本發(fā)明涉及離心壓氣機領(lǐng)域，尤其涉及一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、離心式壓氣機因其結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、單級壓比高等特點，成為微小型航空發(fā)動機的理想選擇，其擴壓器一般由徑向擴壓器、轉(zhuǎn)彎段與軸向擴壓器構(gòu)成。通常，離心葉輪出口氣流為跨音速，需要由徑向擴壓器將高速氣流盡快減速，使氣流動能高效地轉(zhuǎn)化為壓力勢能，因此需要有足夠長的葉片通道，這使得壓氣機直徑較大，且氣流在曲率較大的轉(zhuǎn)彎段迅速轉(zhuǎn)向并摻混，使得轉(zhuǎn)彎段損失較大，而葉片彎曲程度較大且長度較短的軸向擴壓器也容易引起氣流分離，使得出口氣流均勻性較低。

2、如圖1，對于微小型渦噴發(fā)動機，擴壓器出口半徑r4決定了整機直徑，從而決定發(fā)動機迎風(fēng)面積，也影響了發(fā)動機的重量和體積。在不改變發(fā)動機性能的情況下，減小r4可以使其迎風(fēng)面積減小，同時降低結(jié)構(gòu)重量。引入?yún)?shù)——相對迎風(fēng)面積ζ=r42/(?r1s2-?r1h2),即離心壓氣機的迎風(fēng)面積與進(jìn)氣面積比，其中r1s為葉輪機匣進(jìn)口半徑，r1h為葉輪輪轂進(jìn)口半徑，該參數(shù)可一定程度上反映該離心壓氣機在相似進(jìn)氣面積下的迎風(fēng)面積。經(jīng)過調(diào)研，如圖1(a)所示，發(fā)現(xiàn)大部分常規(guī)構(gòu)型離心壓氣機的相對迎風(fēng)面積ζ為6至9左右。而某型離心壓氣機相對迎風(fēng)面積僅為3.22，該壓氣機采用通道式擴壓器，非常規(guī)葉片構(gòu)型，徑向段與軸向段融為一體，通道轉(zhuǎn)彎半徑小、徑向段長度極短，氣流在減速增壓的同時由徑向轉(zhuǎn)向軸向，擴壓器空間利用率較高，但是由于轉(zhuǎn)向半徑較小，造成氣流分離損失較大，如圖1(b)所示。

3、根據(jù)眾多學(xué)者研究，離心壓氣機葉輪出口與擴壓器前緣的徑向間距對壓氣機性能有較大影響，較小的徑向間距可以提高壓氣機效率和壓比，但是由于轉(zhuǎn)靜子之間氣流干涉作用較強，轉(zhuǎn)靜葉片在周期性氣動力作用下可能會產(chǎn)生振動、疲勞甚至斷裂，影響發(fā)動機壽命。引入?yún)?shù)——葉輪和擴壓器相對徑向間距 ξ=?(r3-?r2)/r2，即葉輪和擴壓器徑向間距與葉輪出口半徑的比值，其中r3為擴壓器前緣半徑，r2為葉輪出口半徑，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大部分常規(guī)構(gòu)型離心壓氣機（如圖1(a)所示） ξ為0.03至0.1。某型離心壓氣機（如圖1(b)所示） ξ約為0.01，但該型離心壓氣機擴壓器葉片壽命較短，通常在葉根處存在裂紋，推測為相對徑向間距過小、轉(zhuǎn)靜子之間氣流干涉作用較強導(dǎo)致。

4、為努力追求小型化，已有學(xué)者提出將擴壓器徑向葉片與軸向葉片相融合的設(shè)計方法，即一體式葉片擴壓器或保型通道式擴壓器，這是近幾年才被提出的一種新型擴壓器，對其研究還處于起步階段，目前針對該型擴壓器的優(yōu)化是通過改變單個變量如面積變化率或通道構(gòu)造角，對于其設(shè)計優(yōu)化準(zhǔn)則還有待深入研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，旨在減小離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ，增大葉輪與擴壓器相對徑向間距ξ。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，包含以下步驟：

4、步驟1），根據(jù)給定的葉輪出口半徑r2，由預(yù)設(shè)的相對徑向間距 ξ=?(r3-?r2)/r2，確定擴壓器前緣半徑r3；根據(jù)預(yù)設(shè)的離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ=r42/(?r1s2-?r1h2)，其中r1s為葉輪機匣進(jìn)口半徑，r1h為葉輪輪轂進(jìn)口半徑，獲得擴壓器出口半徑r4；

