【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机、燃气轮机中的叶轮机，尤其涉及一种叶轮机一体化结构及其设计方法。
技术介绍
1、航空发动机中的压气机和涡轮等旋转机械统称为叶轮机。叶轮机是实现航空发动机气动热力循环的关键核心部件，其性能水平和技术水平直接关系到发动机研制的全局。在航空发动机更高推重比或者功重比的需求牵引下，高负荷、高压比、高转速已经成为先进叶轮机的典型特征，这使得叶片通道内流动三维性和畸变度显著增强，叶片和端壁表面边界层更为扭曲，角区等曲率突变位置的流动更易发生分离和变异，从而丧失叶轮机应有的流动特征，导致叶轮机的气动性能水平大为降低。通常，叶轮机性能恶化的直接诱因在于叶片/端壁角区的流动恶化，从根源上突破该问题必须着眼于组织和调控叶片/端壁角区的复杂三维流动，削弱或避免角区分离。
2、针对叶片/端壁角区的复杂三维流动问题，通常采用多种流动控制手段来降低其流动损失，如：通过叶片弯掠设计来改变角区压力梯度分布，对原有二次流分布和各种涡系产生影响，从而达到减小角区流动损失的目的；通过倒角、非轴对称端壁等对涡轮叶片近角区或近端壁的局部几何结构进行适当的气动改进来抑制角区复杂流动，进而降低流动损失。然而，在传统叶轮机设计中，叶片弯掠设计以及角区流动局部调控从本质上都是事后补救的措施。传统叶轮机造型设计方法将不同叶高位置的叶型沿叶高方向进行积叠得到叶片造型，两相邻叶片之间所围通道为气流通道。由于该方法在设计之初就将叶片、端壁及流道割裂对待并分开设计，使得其无法从根源上主动考虑叶片/端壁角区等复杂流动的组织与调控，仅能在设计完成后附加相应
技术实现思路
1、为规避叶片和端壁分开设计带来的固有流动变异问题，本专利技术提供了一种叶轮机一体化结构及其设计方法，从设计源头主动考虑叶片/端壁角区复杂流动的叶轮机一体化构型，通过对叶片和端壁的一体化设计实现叶片、端壁及流道的气动关联，进而突破叶轮机角区流动的设计调控瓶颈。
2、为达到上述目的，本专利技术一方面提供了一种叶轮机一体化结构，包括机匣、轮毂和多个叶片，其中：每个叶片固定连接于轮毂上，多个叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，每个气流通道具有相同的几何特征；每个叶片设置于相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域。
3、可选地，多个叶片沿圆周方向均匀分布。
4、可选地，每个气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个s3流面进行积叠而得到。
5、可选地，每个气流通道的表面光滑连续。
6、本专利技术另一方面提供了一种叶轮机一体化结构的设计方法，该叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，该方法包括：将叶片、轮毂和机匣的壁面包围形成多个气流通道，将多个气流通道沿圆周方向均匀分布；将每个气流通道中垂直于流线方向的多个s3流面进行积叠，使得每个气流通道具有相同的几何特征；根据相邻的两个气流通道沿圆周方向的包围区域，生成叶片几何。
7、可选地，多个s3流面形心的连线构成每个气流通道的中心线，中心线通过预设的中心线规律函数来确定。
8、可选地，除气流通道的进口截面和出口截面之外，每个s3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成。
9、可选地，每个s3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成，具体包括：分别将进口截面和出口截面的线条等弧长离散为i个点，得到进口截面点序列和出口截面点序列，i≥2且为整数；根据进口截面点序列和出口截面点序列，计算进口截面和出口截面上的各截面点对应的一阶导数和二阶导数，得到各截面点的曲率；通过预设的截面形状过渡规律函数，对各截面点的曲率进行修正，得到每个s3流面的曲线曲率分布；根据曲线曲率分布，生成s3流面的形状曲线。
10、可选地，多个s3流面的面积通过预设的截面积变化规律函数来控制。
11、可选地，每个气流通道的几何特征根据以下方式来确定：根据每个s3流面的形状曲线，以及多个s3流面的面积，将每个s3流面的形状曲线相对于截面形心等比例放大至对应的s3流面的面积；根据中心线规律函数，将放大后的各个s3流面按照轴向位置和周向偏距进行排列，得到多个控制截面；将多个控制截面沿流线方向进行积叠，得到气流通道的几何特征。
12、与现有技术相比，本专利技术提供的叶轮机一体化结构及其设计方法，至少具有以下有益效果：
13、(1)该方法能够从设计源头计及叶片和端壁的气动关联，规避传统设计方法将叶片和端壁割裂对待所带来的叶片/端壁角区流动恶化，实现角区流动的精细化组织与调控，削弱或避免流动分离；
14、(2)该方法能够通过控制s3流面的变换规律使叶片、端壁等流道壁面高阶光滑融合，规避传统设计方法所带来的叶片和端壁表面曲率不连续，进而有效改善叶轮机内部流动。
15、(3)本专利技术提供了可用于计及角区等复杂三维流动控制的先进叶轮机设计方法，易于实现流动高效组织与调控，设计通用性强，特别适用于各类轴流和离心式叶轮机械。
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1.一种叶轮机一体化结构，其特征在于，包括机匣(1)、轮毂(2)和多个叶片(3)，其中：
2.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述多个叶片(3)沿圆周方向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述每个所述气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个S3流面进行积叠而得到。
4.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，每个所述气流通道的表面光滑连续。
5.一种叶轮机一体化结构的设计方法，所述叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，其特征在于，所述方法包括：
6.根据权利要求5所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，所述多个S3流面形心的连线构成每个所述气流通道的中心线，所述中心线通过预设的中心线规律函数来确定。
7.根据权利要求6所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，除所述气流通道的进口截面和出口截面之外，每个所述S3流面的形状曲线通过截面线条曲率的变换而生成。
8.根据权利要求7所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，每个所述S3流面的
9.根据权利要求7所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，所述多个S3流面的面积通过预设的截面积变化规律函数来控制。
10.根据权利要求9所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，每个所述气流通道的几何特征根据以下方式来确定：
...【技术特征摘要】
1.一种叶轮机一体化结构，其特征在于，包括机匣(1)、轮毂(2)和多个叶片(3)，其中：
2.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述多个叶片(3)沿圆周方向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，所述每个所述气流通道的几何特征通过垂直于流线方向的多个s3流面进行积叠而得到。
4.根据权利要求1所述的叶轮机一体化结构，其特征在于，每个所述气流通道的表面光滑连续。
5.一种叶轮机一体化结构的设计方法，所述叶轮机包括叶片、轮毂和机匣，其特征在于，所述方法包括：
6.根据权利要求5所述的叶轮机一体化结构的设计方法，其特征在于，所述多个s3流面形心的连线...
【专利技术属性】
技术研发人员：李紫良，吴艳辉，冯鲁文，薛亚鹏，卢新根，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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