具有非对称端壁的单级轴流高压压气机的制作方法

本公开涉及一种单级轴流高压压气机。

背景技术：

随着航空技术的极大发展，研究人员也在探索发动机各部件性能的极限。作为发动机核心部件之一，压气机的设计以及优化是研究者们持续关注的话题。而随着轴流压气机级压比提高，压气机不断向低展弦比和高负荷方向发展，这使得压气机端壁附面层的厚度占据整个流道的比例不断增大，端区流动分离和堵塞现象变得更加突出，造成压气机效率下降，严重时还会引起压气机的旋转失速。因而，采取合适的方法来减少压气机中流动的分离和堵塞，是提高压气机负荷的有效途径。

针对端区的附面层以及流动分离和堵塞现象，通过流动控制方法，在一定程度上可以取得较好效果，但是流动控制方法通常结构相对复杂，成本较高。与之相对的是通过改变流道的几何形状来对流动进行改善，也就是进行压气机的端壁造型优化。端壁造型在涡轮中应用较为成功，但由于逆压梯度存在，端壁造型在压气机中的应用仍处于探索阶段。研究发现轴对称端壁造型在一定程度上能够控制压气机流道内的流向逆压梯度，进而抑制角区分离，减小压气机二次流损失。但是，由于压气机通道还存在横向压力梯度，导致通道涡从叶片压力面流向吸力面过程中极容易发生角区分离，造成二次流损失的增加。因而，如何控制压气机流道内横向压力梯度，是减小二次流损失，提升压气机性能的关键因素。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种单级轴流高压压气机，其包括具有非对称端壁的轮毂，非对称端壁通过扫掠在叶片通道内构建的造型线获得，该造型线为非轴对称曲线，并采用三角函数构建。

根据本公开的至少一个实施方式，三角函数包括第一三角函数和第二三角函数。

根据本公开的另一个实施方式，第一三角函数构建的造型线的第一部分靠近叶片通道的吸力面，并且第一部分呈凹形。

根据本公开的又一个实施方式，第二三角函数构建的造型线的第二部分靠近叶片通道的压力面，并且第二部分呈凸形。

根据本公开的又一个实施方式，第一部分长1/4周期；以及第二部分长1/4周期。

根据本公开的又一个实施方式，三角函数为

式(1)中，上式为第一三角函数，下式为第二三角函数，r为造型线上的造型点距离压气机圆心的距离，r1为压气机轮毂参考半径，θ为任意造型点相对于造型起始点旋转过的角度，θ1为第一部分与第二部分的交点，θ0为从造型起始点到造型结束点旋转过的角度，a1为第一三角函数的振幅，a1＝k1×r1，a2为第二三角函数的振幅，a2＝k2×r1，其中，θ1、k1和k2为造型线的控制参数。

根据本公开的又一个实施方式，造型线包括3条，3条造型线与叶片通道的起始线和终止线将叶片通道沿轴向分为4等份；以及3条造型线从起始线起依次为第一造型线、第二造型线和第三造型线。

根据本公开的又一个实施方式，第一造型线的控制参数为θ1＝0.072、k1＝0.007和k2＝0.011。

根据本公开的又一个实施方式，第二造型线的控制参数为θ1＝0.007、k1＝0.017和k2＝0.001。

根据本公开的又一个实施方式，第三造型线的控制参数为θ1＝0.051、k1＝0.016和k2＝0.012。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是根据本公开至少一个实施方式的非对称端壁区示意图。

图2是根据本公开至少一个实施方式的造型线示意图。

图3是根据本公开至少一个实施方式的单级轴流高压压气机的立体图。

图4是根据本公开至少一个实施方式的单级轴流高压压气机的绝热效率图。

图5是根据本公开至少一个实施方式的单级轴流高压压气机的总压比图。

图6是根据本公开至少一个实施方式的优化前单级轴流高压压气机的转子叶片吸力面极限流线图。

图7是根据本公开至少一个实施方式的具有非对称端壁的单级轴流高压压气机的转子叶片吸力面极限流线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种单级轴流高压压气机，其包括具有非对称端壁的轮毂，非对称端壁通过扫掠在叶片通道内构建的造型线获得，该造型线为非轴对称曲线，并采用三角函数构建。

下面将详细叙述造型线的构建过程。首先，在获取任意压气机三维造型之后，分别提取出叶片与轮毂的几何参数。然后，通过五条线将单个叶片通道沿轴向分为四等分，如图1所示即为单个叶片通道非轴对称端壁造型区以及五条线在叶片通道内的位置。为保证压气机叶片前后缘不出现造型间断，叶片通道的起始线1和终止线5，设置为固定线，即在造型过程中保证线1和5形状不变。线2、3和4为造型线，其端点都分别设置于叶片中弧线上，以保证在造型过程中不出现造型间断。这三条造型线从起始线起依次称为第一造型线2、第二造型线3和第三造型线4。接下来，通过扫掠线1、2、3、4和5，在端壁造型区生成整个非对称曲面。最后，通过控制造型线2、3和4的曲率以及振幅变化，进而控制流道的压力梯度变化。

