[发明专利]一种离心压气机叶轮及其设计方法

说明书

本发明公开了一种离心压气机叶轮及其设计方法，通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制。该种方法能够分别优化气流在不同叶片通道内受到的不同气动不平衡力，通过不同倾斜角施加不同的叶片力，合理平衡由轮毂指向机匣的展向压力梯度和由压力面指向吸力面的周向压力梯度，从而以更好的效果分别抑制不同叶片通道内低速高熵流体在机匣附近以及在吸力面附近的聚集，进而改善了离心叶轮内部的二次流结构并提高了出口流场均匀性。该种叶片构型结构相对简单、易于加工，特别适用于各类中小型燃气轮机及中小型航空发动机离心压气机。

技术领域

本发明属于中小型航空发动机/燃气轮机压气机技术领域，涉及一种离心压气机叶轮，具体涉及一种控制离心叶轮流动的主叶片与分流叶片具有不同叶片倾斜角分布的离心叶轮。通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制。

背景技术

离心压气机因其具有单级增压能力强、结构紧凑、可靠性高等优点，广泛应用于中小型燃气轮机及中小型航空发动机，图1所示为典型的离心压气机结构，通常情况下，离心叶轮10的出口外围布置有扩压器20。然而，离心压气机相比轴流压气机，由于具有叶片通道长、叶片通道曲率大、单级压比高等特点，往往具有更差的气动性能。气流在离心叶轮叶片通道内受到叶轮旋转产生的离心力和科氏力的作用，极易在叶片表面发生边界层分离，从而在叶片通道内形成显著的二次流与回流，进一步在叶轮出口形成“射流—尾迹”的流动结构，其中尾迹区主要集中在机匣与叶片吸力面附近。叶轮出口的“射流—尾迹”流动结构，不仅仅造成了叶轮本身效率的降低，也严重影响了叶轮下游的扩压器工作性能。

因此，离心叶轮内部流动的好坏在决定了叶轮本身效率的同时，也限制了离心压气机整体的工作性能与裕度。一直以来，人们为改善离心叶轮出口的“射流—尾迹”流场结构提出了多种解决方案，如通过叶片出口的后弯在叶片通道内对气流作用一与科氏力方向相反的叶片力，从而抑制低速高熵流体的周向迁移和在吸力面一侧的聚集；或者通过在叶片中后部采用C型分布，施加叶片力，从而抑制机匣侧流体分离和低速高熵流体的聚集。这些措施虽然能够在一定程度上改善叶轮出口流场的均匀性，提高离心压气机的性能，但随着离心压气机设计压比的逐渐提高，这些流动控制手段控制叶轮出口“射流—尾迹”流动结构的效果已经不能满足离心压气机的设计要求，因此，有必要进一步发展改善叶轮出口不均匀流场的流动控制结构。

发明内容

针对现有技术的上述需求，为进一步发展改善离心叶轮出口不均匀流场的流动控制结构，本发明提供了一种主叶片与分流叶片具有不同倾斜角的离心叶轮，通过对离心叶轮的分流叶片与主叶片进行倾斜角的分别造型来实现对叶片通道内部气流的控制，能够分别优化气流在不同叶片通道内受到的不同气动不平衡力，通过不同倾斜角施加不同的叶片力，合理平衡由轮毂指向机匣的展向压力梯度和由压力面指向吸力面的周向压力梯度，从而以更好的效果分别抑制不同叶片通道内低速高熵流体在机匣附近以及在吸力面附近的聚集，进而改善了离心叶轮内部的二次流结构并提高了出口流场均匀性。

本发明为实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种离心压气机叶轮，包括轮毂以及沿周向均布设置在所述轮毂上的多个主叶片，所述轮毂上还设有多个分流叶片，各所述主叶片在流向上由叶轮入口延伸至叶轮出口，相邻两所述主叶片之间形成主叶片通道，每一所述主叶片通道中均至少设置一所述分流叶片，各所述分流叶片在流向上由离心叶轮的中部延伸至叶轮出口，所述分流叶片与其两侧的叶片之间分别形成不同分流叶片通道，其特征在于，

从所述离心叶轮的中部至叶轮出口，所述分流叶片与主叶片在叶轮径向部分拥有不同的倾斜角分布曲线，所述分别改善分流叶片两侧的分流叶片通道内具有畸变程度不同的流场，所述分流叶片的倾斜角分布曲线应保证气流在其两侧的分流叶片通道中受到不同的叶片力分别减弱通道中由压力面指向吸力面的周向压力梯度和由轮毂指向机匣的压力梯度。