预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法技术

一种预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法：给定空气介质特性参数：包括绝热指数和气体常数；给定离心叶轮设计参数：包括离心叶轮进口预旋角、离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角、离心叶轮进口轮盖相对马赫数和总压比；计算归一化的叶轮阻塞流量；计算归一化的扩压器阻塞流量；计算离心叶轮与扩压器完全匹配时，扩压器阻塞喉口面积与离心叶轮阻塞喉口面积之比；给定离心叶轮进口总参数：进口总温，进口总压，给定设计的阻塞流量；计算离心叶轮进口总密度，进口滞止声速；计算完全匹配时扩压器阻塞喉口面积；计算完全匹配时离心叶轮阻塞喉口面积随流向位置的变化规律。本发明专利技术方法制作的离心压气机具有更高的等熵效率和更宽的稳定工况范围。

【技术实现步骤摘要】
预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法
本专利技术涉及一种离心压气机流道面积设计。特别是涉及一种预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法。
技术介绍
离心压气机广泛应用于航空发动机、地面燃气轮机、汽车船舶涡轮增压器、石油化工压缩机，在国防、民用工业等领域发挥着不可替代的作用。离心压气机的核心部件包括离心叶轮、扩压器等，各独立部件的设计方法日趋成熟且设计结果满意，但是离心叶轮与扩压器的匹配研究较少。实践经验表明，单独叶轮具有较高的效率与压比及宽广的稳定工况范围，一旦匹配扩压器，其效率与压比降低，工况范围明显变窄。离心叶轮与扩压器匹配研究对压气机整级设计非常关键。Dixon等给出了离心压气机轴向进气条件下进口段，叶轮，扩压器的阻塞模型。Casey等研究了轴向进气条件下叶轮与扩压器匹配的解析模型。以上研究结果仅针对于轴向进气的特定情况，目前尚未发现有关于任意预旋进气角条件下(包括轴向进气)离心叶轮与扩压器匹配研究的相关报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种用于离心叶轮与扩压器流道设计及匹配的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，包括如下步骤：1)给定空气介质特性参数：包括绝热指数γ和气体常数R；给定离心叶轮设计参数：包括离心叶轮进口预旋角α1、离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角β1s、离心叶轮进口轮盖相对马赫数Mw1和总压比ε；2)计算归一化的叶轮阻塞流量3)计算归一化的扩压器阻塞流量4)计算离心叶轮与扩压器完全匹配时，扩压器阻塞喉口面积Ad与离心叶轮阻塞喉口面积Ai之比5)给定离心叶轮进口总参数：进口总温Tt1，进口总压pt1，给定设计的阻塞流量6)计算离心叶轮进口总密度ρt1，进口滞止声速at1；7)计算完全匹配时扩压器阻塞喉口面积Ad；8)计算完全匹配时离心叶轮阻塞喉口面积Ai随流向位置的变化规律。步骤2)所述的归一化的叶轮阻塞流量的计算公式如下：式中，是叶轮阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是离心叶轮进口滞止声速，Ai是离心叶轮阻塞喉口面积，γ是绝热指数，Mw1是离心叶轮进口轮盖相对马赫数，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Ω是一个由离心叶轮几何决定的参数，定义为：其中，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Mu是当地机器马赫数，定义为：其中，u是离心叶轮阻塞截面的圆周速度，at1是离心叶轮进口滞止声速，当地机器马赫数Mu实质上表征了离心叶轮流向位置。步骤3)所述的归一化的扩压器阻塞流量的计算公式如下：其中，是扩压器阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是离心叶轮进口滞止声速，Ad是扩压器阻塞喉口面积，η是离心叶轮等熵效率，ε是总压比，γ是绝热指数。步骤4)中当离心叶轮与扩压器完全匹配时，同时阻塞，满足连续方程且离心叶轮与扩压器同时满足等熵流动假设，即叶轮等熵效率η＝1，此时，所述的扩压器阻塞喉口面积Ad与离心叶轮阻塞喉口面积Ai之比的计算公式为：式中，γ是绝热指数，Mu是当地机器马赫数，Mw1是离心叶轮进口轮盖相对马赫数，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角，ε是总压比。步骤6)所述的离心叶轮进口总密度ρt1和进口滞止声速at1的计算公式分别为：式中，pt1是进口总压，Tt1是进口总温，R是气体常数，γ是绝热指数。步骤7)所述的完全匹配时扩压器阻塞喉口面积Ad的计算公式为：式中，是设计的阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是进口滞止声速，ε是总压比，γ是绝热指数。步骤8)所述的完全匹配时离心叶轮阻塞喉口面积Ai随流向位置的变化规律的计算公式为：式中，是设计的阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是进口滞止声速，ε是总压比，γ是绝热指数，Ad是扩压器阻塞喉口面积，Ai是离心叶轮阻塞喉口面积。本专利技术的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，给出了扩压器与叶轮完全匹配条件下，离心叶轮与扩压器阻塞喉口面积设计方法，为离心压气机流道设计提供了理论依据。本设计方法可以确定离心叶轮与扩压器沿流向方向叶片通道的面积分布规律，并确定离心叶轮与扩压器阻塞喉口面积及喉口流向位置。所设计出来的离心压气机级各部件完全匹配，同时达到阻塞工况，具有更高的等熵效率和更宽的稳定工况范围。附图说明图1是完全匹配时，扩压器与离心叶轮阻塞喉口面积之比随当地机器马赫数变化规律图；图2是某典型亚声速离心叶轮阻塞喉口面积随流向位置的变化规律图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法做出详细说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，不以此限定本专利技术的保护范围。本专利技术的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，在任意预旋进气角条件下分别建立了叶轮，扩压器阻塞的理论模型，并在二者完全匹配的假设下得到了流道面积之比的解析式。该专利技术为离心压气机流道面积的设计提供理论指导。本专利技术首先基于旋转坐标系下转子焓守恒的思想，及等熵流动的假设，在任意预旋进气角的条件下给出了无量纲形式的离心叶轮阻塞喉口面积的计算方法；然后基于等熵流动及预旋进气假设给出了扩压器阻塞计算公式；当二者完全匹配时，获得了离心叶轮与扩压器匹配的无量纲阻塞喉口面积之比；考虑具体的阻塞流量与进口参数条件，给出了离心叶轮与扩压器阻塞喉口面积具体的计算表达式。本专利技术的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，具体包括如下步骤：1)给定空气介质特性参数：包括绝热指数γ和气体常数R；给定离心叶轮设计参数：包括离心叶轮进口预旋角α1、离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角β1s、离心叶轮进口轮盖相对马赫数Mw1和总压比ε；2)计算归一化的叶轮阻塞流量所述的归一化的叶轮阻塞流量的计算公式如下：式中，是离心叶轮阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是离心叶轮进口滞止声速，Ai是离心叶轮阻塞喉口面积，γ是绝热指数，Mw1是离心叶轮进口轮盖相对马赫数，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Ω是一个由离心叶轮几何决定的参数，定义为：其中，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Mu是当地机器马赫数，定义为：其中，u是离心叶轮阻塞截面的圆周速度，at1是离心叶轮进口滞止声速，当地机器马赫数Mu实质上表征了离心叶轮流向位置。式(1)在当前步骤已知参数下，是一个归一化的叶轮阻塞流量与当地机器马赫数Mu的函数关系式，本质上反映出离心叶轮的阻塞喉口面积是沿着流向位置变化的。3)计算归一化的扩压器阻塞流量所述的归一化的扩压器阻塞流量的计算公式如下：其中，是扩压器阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是离心叶轮进口滞止声速，Ad是扩压器阻塞喉口面积，η是离心叶轮等熵效率，ε是总压比，γ是绝热指数。4)计算离心叶轮与扩压器完全匹配时，扩压器阻塞喉口面积Ad与离心叶轮阻塞喉口面积Ai之比当离心叶轮与扩压器完全匹配时，同时阻塞，满足连续方程且离心叶轮与扩压器同时满足等熵流动假设，即叶轮等熵效率η＝1，此时，所述的扩压器阻塞喉口面积Ad与离心叶轮阻塞喉口面积Ai之比计算公式为：式中，γ是绝热指数，Mu是当地机器马赫数，Mw1是离心叶轮进口轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)给定空气介质特性参数：包括绝热指数γ和气体常数R；给定离心叶轮设计参数：包括离心叶轮进口预旋角α1、离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角β1s、离心叶轮进口轮盖相对马赫数Mw1和总压比ε；2)计算归一化的叶轮阻塞流量

