一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。本发明减小扩压器分离损失的端壁处理方法，兼顾离心压气机的工作特性与扩压器通道的内部流动细节，在扩压器叶片易于产生角区分离处生成凹凸化的端壁型面；通过几何结构的变化，横向压力梯度得以减小，同时加速后的低能流体分离减弱，流动更加顺畅；采用此端壁处理的压气机总压损失大幅降低，进而峰值效率和压比相应地提升。
【专利说明】
一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及离心压气机扩压器通道内部的二次流动控制领域，具体涉及一种有效 减小扩压器分离损失的端壁处理方法。
【背景技术】
[0002] 离心压气机结构紧凑、单级压比高且稳定工作范围宽，大量应用于增压比不大和 流量较小的燃气涡轮发动机。目前高负荷的离心压气机压比可以达到6~8以上，其中叶轮 效率高达90%，但扩压器容易产生分离涡团而严重制约整体性能，因此压气机的总效率仅 为80%。要提高整个稳定工作范围内扩压器的性能，边界层厚度必须得到有效控制，以尽量 减小分离损失。目前广泛应用的方法有低稠度扩压器、进口角度可调叶片、串列叶栅和抽吸 附面层技术等，主要从扩压器叶片的结构上做出改进。然而这类方法所得扩压器的结构相 对复杂，增加了设计和制造的难度。非轴对称端壁则采用流动控制的方式，将常规轴对称端 壁压力面一侧上凸而吸力面一侧下凹以减小通道压力差，从而抑制二次流动并减小损失。
[0003] 早在1975年，Morris首先提出通过优化端壁的三维造型来降低流动损失的概念。 1994年，Rose针对涡轮静叶叶栅进行非对称端壁造型，使通道内的横向静压不均匀性下降 70%。2008年，Harvey等通过对平面叶栅的实验，并对多级轴流压气机开展数值模拟研究， 结果表明非轴对称端壁能够有效抑制叶栅通道内的二次流，从而降低气体流动损失。国内 的学者李国君，在2005年提出了一种三角函数造型方法，并将其应用到跨声速叶栅。数值仿 真结果表明，在叶栅的128%轴向弦长位置二次流明显减弱，进而其总压损失降低了4.7%。 后续针对压气机的众多研究，进一步证明了非轴对称端壁对压气机依然具有优化效果，但 是针对离心压气机扩压器的研究几乎为空白。
[0004] 西北工业大学的刘波教授，在2012年中国专利第102536329号说明书中公开了一 种压气机/涡轮环形叶栅的非轴对称端壁造型方法，通过将三角函数与Bizier曲线相结合， 可以构造具有若干凹部和凸部的非轴对称端壁。其中具有一个凹部和一个凸部的端壁结 构，使得涡轮环形叶栅的总压损失系数降低了 8.98%，二次流损失明显降低。但是该方法构 造的控制曲线函数较为复杂，实际应用中操作性相对较差，且仅在涡轮中验证了优化效果。
[0005] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
【发明内容】
[0006] 针对【背景技术】中存在的不足，本发明提供了一种减小扩压器分离损失的端壁处理 方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，初始压 气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个 周期;单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结 构，扩压器通道的横截面积不变。
[0008] 进一步地，单个周期内的端壁处理过程包括以下步骤：
[0009] 步骤1:对单个周期内的端壁造型区域进行参数化；
[0010] 步骤2:在上述步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构，凹凸 幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等；
[0011] 步骤3:根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其 具有一对幅值相等的凹凸结构。
[0012] 进一步地，相邻两叶片叶型中弧线及前后缘限定的端壁范围，由五条定位曲线上 的25个控制点来确定其几何结构；
[0013] 五条曲线分别为〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4为两条叶型中弧线，(： 1、(：2和(：3为三条 与中弧线平行的曲线；
[0014] 每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，调整端壁形状。
[0015] 进一步地，对曲线Ci、C3的中点施加大小相同的轴向扰动Δ Z ;此时经调整后Pi '、 P3'的轴向坐标分别为< =' + Δζ和之=6 - Δζ。
[0016] 进一步地，轴向扰动Δ ζ取值范围：Δ ζ彡50%叶高。
[0017] 进一步地，端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在 起点和终点具有几何连续性，同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过 渡。
[0018] 本发明提供的一种有效减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其优点及功效在 于：
[0019] 1)造型方法灵活便捷，仅需改变一个参数值Δζ，即可构造不同凹凸幅值的非轴对 称端壁结构；
[0020] 2)造型前后的扩压器通道横截面积，与初始结构保持一致，最大程度减小对流量 的影响；
[0021] 3)有效抑制叶片式扩压器的角区分离，通过优化端壁附近的流场，减小压力分布 的不均匀性，降低流动损失。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的离心压气机结构示意图；
[0023] 图2为本发明的端壁参数化控制点分布图；
[0024] 图3为本发明的径向和周向端壁控制曲线；
[0025]图4为本发明的非轴对称端壁三维示意图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0027] 本发明将一种非轴对称端壁结构应用到扩压器中，以减小通道内部的流动分离损 失。运用合理的几何控制方式，灵活便捷地构造出不同凹凸幅值的端壁结构。在不影响压气 机稳定工作流量范围的前提下，通过调整通道内的压力分布，抑制角区分离并降低二次流 动损失，进而提尚压气机效率。
[0028] 本发明的处理方法为:初始压气机中的扩压器端壁均为平面，端壁造型以相邻两 叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期;单个周期内仅改变两个控制点的坐标，采用 NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的横截面积不变。
[0029]单个周期内的端壁处理过程包括以下步骤：
