[发明专利]扩压器弯扭叶片及设计方法、扩压器和离心/斜流压气机

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供一种扩压器弯扭叶片设计方法，本发明方法包括：

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；