扩压器弯扭叶片及设计方法、扩压器和离心/斜流压气机技术

本发明专利技术公开了一种扩压器弯扭叶片及设计方法、扩压器和离心/斜流压气机，该方法包括：设定扩压器轮毂子午流道与机匣子午流道；根据叶型要求生成多个指定叶高位置的各造型截面子午流道线；根据中弧线叶片角沿子午弦长的分布，拟合出各造型截面回转面叶型中弧线；基于叶型中弧线叠加给定的叶型厚度沿子午弦长的分布并添加前缘、尾缘，获得回转面叶型；采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠，生成三维弯扭叶片。通过调整中弧线叶片角设计得到弯扭叶片，能够更为直接地控制扩压器叶片进口攻角及沿流道的负荷分布，同时可实现叶片通道内流场的局部优化，能够更好的适应叶轮出口非均匀流动，使得扩压器的性能得到较大提升。

【技术实现步骤摘要】
扩压器弯扭叶片及设计方法、扩压器和离心/斜流压气机
本专利技术涉及扩压器设计领域，特别地，涉及一种扩压器弯扭叶片及其设计方法。此外，本专利技术还涉及一种包括上述扩压器弯扭叶片的扩压器和离心/斜流压气机。
技术介绍
径向/斜向扩压器作为离心/斜流压气机的核心部件，安装在与离心/斜流叶轮相邻的下游位置，对压气机效率、堵塞流量等有着决定性的影响。径向/斜向扩压器的主要作用是对叶轮出口的高速气流进行减速扩压，将其动能最大程度地转化为压力能。根据通道内是否安装有叶片，径向/斜向扩压器主要分为无叶扩压器和叶片式扩压器(叶片既有常规的叶型、也有尖劈的楔形)，此外还有一种适用于高进口马赫数的管式扩压器。叶片式扩压器通过叶片几何形状，控制气流沿叶片通道流动，可在相同的比直径下，实现比无叶扩压器更大的扩压度，目前被广泛应用。但受离心/斜流叶轮出口非均匀、非定常及高速复杂流动的影响，以及扩压器通道内本身的高逆压力梯度特征，导致扩压器叶片攻角损失、附面层分离损失及可能出现的激波损失难以控制，且随离心/斜流压气机压比及扩压器进口马赫数的不断提高，实现低损失、宽裕度扩压器设计非常具有挑战性，是制约高压比离心/斜流压气机难以获得较高效率的主要技术障碍之一。与常规的直叶片扩压器相比，管式扩压器在与叶轮匹配时能够获得更好的气动性能，主要得益于其燕尾形的前缘形状能够更好地适应叶轮出口的复杂流动。中国专利CN103775388A公开了一种掠扭式的扩压器叶片及其设计方法，通过给定扩压器进口半径及进口构造角延展向分布，实现扩压器掠扭叶片设计。其气动外形通过叶片通道截面积沿其中心线的分布反求得到，不足在于难以直观地根据叶片机流动机理调整叶片型面；同时扩压器叶片前掠设计将减小造型截面无叶扩压段半径比，工程应用发现，过小的无叶段半径比在长期使用时，存在引起叶轮高周疲劳破环的风险。目前，工程实际中广泛应用的叶片式扩压器主要为基于常规叶型的直叶片，一方面，直叶片进口构造角延展向为唯一值，不能适应叶轮出口非均匀流动，即使在设计工况，局部叶高也会出现较大的正负攻角，不利于压气机效率的提升以及扩压器与叶轮的匹配设计；另一方面常规叶型中弧线通常为给定的圆弧、双曲线等，无法通过叶片型面任意调整实施流动控制，特别是在出现高亚音及超音流动时该缺点暴露的更加明显。管式扩压器虽然能够更好地适应叶轮出口的非均匀流动，从而提高压气机效率，但其前缘外形是通过基于喉道面积的圆管相贯形成，进口构造角无法直接给定，不利于进口攻角的控制，这也导致管式扩压器流量裕度普遍偏窄的原因之一。此外管式扩压器目前的国内加工工艺及计量检测方法还不够成熟。因此，现有的叶片式扩压器、管式扩压器均无法同时满足低损失、宽裕度的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种叶片式扩压器、其叶片设计方法及离心/斜流压气机，以解决现有扩压器无法同时满足低损失、宽裕度扩压要求的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：根据本专利技术的一个方面，提供一种扩压器弯扭叶片设计方法，本专利技术方法包括：设定扩压器轮毂子午流道与机匣子午流道；根据叶型要求生成多个指定叶高位置的各造型截面子午流道线；根据中弧线叶片角沿子午弦长的分布，拟合出各造型截面回转面叶型中弧线；基于叶型中弧线叠加给定的叶型厚度沿子午弦长的分布并添加前缘、尾缘，获得回转面叶型；采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠，生成三维弯扭叶片。进一步地，中弧线叶片角在叶片前缘处等于叶型进口构造角，在叶片尾缘处等于叶型出口构造角，其余位置中弧线叶片角根据扩压器喉道尺寸和/或通道流动控制需要任意调整。进一步地，叶片的前缘沿切向呈“C”型的弯曲外形。进一步地，采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠步骤中，沿积叠线切向弯曲设计，即叶片适当往压力面倾斜，调整扩压器展向负荷分布。进一步地，通过中弧线叶片角的局部调整，便捷地调整扩压器喉道尺寸沿叶高方向的分布，以抑制甚至消除叶片通道内流动分离及低能流体堆积，并优化负荷沿流道分布，降低流动损失，实现更高的扩压效率。进一步地，通过叶片进口构造角的调整，更好的适应叶轮出口非均匀流动，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。