一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法

1.本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法。


背景技术：

2.在中小型航空发动机领域，由于离心压气机具有单级压比高、零部件少、结构紧凑、可靠性高和抗外物撞击能力强等一系列优势，得到了广泛应用。随着对航空发动机性能的更高要求，使得对于压气机的压比要求愈来愈高，然而，高压比带来的后果使得离心压气机出口气流不均匀性大大提高，并且由于离心压气机结构十分紧凑，气流需要在十分短的距离内从径向转变为轴向，使得离心压气机内部流场的组织十分困难。传统的叶片式扩压器为分离的轴向段和径向段，从而在气流转弯的时候存在着强烈的转折，甚至滞止。由此，提出了一种新型有叶扩压器——保形通道式扩压器，研究结果表明，保形通道扩压器的压力系数，总压恢复系数和静压比均高于常规叶片扩压器。
3.目前，保形扩压器叶片的设计方法是针对通道直接进行设计，通过对通道高度分布、通道截面面积、叶片数、以及轮毂、机匣的通道构造角分布进行确定，则能从通道进口到通道出口构造出完整的保形通道，相邻通道之间即为叶片。
4.然而，由于对通道进行直接设计流程较为复杂，设计周期长，由于通道的复杂性，对于微型发动机，设计的复杂度过高，加工也将更加困难，对于通道的设计较为复杂，使得优化通道比较困难。因此，需要一种快速简便的造型方法，保留保形通道叶片对于流场控制的优点，且易于后续优化。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，简单快捷，在保留保形扩压器叶形结构的基础上，简化设计流程，并且使得设计周期更短，对后续扩压器性能参数化优化提供支持。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，包含以下步骤：步骤1），根据扩压器进出口流量守恒及压比关系式计算出扩压器进出口面积，根据扩压器进出口面积和尺寸要求确定出机匣面与轮毂面；步骤2），根据与扩压器匹配的转子出口速度计算出扩压器进口速度角，选取叶片叶形，并将叶型旋转使得扩压器进口速度角与转子出口速度角匹配，形成保形通道叶片的二维叶型；步骤3），将二维叶型沿轴向延展拉伸，使得二维叶形的吸力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线a、b，二维叶形的压力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线c、d；步骤4），对曲线a、b进行直纹面造型得到目标吸力面；对曲线c、d进行直纹面造型得到目标压力面，进而通过目标吸力面和目标压力面形成保形通道叶片；
步骤5），将保形通道叶片沿周向阵列，得到扩压器所有的保形通道叶片。
7.作为本发明一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法进一步的优化方案，所述步骤2）中选取的叶片叶形为钝头、圆头、尖头中的任意一种。
8.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、结构简单，造型方便，只需通过设计机匣线、轮毂线、二维叶型即可确定保形通道叶片。
9.2、可以参数化优化扩压器，从二维叶型上有诸多叶片参数可以用于参数化优化。
附图说明
10.图1为机匣线、轮毂线的子午流道面图；图2为二维叶片与机匣轮毂线俯视图；图3为二维叶片与三维机匣轮毂面的关系图；图4为二维叶片延展后与机匣轮毂面相交所得示意图；图5为三维叶片周期性阵列图；图6为叶片叶形分别采用钝头、圆头、尖头形成的保形通道叶片的阵列对比图。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
12.本发明公开了一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，包含以下步骤：步骤1），如图1所示，根据扩压器进出口流量守恒及压比关系式计算出扩压器进出口面积，根据扩压器进出口面积和尺寸要求确定出机匣面与轮毂面，机匣面与轮毂面之间即为流道，箭头指向为流向；步骤2），根据与扩压器匹配的转子出口速度计算出扩压器进口速度角，选取叶片叶形，并将叶型旋转使得扩压器进口速度角与转子出口速度角匹配，形成保形通道叶片的二维叶型。二维叶型俯视图，机匣线、轮毂线与二维叶型位置关系如图2所示，机匣面、轮毂面与二维叶型在三维坐标轴中的位置如图3所示。
13.步骤3），将二维叶型沿轴向延展拉伸，使得二维叶形的吸力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线a、b，二维叶形的压力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线c、d；步骤4），对曲线a、b进行直纹面造型得到目标吸力面；对曲线c、d进行直纹面造型得到目标压力面，进而通过目标吸力面和目标压力面形成保形通道叶片，如图4所示。
14.步骤5），将保形通道叶片沿周向阵列，得到扩压器所有的保形通道叶片，如图5所示，得到完整的扩压器。
15.本发明的自由度较大，核心在于由初始流量压比设计参数及尺寸要求对机匣轮毂的确定，以及确定进气角后二维叶型的选择，不同二维叶型延展后与机匣轮毂有着不同的相交线，可形成不同的保形通道叶片。原理即为二维叶型延展拉伸到机匣轮毂上形成不同
交线，再用直纹面造型即可。在更高要求叶片设计时，不同叶高上的流动参数不同，类似于轴流压气机，可将机匣轮毂形成的流道沿叶高等分，不同叶高位置选取相同叶型，不同的进气角，从而实现叶片的扭向。
16.步骤2）中选取的叶片叶形可以是钝头、圆头、尖头中的任意一种，图6为叶片叶形分别采用钝头、圆头、尖头形成的保形通道叶片的阵列对比图。
17.本发明本质上是一种快速造型方法，能够大大减小工程设计量，使得中小型航空发动机均可以快速造型并且进行优化。
18.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
19.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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：
1.一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1），根据扩压器进出口流量守恒及压比关系式计算出扩压器进出口面积，根据扩压器进出口面积和尺寸要求确定出机匣面与轮毂面；步骤2），根据与扩压器匹配的转子出口速度计算出扩压器进口速度角，选取叶片叶形，并将叶型旋转使得扩压器进口速度角与转子出口速度角匹配，形成保形通道叶片的二维叶型；步骤3），将二维叶型沿轴向延展拉伸，使得二维叶形的吸力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线a、b，二维叶形的压力面分别和机匣面、轮毂面相交得到曲线c、d；步骤4），对曲线a、b进行直纹面造型得到目标吸力面；对曲线c、d进行直纹面造型得到目标压力面，进而通过目标吸力面和目标压力面形成保形通道叶片；步骤5），将保形通道叶片沿周向阵列，得到扩压器所有的保形通道叶片。2.根据权利要求1所述的离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，其特征在于，所述步骤2）中选取的叶片叶形为钝头、圆头、尖头中的任意一种。

技术总结
本发明公开了一种离心压气机扩压器保形通道叶片快速造型方法，首先，根据扩压器进出口流量守恒及压比关系式计算出扩压器进出口面积，再结合尺寸要求确定出机匣面与轮毂面；然后根据与扩压器匹配的转子出口速度计算出扩压器进口速度角，选取叶片叶形，并将叶型旋转使得扩压器进口速度角与转子出口速度角匹配，形成保形通道叶片的二维叶型；接着将二维叶型沿轴向延展拉伸并进行直纹面造型得到目标吸力面、目标压力面，进而得到保形通道叶片；最后将保形通道叶片沿周向阵列，得到扩压器所有的保形通道叶片。本发明简单快捷，在保留保形扩压器叶形结构的基础上，简化设计流程，并且使得设计周期更短，对后续扩压器性能参数化优化提供支持。优化提供支持。优化提供支持。


技术研发人员：李传鹏 冯杰 程蕾 徐一帆 王志强 屠宝锋 王英锋
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/7/22