一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮制造技术

本发明专利技术涉及一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，本发明专利技术旨在现有加工水平的基础上借助串列叶片式离心叶轮在结构上的独特优势来兼顾跨音速离心叶轮的全三维设计需求和叶轮的加工制造成本，在保留全三维任意空间曲面叶轮设计优势的同时叠加串列叶片式离心叶轮构型的性能收益，实现1+1>2的效果。果。果。

【技术实现步骤摘要】
一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮


[0001]本专利技术属于中小型航空发动机/燃气轮机压气机
，特别涉及一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮。

技术介绍

[0002]压气机技术是航空发动机中最为关键、难度最高的技术之一，其技术水平直接关系到发动机研制的全局。离心压气机是中小型航空发动机的核心部件，在发动机更高推(功)重比的需求牵引下，具有高负荷、高压比和高转速特征的跨音速离心压气机逐渐成为设计主流。然而，跨音速离心压气机一直以来都面临效率和裕度水平较低的设计难题：受限于客观存在的流道剧烈折转和离心力、科氏力的作用，离心叶轮内部流动的三维性较轴流压气机更为强烈，其内部呈现高度不均匀的流场结构并直接恶化其下游扩压器的性能；而在跨音速离心压气机中，流动超音、流场畸变以及叶轮/扩压器匹配关系恶化等问题更为凸显，导致压气机的性能水平大为降低。考虑到离心叶轮内部流动好坏对叶轮自身和下游扩压器性能的决定性作用，从源头突破跨音速离心压气机的性能瓶颈必须着眼于调控叶轮内部的高度畸变流场和强激波系。
[0003]针对离心叶轮内部二次流动带来的流场不均匀问题，人们为采用了多种措施，如：叶片后弯、前倾、抽吸气控制、机匣处理等等，这些措施一方面实现了离心压气机效率和稳定工作裕度的提升，另一方面却使得离心叶轮做功能力减弱，且其作用效果在更高转速和压比的跨音速离心压气机中较为有限或面临瓶颈。针对跨音速离心压气机的激波控制问题，人们发展了全三维任意空间曲面离心叶轮以更好地适应叶轮进口的跨音速来流，然而由于传统离心叶片展弦比较小且流道高度扭曲，全三维任意空间曲面叶轮带来的气动性能收益与叶片加工成本和加工工艺之间仍有较大冲突，迄今为止，全三维任意空间曲面叶轮的实际应用尚未有先例。因此，补充并发展新的离心叶轮流场调控方法是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是：为补充和发展离心叶轮流动控制方法，本专利技术提供了一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型来实现跨音速离心压气机内部高度畸变流场和强激波系的有效调控。串列叶片式离心叶轮将传统离心叶轮的直纹叶片在特定位置分割为前后两排叶片，其中前排叶片称为诱导轮，通常位于轴流段；后排叶片称为工作轮，通常位于径向段，且前/后排叶片的相对位置可进行优化调整。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，包括位于诱导轮叶片1、工作轮叶片2，其在轮毂壁面3和机匣壁面4的合围下形成一个气流通道，且其上游为压气机进口4，下游为扩压器5，串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。
[0006]本专利技术进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。
[0007]本专利技术进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片和工作轮叶片载荷分布即叶片角分布可与初始叶轮相一致。
[0008]本专利技术进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面之间的距离与叶片栅距之比＜50％。
[0009]本专利技术进一步的技术方案是：所述诱导轮叶片压力面与工作轮叶片吸力面沿轴向相对布局|ΔX|＜3％C，其中C为叶片弦长。
[0010]专利技术效果
[0011]本专利技术的技术效果在于：相较于传统的单排直纹叶片式离心叶轮构型，串列叶片式离心叶轮构型的优越性体现在如下两个方面：其一，串列叶片式离心叶轮带来的几何结构变化必然会重新组织离心叶轮内部流场和涡系结构，通过对叶轮内部复杂二次流动的调控来改善叶轮出口气流均匀性，进而改善叶轮/扩压器匹配关系；其二，串列叶片式离心叶轮构型中诱导轮部分的独立设计赋予了诱导轮叶片新的设计自由度，可以借鉴先进跨音速轴流压气机叶片的设计经验实现跨音速离心压气机中强激波系的控制，从而得到负荷和效率均较高的全三维复合弯掠诱导轮叶片。可以看到，串列叶轮构型的潜在流动调控效果与跨音速离心压气机的流动控制需求高度吻合，因此具有明确的应用前景。
[0012]本专利技术探索了一种适用于跨音速离心压气机的新型离心叶轮布局，设计出一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型。本专利技术旨在现有加工水平的基础上借助串列叶片式离心叶轮在结构上的独特优势来兼顾跨音速离心叶轮的全三维设计需求和叶轮的加工制造成本，在保留全三维任意空间曲面叶轮设计优势的同时叠加串列叶片式离心叶轮构型的性能收益，实现1+1>2的效果。
附图说明
[0013]图1为子午面结构示意图
[0014]图2为三维机构示意图
[0015]图3为诱导轮叶片“掠”的定义图
[0016]图4为诱导轮叶片“弯”的定义图
[0017]图5为诱导轮和工作轮叶片相对布局示意图
[0018]图6为全三维诱导轮叶片造型的控制截面实例图
[0019]附图标记说明：1
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全三维诱导轮；2
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机匣；3
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轮毂；4
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工作轮；5
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扩压器
具体实施方式
[0020]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0021]参见图1
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图6，本专利技术采用的技术方案为：一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮构型，初始离心叶轮中叶片为沿叶高方向为平直的单排直纹叶片，并以两相邻叶片所围区域为一个周期。本专利技术将初始离心叶轮的单排叶片在特定的串列分割位置
分割为前后两排串列式叶片，其中前排叶片即诱导轮叶片采用全三维造型方法，后排叶片即工作轮叶片仍采用传统的直纹面叶片。
[0022]该种叶片结构的变化一方面重新组织和调控了离心叶轮内部二次流动结构，抑制了叶片通道内低能流体在叶尖及吸力面附近的堆积，改善离心叶轮内部及下游扩压器的流动状况；另一方面增加了诱导轮叶片新的设计自由度，通过复合弯掠设计更好地适应和控制叶轮内部的跨音速流动，这些都有利于提升跨音速离心压气机的气动性能，从而实现本专利技术的目的。
[0023]本专利技术所述的串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。
[0024]本专利技术所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片均为完整叶片，即诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。
[0025]本专利技术所述的串列叶片式离心叶轮中，前排诱导轮叶片和后排工作轮叶片载荷分布即叶片角分布可与初始叶轮相一致，也可进行优化调整，实现叶片角在整个叶片弦长范围内的非本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，包括位于诱导轮叶片1、工作轮叶片2，其在轮毂壁面3和机匣壁面4的合围下形成一个气流通道，且其上游为压气机进口4，下游为扩压器5，串列分割位置选取在初始离心叶轮气流通道的轴向至径向转折段，约为20～60％叶片弦长位置。2.如权利要求1所述的一种耦合全三维诱导轮叶片造型的串列叶片式离心叶轮，其特征在于，所述诱导轮叶片带有钝形尾缘，工作轮叶片带有钝形前缘。3.如权利要求1所述的一种耦合全三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：李紫良，冯鲁文，吴艳辉，卢新根，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：