根据本专利技术的另一方面，提供一种扩压器弯扭叶片，该扩压器弯扭叶片采用上述的方法设计生成。根据本专利技术的另一方面，还提供一种扩压器，包括扩压器轮毂及设于扩压器轮毂上的扩压器弯扭叶片，扩压器弯扭叶片采用上述的方法设计生成。进一步地，扩压器为径向扩压器或者斜向扩压器。根据本专利技术的另一方面，还提供一种离心压气机，包括离心叶轮及设于离心叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的径向扩压器。根据本专利技术的另一方面，还提供一种斜流压气机，包括斜流叶轮及设于斜流叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的斜向扩压器。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术叶片式扩压器、其叶片设计方法及离心/斜流压气机，改变了传统的直叶片扩压器的设计，通过调整中弧线叶片角设计得到弯扭叶片，能够更为直接地控制扩压器叶片进口攻角及沿流道的负荷分布，同时可实现叶片通道内流场的局部优化，能够更好的适应叶轮出口非均匀流动，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例扩压器弯扭叶片设计方法的流程示意图；图2是本专利技术优选实施例中扩压器造型截面示意图；图3是本专利技术优选实施例中弧线叶片角沿子午弦长的分布示意图；图4是本专利技术优选实施例中叶型厚度沿子午弦长的分布示意图；图5是本专利技术优选实施例中回转面叶型的示意图，其中，(a)为子午面示意图，(b)为轴向视图极坐标示意图，(c)为造型界面示意图；图6是本专利技术优选实施例弯扭叶片扩压器的整体结构示意图；图7是本专利技术优选实施例弯扭叶片扩压器的局部结构示意图；图8是本专利技术优选实施例离心/斜流压气机扩压器子午位置示意图；图9是本专利技术优选实施例中改进前后的斜流压气机流量-压比特性对比示意图；图10是本专利技术优选实施例中改进前后的斜流压气机流量-效率特性对比示意图；图11是本专利技术优选实施例中改进前后的斜向扩压器总压恢复系数对比示意图；图12是本专利技术优选实施例中改进前后的回流器总压恢复系数对比示意图；图13是本专利技术优选实施例中优化前斜流压气机设计工况点流动性能示意图；图14是本专利技术优选实施例优化后斜流压气机设计工况点流动性能示意图；图15是本专利技术优选实施例扩压器叶片积叠线近机匣区域切向弯结构示意图；图16是本专利技术优选实施例中切向弯曲前流动示意图；图17是本专利技术优选实施例切向弯曲后流动示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术的优选实施例提供了一种扩压器弯扭叶片设计方法，将叶片设计为沿其展向呈弯扭形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，包括：设定扩压器轮毂子午流道与机匣子午流道；根据叶型要求生成多个指定叶高位置的各造型截面子午流道线；根据中弧线叶片角沿子午弦长的分布，拟合出各造型截面回转面叶型中弧线；基于所述叶型中弧线叠加给定的叶型厚度沿子午弦长的分布并添加前缘、尾缘，获得回转面叶型；采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠，生成三维弯扭叶片。

【技术特征摘要】
1.一种扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，包括：设定扩压器轮毂子午流道与机匣子午流道；根据叶型要求生成多个指定叶高位置的各造型截面子午流道线；根据中弧线叶片角沿子午弦长的分布，拟合出各造型截面回转面叶型中弧线；基于所述叶型中弧线叠加给定的叶型厚度沿子午弦长的分布并添加前缘、尾缘，获得回转面叶型；采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠，生成三维弯扭叶片。2.根据权利要求1所述的扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，所述中弧线叶片角在叶片前缘处等于叶型进口构造角，在叶片尾缘处等于叶型出口构造角，其余位置所述中弧线叶片角根据扩压器喉道尺寸和/或通道流动控制需要任意调整。3.根据权利要求2所述的扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，叶片的前缘沿切向呈“C”型的弯曲外形。4.根据权利要求2所述的扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，所述采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠步骤中，沿积叠线切向弯曲设计，即叶片适当往压力面倾斜，调整扩压器展向负荷分布。5.根据权利要求2所述的扩压器弯扭叶片设计方法，其特征在于，通过所述中弧线叶片角的局...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨元英，安志强，赵伟光，景晓明，黄生勤，贺飞，银越千，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：湖南,43