根据本公开另一个实施方式，综合考虑压气机内部流动特征，所采用的三角函数包括第一三角函数和第二三角函数。

根据本公开的又一个实施方式，如图2所示，第一三角函数构建的造型线的第一部分靠近叶片通道的吸力面，并且第一部分呈凹形。

根据本公开的又一个实施方式，如图2所示，第二三角函数构建的造型线的第二部分靠近叶片通道的压力面，并且第二部分呈凸形。

根据本公开的又一个实施方式，如图2所示，第一部分长1/4周期；以及第二部分长1/4周期。

图2为第一造型线2所截取的平面，图中r1为压气机轮毂参考半径，黑色区域为压气机叶片，虚线aob则为第一造型线2，其由两条三角函数曲线构成。其中，ao为第一条三角函数曲线，即第一造型线2的第一部分，长为1/4周期，振幅为a1；ob为第二条三角函数曲线，即第一造型线2的第二部分，长为1/4周期，振幅为a2。由于叶片吸力面处压力较低，因而为使气流减速增压，设置ao三角函数曲线向下凹陷；而叶片压力面处压力较高，因而为使气流增速减压，设置ob三角函数曲线向上凸起。这样，通过两条三角函数曲线的上下凹凸，就可以实现压气机流道的横向压力梯度平衡。同理，第二造型线3和第三造型线4也分别由类似上下凹凸的两条三角函数曲线构成。

根据本公开的又一个实施方式，三角函数为

式(1)中，上式为第一三角函数，下式为第二三角函数，r为造型线上的造型点距离压气机圆心的距离，r1为压气机轮毂参考半径，θ为任意造型点相对于造型起始点(图2中a点)旋转过的角度，θ1对应第一部分与第二部分的交点，即图2中o点，θ0为从造型起始点到造型结束点旋转过的角度，其值与叶片数目n有关，公式为：

这样，通过构建两个三角函数曲线，就可以把几何造型与物理流动特征对应起来。其中，调节两个函数的振幅a1和a2即可调节流道几何造型变化的幅值，方便进行后续的结构强度校验调节。同时，几何造型幅值的变化也决定了流道横向压力梯度的幅值，这也在一定程度上决定了二次流发展的强度。通过调节θ1的值，即可调节流道横向压力梯度的分布，方便控制二次流的横向发展。因此，θ1、a1和a2为造型线的控制参数。同理，分别调节第二造型线3和第三造型线4对应的振幅以及θ1的值，即可调节压气机的端壁形状，进而控制二次流沿轴向的发展规律以及掺混。

为保证公式适用性，对a1和a2进行无量纲处理，得到：

这样，造型线的控制参数为θ1、k1和k2，三条造型线共有3×3＝9个控制参数。

最后，通过给定恰当的第一造型线2、第二造型线3和第三造型线4的9个控制参数值，可以获得最佳的非对称端壁造型。

根据本公开的又一个实施方式，第一造型线2的控制参数为θ1＝0.072、k1＝0.007和k2＝0.011。

根据本公开的又一个实施方式，第二造型线3的控制参数为θ1＝0.007、k1＝0.017和k2＝0.001。

根据本公开的又一个实施方式，第三造型线4的控制参数为θ1＝0.051、k1＝0.016和k2＝0.012。

各控制参数的最优取值列于表1中。

表1各控制参数取值

为减小压气机内二次流损失，抑制角区分离，本公开采用非对称端壁造型，通过给定恰当的控制参数，得出具有非对称端壁的单级高压压气机，如图3所示。

通过与原始压气机造型对比，如图4和图5所示，可以发现具有非对称端壁的单级轴流高压压气机在保证压比不下降的条件下，绝热效率在整个工作范围内都有所提高，特别是在设计点处压气机效率提升了0.61％；同时，压气机整个工作范围增大，压气机裕度得到大幅度提高。

图6和图7分别为非对称端壁造型前、后单级轴流高压压气机在最高效率点处转子叶片吸力面的极限流线图。可以看到，在造型之前，如图6所示，由于压气机横向压力梯度较高，进而导致了较为剧烈的横向迁移，迁移的流体与吸力面上游的流体互相掺混，发展成为通道涡。通道涡随流向叶尖方向发展，在抵达叶片尾缘之前就已经发展到叶尖，形成了全叶高的通道涡，造成了较大的二次流损失。而在造型之后，如图7所示，由于横向压力梯度的减小，气流的横向迁移较为缓慢，这减小了流体之间的掺混，也使得通道涡的强度减小。

本公开提供了一种具有非对称端壁的单级轴流高压压气机，其通过非对称端壁造型函数，并调节造型函数参数，进而得到最佳的端壁造型，用以控制调节压气机叶栅通道的横向压力梯度，最终实现减小二次流损失的目的。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。