[发明专利]掠扭式三维叶片扩压器及设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是离心或斜流压气机的掠扭式三维叶片扩压器及设计方法，可以适应展向非均匀的跨声速入流条件，减小扩压器内流动损失，从而使压气机能达到更高的效率和压比，属于径流式压气机技术领域。

背景技术

半个世纪以来，动力装置不断发展，功重比要求不断提高，且同时要求尽量减小部件数量、缩小部件尺寸以减轻重量，这就需要提高离心（或斜流）压气机单级压比。在现有对离心压气机压比不断提高的要求下，扩压器进口马赫数将达到1.0左右，声速入流会导致扩压器半无叶区内形成激波。激波的存在与附面层相互作用加剧扩压器内分离的产生与发展，降低了扩压器扩压能力及效率，使得整个压气机性能急剧下降。

高负荷离心压气机叶轮出口处由于叶片从根部到尖部滑移程度和流场结构差异都很大，使得扩压器面临着展向差异明显的非均匀入流。现有扩压器采用进口段沿展向叶片角相同的直拉伸叶片（图1），这种叶片适应于均匀来流，对于速度和气流角沿展向大幅度变化的来流存在很大的损失。

速度沿展向的大幅度变化导致扩压器进口流场同时包括了亚声速和超声速区域，促发三维激波面，激波与叶片表面附面层相互作用促进吸力面流动分离，造成严重的流动损失，因此控制激波强度及位置对于提高扩压器性能有重要意义。

来流气流角沿展向的大幅度变化使得叶片沿展向的攻角也大幅度变化，造成依据平均气流角设计的扩压器近叶尖处于大的正攻角状态而叶根具有大的负攻角。近叶尖处大的正攻角状态会导致吸力面气流分离，并且这种情况使得近叶尖位置进口至喉道收缩程度增加，吸力面局部加速引发强激波，强激波与附面层干扰引发分离，分离的产生及发展导致扩压器扩压能力下降流动损失增加，且减小扩压器的工作范围；近叶根处存在较大的负攻角会导致压力面形成低速区甚至分离，导致载荷亏损。（附图2说明了攻角沿展向非均匀的流动特点。）。

发明内容

本发明提出的是一种掠扭式三维叶片扩压器及设计方法，其目的是综合适应展向非均匀跨声速入流特征，有效地控制激波位置及强度，减弱激波与附面层的相互作用，消除叶尖和叶根由于存在较大的攻角导致流动分离或者载荷亏损等流动状态，使得叶片沿展向一直处于最佳的攻角范围内，同时沿程控制通道的面积变化调节扩压程度，从而获得高性能扩压器。

本发明的技术解决方案：掠扭式三维叶片扩压器，其结构是叶片前缘形状设计成掠形，叶片适应来流展向不同气流角而扭转，主叶片从进口至轴向出口设计为三维整体结构，通道后段设有分流叶片。

掠扭式三维叶片扩压器的设计方法，包括如下步骤：

1）将扩压器通道沿展向（即叶高方向），分为n（n≥5）个截面，相邻截面之间组成一个单元通道；

2）掠形前缘构造

通过掠角，该掠角定义为轴向Z与叶片前缘曲线每点切线所夹的锐角，逆时针为正，反之为负，掠角在±45°范围内，沿展向分布得到叶片掠形的前缘曲线，从而确定n个截面的子午流道前缘进口直径； 

3）通道构造角给定

根据来流气流角分布，确定各个截面进口处相应的叶片角，以各个截面的进口叶片角为基础给出相应的通道构造角分布；

4）单元通道设计

通道设计时通过相邻两个截面将整个扩压器通道分为n-1个单元通道，然后针对各个单元通道进行设计，如附图6所示。根据步骤3）中给出的构成单元通道的两截面各自的通道构造角分布结合子午流道确定通道中心线；给定通道截面面积沿通道中心线变化确定单元通道形状；通过通道面积和通道构造角转化成通道的实际周向面积沿子午流道分布，则子午流道回转形成的环形的一个周期面积与实际面积之间的差值即为叶片，叶片中弧线与通道中心线形状相同，且两截面叶片厚度相同；

5）截面叶片修正

根据步骤4）完成n-1个单元通道设计后，除了截面1和截面n外其余截面叶片厚度皆存在两个值，取两者的平均值为该截面的叶片厚度；经上述处理后确定了n个截面的叶片形状，则获得包含扭转特征的一系列叶型；截掉每个截面小于步骤2）中相应截面子午流道进口直径的叶片，将每个叶片前缘重新倒圆，得到一系列叶型；

6）掠扭主叶片和分流叶片设计生成

将获得的n各截面上叶型拟合成三维掠扭叶片，截取叶片尾缘至前方30%～80%长度处的叶片，减薄形成分流叶片，完成掠/扭叶片式扩压器设计。