混压式三维叶片扩压器的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种混压式三维叶片扩压器，其半无叶区叶片吸力面为相对理想流动曲线偏折的多段曲面，形成多波系激波结构。叶片根据来流展向的马赫数和入流角而扭转，形成三维叶片；其设计方法包括如下步骤：将扩压器通道沿展向分为n个截面；确定波系数目；确定叶片角；确定半无叶区吸力面各弧段长度；确定喉部位置；截面叶片通道设计；三维叶片整体设计。优点：1）有效利用激波减速特性，减弱、消除超声速气流在扩压器半无叶区内的加速；2）在叶片通道内速度降至亚声速，并继续减速扩压，减弱、消除激波和附面层相互作用带来的影响；3）提高扩压器效能和稳定工作范围，提高压气机的效率和压比。

Mixed pressure three dimensional vane diffuser and design method

The invention relates to a mixed pressure three-dimensional blade diffuser. The suction surface of the half vane blade is a multi section curved surface with a relatively ideal flow curve, forming a multi wave shock wave structure. The blade is twisted according to the Maher number and the inflow angle of the incoming flow to form a three-dimensional blade. The design method includes the following steps: dividing the diffuser channel along the direction of development.

【技术实现步骤摘要】
混压式三维叶片扩压器及设计方法
本专利技术是一种混压式三维叶片扩压器，属于径流式压气机

技术介绍
飞机的专利技术与航空事业的发展对整个世界有着重要的影响。而身为飞机之心脏的航空发动机是飞机性能、可靠性以及经济性的决定性因素。半个世纪以来，航空发动机正在向高推重比，高增压比和高涡轮前温度的推进系统稳步发展。因此，离心压气机作为中小型飞机与直升机涡轮发动机的主要部件，顺应时代发展，增加功率，扩大压比势在必行。在这种不断提高的要求下，扩压器进口马赫数会达到1.0以上。如不对其进行有效控制，会使超声速气流在扩压器内形成强烈激波，增大扩压器损失，使整个离心压气机性能急剧下降。高压比离心压气机叶轮出口处流场结构沿展向差异很大，马赫数及来流方向沿展向变化。现有扩压器多采用进口段沿展向叶片角相同的直拉伸叶片。这种叶片适应于均匀来流，对于马赫数与气流角沿展向大幅度变化的来流有较大损失。沿展向不同的马赫数造成的激波面会与叶片表面附面层相互作用而促使流动分离，造成很大损失。因此控制激波的强度与位置对提高扩压器性能有重要影响。
技术实现思路
本专利技术提出的是一种混压式三维叶片扩压器及设计方法，其目的旨在有效合理地利用激波减速特性，减弱甚至消除超声速气流在扩压器半无叶区内的加速以及激波和附面层相互作用带来的影响，提高压气机的效率和压比。本专利技术的技术解决方案：一种混压式三维叶片扩压器，混压式三维叶片扩压器的叶片半无叶区吸力面为相对理想流动曲线偏折的多段弧型面，形成多波系激波结构；叶片根据来流展向的马赫数和入流角而扭转，形成三维叶片。其设计方法，包括如下步骤：（1）将扩压器通道沿展向分为n个截面；（2）确定波系数目；（3）确定叶片角；（4）确定半无叶区吸力面各弧段长度；（5）确定喉部位置；（6）截面叶片通道设计；（7）三维叶片整体设计。本专利技术的有益效果：1）有效利用激波减速特性，减弱甚至消除超声速气流在扩压器半无叶区内的加速；2）在叶片通道内速度降至亚声速，并继续减速扩压，能减弱甚至消除激波和附面层相互作用带来的影响；3）提高扩压器效能和稳定工作范围，提高压气机的效率和压比。附图说明附图1是直叶片扩压器进口段不同展向位置流动示意图。附图2是扭叶片扩压器中离心压气机扩压器进口气流角和进口马赫数沿展向分布(来流气流角分布)示意图。附图3为半无叶区叶片吸力面多段曲面与喉部位置示意图。附图4是截面叶型示意图。附图5是混压式三维叶片扩压器示意图。图中，为斜激波角，OO'为气流在径向无叶段内初始理想流动曲线，A、B为喉道位置，l为曲面在该截面下曲线。具体实施方式混压式三维叶片扩压器，半无叶区吸力面为相对理想流动曲线偏折的多段曲面，形成多波系激波结构；叶片根据来流展向的马赫数和入流角而扭转，形成三维叶片。所述混压式三维叶片扩压器的设计方法，包括如下步骤：（1）将扩压器通道沿展向分为n个截面；（2）确定波系数目；（3）确定叶片角；（4）确定半无叶区吸力面各弧段长度；（5）确定喉部位置；（6）截面叶片通道设计；（7）三维叶片整体设计。所述步骤（1）将扩压器通道沿展向分为n个截面:确定扩压器的整体尺寸，将扩压器子午流道沿展向均分为n个截面：n≥2。所述步骤（2）确定波系数目：激波数目为m，m≥2，弱斜激波数目为m-1，正激波数目为1。所述步骤（3）确定叶片角：根据不同截面来流马赫数Mi0确定初始楔角i1(1°≤ij≤15°,1≤i≤n,1≤j＜m,n≥2)、斜激波角i1以及波后马赫数Mi1，依次取楔角ij，求得其后相应ij和Mij。所述步骤（4）确定半无叶区吸力面各弧段长度：忽略附面层增长影响，根据连续性方程与角动量守恒方程，确定每一个截面的来流马赫数Mi0及气流角i0下气流的理想流动曲线作为初始设计基准；由O点起始根据各个楔角ij(1≤j≤m-1)依次作曲线lij(1≤j≤m-1)，曲线相对基准曲线偏转，并调整曲线lij(1≤j≤m-2)的长度，使得各个斜激波延伸交于一个点，记为点A。所述步骤（5）确定喉部位置：以斜激波延伸交点A点为相邻叶片的压力面前缘点，确定其叶片压力面型线在A点处起始切线与径向的夹角i01，，过A点作垂直于压力面型线的垂线，与曲线li(m-1)交于点B，由此确定最后一条曲线li(m-1)长度以及喉道位置A、B。所述步骤（6）设计截面叶片通道：以起始切角i01为基准，过喉道A点做压力面型线，取当量扩张角为2°~35°，作喉道B点后相应的吸力面型线，使喉道后叶片通道为扩张通道，根据叶片通道的周期面积与截面的环形面积差值得到截面处的叶片型线，完成叶片设计。所述步骤（7）三维叶片整体设计：根据步骤（5）完成n个截面通道设计后，对n个截面通道进行三维前缘积叠，得到包含扭转特征的一系列叶型；对叶片吸力面喉道位置处进行倒圆处理，实现吸力面型线光滑过渡；综上完成混压式三维叶片扩压器设计。下面结合附图进一步描述本专利技术的技术方案：对照附图1，扩压器进口段不同展向位置流动示意图，直叶片只适应于均匀来流，对于马赫数与气流角沿展向大幅度变化的来流有较大损失。对照附图2，将扩压器通道沿展向（叶高方向）分为n个截面，n≥2。每个截面得到相应的进口气流角与进口马赫数。对照附图3，确定波系数目m，m≥2。其中弱斜激波系数为m-1，正激波数为1。在设计状态下，根据来流气流角沿展向的不同分布，确定各个截面进口处相应的叶片角。由来流马赫数Mi0确定初始楔角i1(1°≤ij≤15°,1≤i≤n,1≤j＜m,n≥2)、斜激波角i1以及波后马赫数Mi1，依次取楔角ij，求得其后相应ij和Mij。忽略附面层增长影响，根据连续性方程与角动量守恒方程，确定每一个截面的来流Mi0及气流角i0下气流的理想流动曲线，以此作为初始设计基准；由O点起始根据各个楔角ij(1≤j≤m-1)依次作曲线lij(1≤j≤m-1)，曲线相对基准曲线偏转，并调整曲线lij(1≤j≤m-2)的长度，使得各个斜激波延伸交于一个点，记为点A。以A点为相邻叶片的压力面前缘点，确定其叶片压力面型线在A点处起始切线与径向的夹角i01，，过A点作垂直于压力面型线的垂线，与曲线li(m-1)交于点B，由此确定最后一条曲线li(m-1)长度以及喉道位置A、B。对照附图4，以起始切角i01为基准，过喉道A点做压力面型线，取当量扩张角为2°~35°，作喉道B点后相应的吸力面型线，使喉道后叶片通道为扩张通道，根据叶片通道的周期面积与截面的环形面积差值得到截面处的叶片型线，完成叶片设计。对照附图5，完成n个截面通道设计后，对n个截面通道进行三维前缘积叠，得到包含扭转特征的一系列叶型。同时，对叶片吸力面喉道位置处进行倒圆处理，实现吸力面型线光滑过渡。经上述处理后确定了混压式三维叶片造型。混压式三维叶片扩压器，其结构是把半无叶区叶片吸力面型线呈多段曲面弯折，使之达到多波系激波组织的目的。实施例1将扩压器叶片沿展向分为n个截面；通过进口气流角与马赫数完成叶片半无叶区吸力面多段弧形面设计；通过每个截面叶片型线三维前缘积叠完成叶片扭转的设计；将以上设计方法结合实现混压式三维叶片的扩压器设计。1）确定扩压器的整体尺寸，包括进口直径300mm、进口叶片高度15mm、最大直径450mm，设计子午流道为等高子午面。将扩压器子午流道沿展本文档来自技高网...