5、步驟2），根據(jù)擴壓器前緣半徑r3、擴壓器進(jìn)口寬度、擴壓器出口半徑r4、輪轂出口半徑構(gòu)造輪轂曲線與機匣曲線，均前緣為徑向、后緣為軸向；機匣曲線的前段由徑向轉(zhuǎn)為軸向且后段為平直段；輪轂曲線為含3個中間控制點的bezier曲線，呈s型，輪轂中段半徑高于輪轂出口半徑；接著根據(jù)輪轂曲線、機匣曲線完成子午面流道設(shè)計；

6、步驟3），設(shè)計擴壓器葉片進(jìn)口角、出口角，建立輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線，輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線定義方式均采用葉片角度，且均采用含中間2至3個控制點的bezier曲線；

7、步驟4），根據(jù)強度要求定義輪轂截面、機匣截面的葉型厚度分布，然后分別由輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線向兩邊對稱構(gòu)造得到輪轂截面、機匣截面的葉型；

8、步驟5），由輪轂截面、機匣截面的葉型通過直紋面法獲得輪轂截面、機匣截面的三維葉片形狀，完成擴壓器參數(shù)化造型設(shè)計；

9、步驟6），將輪轂曲線的bezier曲線控制點、輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線的bezier曲線控制點作為設(shè)計參數(shù)設(shè)計出初始擴壓器；

10、步驟7），通過輪轂曲線的bezier曲線控制點調(diào)整初始擴壓器的輪轂最高點的半徑大小，獲得最優(yōu)性能下的初始擴壓器的輪轂曲線，完成輪轂曲線優(yōu)化；

11、步驟8），將經(jīng)過輪轂曲線優(yōu)化后的擴壓器流道分為三段：通過葉片前緣作平面1與相鄰葉片吸力面垂直，將平面1之前的流道區(qū)域稱為前段，在離葉片后緣約30%葉片弦長處作平面2，平面1與平面2之間的流道區(qū)域稱為中段，將平面2之后的流道區(qū)域稱為后段；

12、步驟9），通過調(diào)整進(jìn)口角或者輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線前段的bezier曲線控制點，獲得目標(biāo)流量，完成輪轂截面、機匣截面的前段葉片優(yōu)化；

13、步驟10），通過調(diào)整輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線中段的bezier曲線控制點，獲得最優(yōu)喘振裕度，完成輪轂截面、機匣截面的中段葉片優(yōu)化；

14、步驟11），調(diào)整輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線后段的bezier曲線控制點，獲得目標(biāo)氣流出口角，完成輪轂截面、機匣截面的后段葉片優(yōu)化，最終完成擴壓器優(yōu)化。

15、作為本發(fā)明一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)設(shè)的相對徑向間距 ξ取1.03。

16、作為本發(fā)明一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述預(yù)設(shè)的離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ的范圍為3-5。

17、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

18、本發(fā)明在保型通道式擴壓器基礎(chǔ)上，提出一種新型的離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，能夠減小離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ，增大葉輪與擴壓器相對徑向間距ξ，使得壓氣機性能參數(shù)有所上升。

技術(shù)特征：

1.一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，其特征在于，包含以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)的相對徑向間距ξ取1.03。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)的離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ的范圍為3-5。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種離心壓氣機擴壓器設(shè)計方法，首先確定擴壓器前緣半徑R<subgt;3</subgt;和擴壓器出口半徑R<subgt;4</subgt;，構(gòu)造出輪轂曲線與機匣曲線，并根據(jù)輪轂曲線、機匣曲線完成子午面流道設(shè)計；然后設(shè)計擴壓器葉片進(jìn)口角、出口角，建立輪轂截面、機匣截面的葉片中弧線，并構(gòu)造得到輪轂截面、機匣截面的葉型；通過直紋面法獲得輪轂截面、機匣截面的三維葉片形狀，完成擴壓器參數(shù)化造型設(shè)計；接著設(shè)計出初始擴壓器并和離心葉輪匹配形成壓氣機；最后通過修改擴壓器造型參數(shù)，優(yōu)化壓氣機性能。本發(fā)明能夠減小離心壓氣機相對迎風(fēng)面積ζ，增大葉輪與擴壓器相對徑向間距ξ，使得壓氣機性能參數(shù)有所上升。

技術(shù)研發(fā)人員：徐一帆,李傳鵬,孫高晴,陳宇新,孟悅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9