现了对压气机内部气体流动的主动控制，提升了压气机气动性能，能够直接集成到现有的压气机气动设计体系中。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，包括：

分别给定叶轮轮毂和机匣的子午流道，给定叶轮轮毂和机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，给定叶轮轮毂和机匣的叶型厚度沿子午弦长的分布，采用线性积叠的方式完成叶轮叶片的展向积叠，生成三维直纹面；

在叶轮叶片子午面中添加中间截面，给定所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，获得三维曲面叶片。

2.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，在叶轮叶片子午面中添加中间截面，给定所述中间截面的中弧线叶片安装角，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正，包括：

在叶轮叶片子午面中50％叶高处添加中间截面的子午流道，根据所述中间截面的前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，计算获得所述中间截面的前缘进口安装角；

根据给定的所述中间截面的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，获得所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布对所述三维直纹面进行修正。

3.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，还包括：

分别给定所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口气流攻角，根据该前缘进口气流攻角和前缘进口相对气流角，分别重新计算所述叶轮轮毂和机匣的前缘进口安装角：

根据设计的所述叶轮轮毂和所述机匣的尾缘出口安装角和中间叶片安装角，以及计算获得的所述前缘进口安装角，分别重新获得所述叶轮轮毂和所述机匣的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，根据所述叶轮轮毂和所述机匣以及所述中间截面的中弧线叶片安装角沿子午弦长的分布，对所述三维曲面叶片进行优化。

4.根据权利要求2或3所述的离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述前缘进口安装角的计算公式如下：

β_gm＝β_m+i_m

式中，β_gm为前缘进口安装角；β_m为前缘进口相对气流角；i_m为前缘进口气流攻角；m为沿叶高方向可设计的截面数，m≥3。

5.根据权利要求4所述的离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述前缘进口相对气流角的计算公式如下：

式中，β_m为前缘进口相对气流角；U_m表示该叶高位置处的进口线速度；C表示叶轮进口气流绝对速度。

6.根据权利要求1所述的离心叶轮叶片设计方法，其特征在于，所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度沿子午弦长从叶片进口到出口先增大再减小，在子午弦长40％的位置处达到最大值；所述中间截面的叶型厚度由所述叶轮轮毂和所述机匣的叶型厚度等比例缩放获得。

7.一种离心叶轮叶片，其特征在于，所述离心叶轮叶片采用如权利要求1至6任一项所述的方法设计生成。

8.一种离心叶轮，其特征在于，包括轮毂和机匣，所述轮毂和所述机匣之间设置轮盘，所述轮盘上设置如权利要求7所述的离心叶轮叶片。

9.一种离心压气机，其特征在于，包括如权利要求8所述的离心叶轮及设于所述离心叶轮下游的扩压器。