[0030] 实施例1:本实施例在扩压器叶根，即轮毂处进行端壁造型。初始压气机中的扩压 器端壁为平面，以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个造型周期。本实施例构造 的结构，在单个周期内出现一对幅值相同的凹、凸区域。
[0031] 叶根处(轮毂)的非轴对称端壁结构按照以下步骤造型：
[0032] 步骤1:首先对单个周期内的端壁造型区域进行参数化。相邻两叶片叶型中弧线及 前后缘限定的轮毂端壁范围，可以由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构。五 条曲线分别为0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4为两条叶型中弧线，(：1、(：2和(：3为三条与中弧线平 行的曲线。每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，即可灵活地调整端 壁形状；
[0033]步骤2:在步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构。为了保证 流量不受太大影响，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等。同时考虑到通道 上下游和相邻造型周期见的曲面连续性，仅对曲线Ci、C 3的中点（控制点Pi、P3)施加大小相 同的轴向扰动A Z，本实施例中取值为Δ Z = 30 %叶高。此时经调整后?! '、P3 '的轴向坐标分 别为5 = A + Δζ和- Δζ;
[0034] 步骤3:根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其 具有一对幅值相等的凹凸结构。端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线， 此类曲线在起点和终点具有几何连续性，可同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在 径向的光滑过渡。
[0035] 实施例2:本实施例在扩压器叶尖，即机匣处进行端壁造型。采用与实施例1相同的 方法进行，仅在步骤2中略有不同。本实施例中的轴向扰动取值为△ z = 30 %叶高。
[0036] 步骤1:首先对单个周期内的端壁造型区域进行参数化。相邻两叶片叶型中弧线及 前后缘限定的机匣端壁范围，可以由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结构。五 条曲线分别为0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4为两条叶型中弧线，(：1、(：2和(：3为三条与中弧线平 行的曲线。每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，即可灵活地调整端 壁形状；
[0037]步骤2:在步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构。为了保证 流量不受太大影响，凹凸幅值保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等。同时考虑到通道 上下游和相邻造型周期见的曲面连续性，仅对曲线Ci、C 3的中点（控制点Pi、P3)施加大小相 同的轴向扰动A Z，本实施例中取值为Δ Z = 30 %叶高。此时经调整后?! '、P3 '的轴向坐标分 别为< =5 + Δζ和= ζ3 - Δζ;
[0038]步骤3:根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其 具有一对幅值相等的凹凸结构。端壁曲面的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线， 此类曲线在起点和终点具有几何连续性，可同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在 径向的光滑过渡。
[0039]上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以 限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术 方案的范围内。
【主权项】
1. 一种减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，初始压气机中的扩压器端 壁均为平面，端壁造型以相邻两叶片中弧线及前后缘围成的区域为一个周期；单个周期内 仅改变两个控制点的坐标，采用NURBS曲面来构造一对幅值相等的凹凸结构，扩压器通道的 横截面积不变。2. 根据权利要求1所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，单个周期 内的端壁处理过程包括以下步骤： 步骤1:对单个周期内的端壁造型区域进行参数化； 步骤2:在上述步骤1提出的造型区域内，改变控制点的坐标来构造凹凸结构，凹凸幅值 保持一致，使得通道截面积与初始端壁相等； 步骤3:根据步骤2所得到的控制点，采用NURBS曲面法构造非轴对称端壁型面，其具有 一对幅值相等的凹凸结构。3. 根据权利要求2所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，相邻两叶 片叶型中弧线及前后缘限定的端壁范围，由五条定位曲线上的25个控制点来确定其几何结 构； 五条曲线分别为〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4为两条叶型中弧线，(： 1、(：2和(：3为三条与中 弧线平行的曲线； 每条曲线上均匀分布5个控制点，通过改变这25个点的位置，调整端壁形状。4. 根据权利要求3所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，对曲线&、 C3的中点施加大小相同的轴向扰动ΔΖ;此时经调整后PAft'的轴向坐标分别为Ζ1'= Ζ1+Δ Ζ和Ζ ' 3 = Ζ3_ Δ Ζ 〇5. 根据权利要求4所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，轴向扰动 A ζ取值范围：Δ ζ彡50%叶高。6. 根据权利要求4所述的减小扩压器分离损失的端壁处理方法，其特征在于，端壁曲面 的周向和径向上，分别是由5点确定的NURBS曲线，此类曲线在起点和终点具有几何连续性， 同时保证相邻造型周期在周向和通道上下游在径向的光滑过渡。
【文档编号】F04D29/44GK106089806SQ201610378402
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】周莉, 向凤光, 王占学, 史经纬, 张明阳, 程稳
【申请人】西北工业大学