一种负出口气流角低损失扩压叶型的制作方法

1.本发明涉及空气动力学领域，具体为一种负出口气流角低损失扩压叶型。


背景技术：

2.轴流风扇/压气机由转子和静子组成。轴流风扇/压气机转子叶片用于对气流做功，增加流经气体总压、同时增加气体静压。轴流风扇/压气机增压比与转子转速、转子叶片弯度成正比，采用大弯度叶型可提高轴流风扇/压气机转子叶片对气流的做功能力。在转子转速一定的情况下，增加叶片弯度可增加增压比；在转子增压比一定情况下，增加叶片弯度可降低转子转速，转速越低、噪声与振动越小。但是叶片弯度增加，流道扩张度增大，气流容易产生分离，造成流动损失增加、甚至流动失速，转子效率将会降低。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明公开了一种负出口气流角低损失扩压叶型，能够大幅度提高轴流风扇/压气机转子叶片对气流的做功能力，并且不降低转子效率。
4.本发明的技术方案如下：一种适用于轴流风扇/压气机转子的负出口气流角低损失扩压叶型，定义出气速度与转轴平行线的夹角为出口气流角，该出口气流角小于0度，所构成的平面叶栅通道前部呈扩张流道、后部呈收缩流道。
5.作为优选，出口气流角在
‑
10度至
‑
15度之间。
6.有益效果：
7.(1)本发明负出口气流角低损失扩压叶型的叶型弯度比常规叶型大，气流流过叶栅通道气流转角大、对气流做功能力强，可大幅度提高转子叶片做功能力；
8.(2)本发明负出口气流角低损失扩压叶栅通道后部呈收缩流道，可抑制流动分离，实现低损失、高效率；
9.(3)本发明负出口气流角低损失扩压叶型与常规叶型比较，在相同转速下可大幅度增加转子增压比；
10.(4)本发明负出口气流角低损失扩压叶型与常规叶型比较，在相同增压比下可大幅度降低转速，进而降低噪声和强度要求。
附图说明
11.图1(a)为本发明一个实施例的常规叶栅；
12.图1(b)为本发明一个实施例的最大扩压度叶栅；
13.图1(c)为本发明一个实施例的负出口气流角叶栅；
14.图2为本发明一个实施例的叶栅进出口速度三角形；
15.图3为本发明一个实施例的由叶型构成叶片示意图；
16.图4为本发明一个实施例的叶型比较图；
17.图5(a)为本发明一个实施例的初始叶栅马赫数云图；
18.图5(b)为本发明一个实施例的优化叶栅马赫数云图。
19.附图标记：1、叶型，2、叶型中弧线，3、转轴平行线，4、常规叶栅，5、最大扩压度叶栅，6、负出口气流角叶栅，7、常规叶栅进出口速度三角形，8、最大扩压度叶栅进出口速度三角形，9、负出口气流角叶栅进出口速度三角形，10、积叠线，11、叶片。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.以下结合图1至图3说明负出口气流角低损失扩压叶型设计方法。叶型采用常规参数化造型方法生成，如：中弧线采用样条曲线、厚度分布采用多项式。已知进口气流角β1；按攻角i等于0度确定几何进口角β
1k
(即，β1＝β
1k
)。常规设计，出口气流角β2大于0度，见图1(a)的常规叶栅，出气速度w2在转轴平行线3左侧此角度为正、右侧为负；见图1(b)的最大扩压度叶栅，最大扩压度出口气流角β2等于0度。本发明公开的超弯叶型1出口气流角β2小于0度，其数值范围在
‑
10度至
‑
25度之间,使叶栅通道后段略有收敛、抑制附面层发展。如果此角度过小，将给下游匹配静子设计带来较大难度。考虑气流流动落后角δ(β
2k
＝β2‑
δ)，对于负出口气流角叶栅，出口气流角β
2k
应在
‑
15度至
‑
25度之间。图2中常规叶栅进出口速度三角形7、最大扩压度叶栅进出口速度三角形8、负出口气流角叶栅进出口速度三角形9分别与图1中常规叶栅4、最大扩压度叶栅5、负出口气流角叶栅6对应。图2表明，超弯叶型气流转角(δβ＝β1‑
β2)较常规设计大幅度增加，因此相同的轮缘速度u，扭速δc
u
大幅度增加。根据轮缘功表达式l
u
≈uδc
u
，流经气体被加入的轮缘功大幅度增加，增压比相应大幅度增加。叶型具体形状要根据流场计算机仿值结果进行评价，再进行迭代修改。叶型修改目标是达到给定的出口气流角β2，使流动损失尽可能小。进行一系列负出口气流角叶型设计，形成叶型数据库、用于高压比或低转速轴流风扇/压气机转子设计。也可根据具体轴流风扇/压气机转子设计指标(主要包括：压比和流量)进行转子叶片沿叶高方向若干个负出口气流角叶型设计，如图3所示，按给定积叠线10积叠构成叶片11。
22.为说明本发明设计的可行性，针对一台设计转速为6000转/分带后排静子的低速轴流风机，为了提高其压升，采用本专利提出的负出口气流角低损失扩压叶型进行转子叶片设计。在此给出转子叶中截面叶型设计结果。表1为转子叶中截面设计目标和设计结果，其中ori是人工经验初始设计结果、opt为采用优化方法改进设计结果。表1表明，采用本专利负出口气流角低损失扩压叶型可实现大气流转角，且效率高损失小。图4为初始和优化叶型。图5为初始和优化叶栅马赫数云图。图5表明，采用本专利负出口气流角低损失扩压叶型，叶栅中叶片吸力面和压力面附面层很薄，因此损失很小。
23.表1性能参数
[0024][0025]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种负出口气流角低损失扩压叶型，其特征在于：所述叶型的出气速度与转轴平行线的夹角为出口气流角，该出口气流角小于0度，所述叶型构成的平面叶栅通道前部呈扩张流道、后部呈收缩流道。2.根据权利要求1所述的负出口气流角低损失扩压叶型，其特征在于：所述叶型的出口气流角在
‑
10度至
‑
15度之间。

技术总结
本发明公开了一种负出口气流角低损失扩压叶型，叶型出口气流角小于0度，所构成的平面叶栅通道前部呈扩张流道、后部呈收缩流道。由于所述叶型弯度比常规叶型大，气流流过叶栅通道气流转角大、对气流做功能力强；由于叶栅通道后部呈收缩流道，可抑制流动分离，实现低损失、高效率。采用本发明负出口气流角低损失扩压叶型进行轴流风扇/压气机转子设计，能够提高叶片对气流的做功能力，转速不变可增加增压比、增压比不变可降低转速，并且维持转子效率不变甚至提高。不变甚至提高。不变甚至提高。


技术研发人员：周正贵 叶新龙 郑欢
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.07.14
技术公布日：2021/10/19