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。
技术实现要素：
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；
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。
进一步地，中弧线叶片角在叶片前缘处等于叶型进口构造角，在叶片尾缘处等于叶型出口构造角，其余位置中弧线叶片角根据扩压器喉道尺寸和/或通道流动控制需要任意调整。
进一步地，叶片的前缘沿切向呈“c”型的弯曲外形。
进一步地，采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠步骤中，沿积叠线切向弯曲设计，即叶片适当往压力面倾斜，调整扩压器展向负荷分布。
进一步地，通过中弧线叶片角的局部调整，便捷地调整扩压器喉道尺寸沿叶高方向的分布，以抑制甚至消除叶片通道内流动分离及低能流体堆积，并优化负荷沿流道分布，降低流动损失，实现更高的扩压效率。
进一步地，通过叶片进口构造角的调整，更好的适应叶轮出口非均匀流动，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。
根据本发明的另一方面，提供一种扩压器弯扭叶片，该扩压器弯扭叶片采用上述的方法设计生成。
根据本发明的另一方面，还提供一种扩压器，包括扩压器轮毂及设于扩压器轮毂上的扩压器弯扭叶片，扩压器弯扭叶片采用上述的方法设计生成。
进一步地，扩压器为径向扩压器或者斜向扩压器。
根据本发明的另一方面，还提供一种离心压气机，包括离心叶轮及设于离心叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的径向扩压器。
根据本发明的另一方面，还提供一种斜流压气机，包括斜流叶轮及设于斜流叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的斜向扩压器。
本发明具有以下有益效果：
本发明叶片式扩压器、其叶片设计方法及离心/斜流压气机，改变了传统的直叶片扩压器的设计，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，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例扩压器弯扭叶片设计方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例中扩压器造型截面示意图；
图3是本发明优选实施例中弧线叶片角沿子午弦长的分布示意图；
图4是本发明优选实施例中叶型厚度沿子午弦长的分布示意图；
图5是本发明优选实施例中回转面叶型的示意图，其中，(a)为子午面示意图，(b)为轴向视图极坐标示意图，(c)为造型界面示意图；
图6是本发明优选实施例弯扭叶片扩压器的整体结构示意图；
图7是本发明优选实施例弯扭叶片扩压器的局部结构示意图；
图8是本发明优选实施例离心/斜流压气机扩压器子午位置示意图；
图9是本发明优选实施例中改进前后的斜流压气机流量-压比特性对比示意图；
图10是本发明优选实施例中改进前后的斜流压气机流量-效率特性对比示意图；
图11是本发明优选实施例中改进前后的斜向扩压器总压恢复系数对比示意图；
图12是本发明优选实施例中改进前后的回流器总压恢复系数对比示意图；
图13是本发明优选实施例中优化前斜流压气机设计工况点流动性能示意图；
图14是本发明优选实施例优化后斜流压气机设计工况点流动性能示意图；
图15是本发明优选实施例扩压器叶片积叠线近机匣区域切向弯结构示意图；
图16是本发明优选实施例中切向弯曲前流动示意图；
图17是本发明优选实施例切向弯曲后流动示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明的优选实施例提供了一种扩压器弯扭叶片设计方法，将叶片设计为沿其展向呈弯扭形状的径向/斜向扩压器叶片，以解决离心/斜流叶轮出口流动延展向的不均匀性导致的扩压器攻角损失大的问题，同时通过控制扩压器叶片沿流动方向的型线变化，改善扩压器叶片通道内流动及扩压器出口流场品质，减小扩压器叶型损失、二次流损失以及可能出现的激波损失，从而提高扩压器总压恢复系数、增加压气机效率与稳定工作范围，对高压比离心/斜流压气机气动设计更有优势。参照图1，本实施例设计方法包括以下步骤：
步骤s100，设定扩压器轮毂子午流道与机匣子午流道；
步骤s200，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；
步骤s300，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；
步骤s400，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；
步骤s500，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。
具体地，参见图2，首先，给出径向/斜向扩压器轮毂子午流道1与机匣子午流道2，此处的扩压器轮毂子午流道1与机匣子午流道2可以根据扩压器的设计性能进行相应设计，是压气机设计的关键，参照常规的设计规则进行设计即可；根据叶型要求生成指定叶高位置的各造型截面子午流道线3；然后根据中弧线叶片角β沿子午弦长的分布(参见图3)，拟合出造型截面回转面叶型中弧线4(参见图5)，基于此中弧线，叠加给定的叶型厚度d沿子午弦长的分布(参见图4)、并添加前缘、尾缘，获得回转面叶型5；最后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。