【技术保护点】
混压式三维叶片扩压器，其特征是半无叶区叶片吸力面为相对理想流动曲线偏折的多段曲面，形成多波系激波结构，叶片根据来流展向的马赫数和入流角而扭转，形成三维叶片。

【技术特征摘要】
1.混压式三维叶片扩压器，其特征是半无叶区叶片吸力面为相对理想流动曲线偏折的多段曲面，形成多波系激波结构，叶片根据来流展向的马赫数和入流角而扭转，形成三维叶片。2.如权利要求1所述的混压式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是包括如下步骤：（1）确定扩压器通道截面数；（2）确定波系数目；（3）确定叶片角；（4）确定半无叶区吸力面各弧段长度；（5）确定喉部位置；（6）设计截面叶片通道；（7）设计三维叶片整体。3.根据权利要求2所述的混压式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是所述步骤（1）确定扩压器通道截面数：确定扩压器的整体尺寸，将扩压器子午流道沿展向分为n个截面，n≥2。4.根据权利要求2所述的混压式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是所述步骤（2）确定波系数目：激波数目为m，m≥2，其中，弱斜激波数目为m-1，正激波数目为1。5.根据权利要求2所述的混压式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是所述步骤（3）确定叶片角：根据不同截面来流马赫数Mi0确定初始楔角i1(1°≤ij≤15°,1≤i≤n,1≤j＜m,n≥2)、斜激波角i1以及波后马赫数Mi1，其后依次取楔角ij，求得其后相应ij和Mij。6.根据权利要求2所述的混压式三维叶片扩压器的设计方法，其特征是所述步骤（4）确定半无叶区吸力面各弧段长度：忽略附面层增长影响，根据连续性方程与角动量守恒方程，确...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，倪钰鑫，赵正，肖竞雄，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32