【技术特征摘要】
1.一种预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，其特征在于，包括如下步骤：1)给定空气介质特性参数：包括绝热指数γ和气体常数R；给定离心叶轮设计参数：包括离心叶轮进口预旋角α1、离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角β1s、离心叶轮进口轮盖相对马赫数Mw1和总压比ε；2)计算归一化的叶轮阻塞流量3)计算归一化的扩压器阻塞流量4)计算离心叶轮与扩压器完全匹配时，扩压器阻塞喉口面积Ad与离心叶轮阻塞喉口面积Ai之比5)给定离心叶轮进口总参数：进口总温Tt1，进口总压pt1，给定设计的阻塞流量6)计算离心叶轮进口总密度ρt1，进口滞止声速at1；7)计算完全匹配时扩压器阻塞喉口面积Ad；8)计算完全匹配时离心叶轮阻塞喉口面积Ai随流向位置的变化规律。2.根据权利要求1所述的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，其特征在于，步骤2)所述的归一化的叶轮阻塞流量的计算公式如下：式中，是叶轮阻塞流量，ρt1是离心叶轮进口总密度，at1是离心叶轮进口滞止声速，Ai是离心叶轮阻塞喉口面积，γ是绝热指数，Mw1是离心叶轮进口轮盖相对马赫数，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Ω是一个由离心叶轮几何决定的参数，定义为：其中，β1s是离心叶轮进口轮盖相对轴向气流角，α1是离心叶轮进口预旋角；Mu是当地机器马赫数，定义为：其中，u是离心叶轮阻塞截面的圆周速度，at1是离心叶轮进口滞止声速，当地机器马赫数Mu实质上表征了离心叶轮流向位置。3.根据权利要求1所述的预旋进气下离心叶轮与扩压器匹配计算方法，其特征在于，步骤3)所述的归一化的扩压器阻塞流量的计...

【专利技术属性】
技术研发人员：李孝检，刘正先，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12