图6示出了本发明优选实施例弯扭叶片扩压器的整体结构示意图。应用上述设计方法得到的弯扭叶片，改变了传统的直叶片扩压器的设计，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，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。
本实施例中，参见图5，中弧线叶片角定义β＝atan(rdθ/dm)，其在叶片前缘处等于叶型进口构造角α1，在叶片尾缘处等于叶型出口构造角α2，其余位置中弧线叶片角β根据扩压器喉道尺寸6和/或通道流动控制需要任意调整。
本实施例设计方法，优选地，在保持扩压器叶片进口半径r3不变的前提下，通过造型截面中弧线叶片角调整，得到沿切向呈“c”型的弯曲前缘，达到了与前缘线前掠类似的流动控制效果，即叶片的前缘沿切向呈“c”型的弯曲外形(参见图7)，该外形完全基于造型截面叶型中弧线叶片角调整获得，并不改变扩压器叶片进口半径r3值，从而未改变扩压器无叶段半径比，避免了采用前掠设计导致的过小的无叶段半径比引起叶轮高周疲劳破坏的缺陷。本实施例弯扭叶片，其具有沿切向呈“c”型的弯曲前缘，能够实现类似管式扩压器的流动控制效果，更好地实现叶轮与扩压器的匹配设计，对高压比离心/斜流压气机设计优势更加突出。
优选地，本实施例中，采用尾缘积叠的方式完成扩压器叶片展向积叠步骤中，沿积叠线切向弯曲设计，即叶片适当往压力面倾斜，调整扩压器展向负荷分布。
优选地，根据尖部马赫数低，根部马赫数高，通过中弧线叶片角的局部调整，使得尖部喉道面积增大，根部喉道面积减小，以抑制甚至消除叶片通道内流动分离及低能流体堆积，并优化负荷沿流道分布，降低流动损失，实现更高的扩压效率。
优选地，通过所述叶片进口构造角的调整，可更好的适应叶轮出口非均匀流动，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器的性能得到较大提升。
根据本发明的另一方面，还提供一种叶片式扩压器，包括扩压器轮毂及设于扩压器轮毂上的弯扭叶片，弯扭叶片采用上述实施例方法设计生成。本实施例中，叶片式扩压器为径向扩压器或者斜向扩压器。
本实施例叶片扩压器与管式扩压器相比，其具备以下优点：
1)、本实施例的设计方法为常规叶片式扩压器设计方法的一种改进，能够沿用目前已具备丰富经验参数的常规叶片式扩压器设计准则；
2)、本实施例可直接给定扩压器叶片叶型进口构造角α1，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；
3)、本实施例设计得到的扩压器叶片可采用与常规叶片式扩压器的加工工艺及计量检测方法。
本实施例叶片扩压器与掠扭式叶片扩压器相比，其具备以下优点：
1)、本实施例保持扩压器叶片进口半径不变，通过造型截面叶型叶片角调整，得到沿切向呈“c”型的弯曲前缘，达到了与前缘线前掠类似的流动控制效果；
2)、本实施例设计方法基于常规叶片设计方法改进，在流动控制方面更加直观便捷。
根据本发明的另一方面，还提供一种离心压气机，包括离心叶轮及设于离心叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的径向扩压器。
根据本发明的另一方面，还提供一种斜流压气机，包括斜流叶轮及设于斜流叶轮下游的扩压器，扩压器为上述的斜向扩压器。
图8示出了本发明优选实施例离心/斜流压气机扩压器子午位置示意图，其中，径向扩压器与离心压气机对应，斜向扩压器与斜流压气机对应。
本实施例的扩压器弯扭叶片及其设计方法已通过了三维数值模拟及压气机部件试验验证。
将本实施例设计方法应用于某紧凑型斜流压气机的扩压器弯扭叶片，试验性能达到了设计预期。与采用常规直叶片扩压器相比，采用本实施例弯扭叶片后，能够更好的适应叶轮出口非均匀流动，即减少了扩压器进口根部负攻角和尖部正攻角，扩压器内部流场明显变好，通道后部堵塞减少，气动有效面积增加，降低了扩压器出口半径，使得扩压器半径比r4/r3从常规的1.45左右减小至1.267；并且由于扩压器进口采用了呈“c”型的弯曲前缘，扩压器在非设计点性能也有较大提升。
将本实施例设计方法应用于压比5一级的斜流压气机扩压器气动优化。采用弯扭叶片优化后，将扩压器叶片数由原始的21片减为19片，且保证了扩压器堵塞流量不变。三维数值模拟显示，优化后扩压器设计点总压恢复系数有近0.4个百分点的提升、在整个工作范围内均有0.2-0.3个百分点的提升，回流器损失也有所降低；压气机设计点至近喘点范围效率均有约0.3个百分点的提升，喘振裕度增加1个百分点(参见图9至图12)。此外通过叶片角优化消除了原始扩压器设计点5％叶高叶栅通道流动分离(参见图13、图14)，使得优化后的弯扭叶片对气流压气机设计工况点流动性能得到改善。
优选地，本实施例还涉及到扩压器叶片积叠线切向弯设计。通过叶片积叠线切向弯设计，将在整个弦长范围形成切向弯曲的气动外形，对于尾缘积叠的三维叶片，切向弯特征在尾缘表现的更为直观(参见图15)。切向弯设计有助于叶片出口段近端壁区域堆积的低能流体的展向迁移，可有效消除出口段端壁区域流动分离(参见图16、图17)。
本实施例通过叶片三维设计获得沿展向呈弯扭形状的叶片式扩压器，在叶片前缘形成沿切向的“c”型弯曲，能够产生类似于管式扩压器的流动控制作用；同时可通过造型截面回转面叶型叶片角的任意调整，简便地控制扩压器叶片喉道尺寸、组织叶片通道内流场结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。