一种离心压气机扩压器设计方法

本发明涉及离心压气机领域，尤其涉及一种离心压气机扩压器设计方法。

背景技术：

1、离心式压气机因其结构简单、加工成本低、单级压比高等特点，成为微小型航空发动机的理想选择，其扩压器一般由径向扩压器、转弯段与轴向扩压器构成。通常，离心叶轮出口气流为跨音速，需要由径向扩压器将高速气流尽快减速，使气流动能高效地转化为压力势能，因此需要有足够长的叶片通道，这使得压气机直径较大，且气流在曲率较大的转弯段迅速转向并掺混，使得转弯段损失较大，而叶片弯曲程度较大且长度较短的轴向扩压器也容易引起气流分离，使得出口气流均匀性较低。

2、如图1，对于微小型涡喷发动机，扩压器出口半径r4决定了整机直径，从而决定发动机迎风面积，也影响了发动机的重量和体积。在不改变发动机性能的情况下，减小r4可以使其迎风面积减小，同时降低结构重量。引入参数——相对迎风面积ζ=r42/( r1s2- r1h2),即离心压气机的迎风面积与进气面积比，其中r1s为叶轮机匣进口半径，r1h为叶轮轮毂进口半径，该参数可一定程度上反映该离心压气机在相似进气面积下的迎风面积。经过调研，如图1(a)所示，发现大部分常规构型离心压气机的相对迎风面积ζ为6至9左右。而某型离心压气机相对迎风面积仅为3.22，该压气机采用通道式扩压器，非常规叶片构型，径向段与轴向段融为一体，通道转弯半径小、径向段长度极短，气流在减速增压的同时由径向转向轴向，扩压器空间利用率较高，但是由于转向半径较小，造成气流分离损失较大，如图1(b)所示。

3、根据众多学者研究，离心压气机叶轮出口与扩压器前缘的径向间距对压气机性能有较大影响，较小的径向间距可以提高压气机效率和压比，但是由于转静子之间气流干涉作用较强，转静叶片在周期性气动力作用下可能会产生振动、疲劳甚至断裂，影响发动机寿命。引入参数——叶轮和扩压器相对径向间距 ξ= (r3- r2)/r2，即叶轮和扩压器径向间距与叶轮出口半径的比值，其中r3为扩压器前缘半径，r2为叶轮出口半径，经过调研，发现大部分常规构型离心压气机（如图1(a)所示） ξ为0.03至0.1。某型离心压气机（如图1(b)所示） ξ约为0.01，但该型离心压气机扩压器叶片寿命较短，通常在叶根处存在裂纹，推测为相对径向间距过小、转静子之间气流干涉作用较强导致。

4、为努力追求小型化，已有学者提出将扩压器径向叶片与轴向叶片相融合的设计方法，即一体式叶片扩压器或保型通道式扩压器，这是近几年才被提出的一种新型扩压器，对其研究还处于起步阶段，目前针对该型扩压器的优化是通过改变单个变量如面积变化率或通道构造角，对于其设计优化准则还有待深入研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种离心压气机扩压器设计方法，旨在减小离心压气机相对迎风面积ζ，增大叶轮与扩压器相对径向间距ξ。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种离心压气机扩压器设计方法，包含以下步骤：

4、步骤1），根据给定的叶轮出口半径r2，由预设的相对径向间距 ξ= (r3- r2)/r2，确定扩压器前缘半径r3；根据预设的离心压气机相对迎风面积ζ=r42/( r1s2- r1h2)，其中r1s为叶轮机匣进口半径，r1h为叶轮轮毂进口半径，获得扩压器出口半径r4；

5、步骤2），根据扩压器前缘半径r3、扩压器进口宽度、扩压器出口半径r4、轮毂出口半径构造轮毂曲线与机匣曲线，均前缘为径向、后缘为轴向；机匣曲线的前段由径向转为轴向且后段为平直段；轮毂曲线为含3个中间控制点的bezier曲线，呈s型，轮毂中段半径高于轮毂出口半径；接着根据轮毂曲线、机匣曲线完成子午面流道设计；

6、步骤3），设计扩压器叶片进口角、出口角，建立轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线，轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线定义方式均采用叶片角度，且均采用含中间2至3个控制点的bezier曲线；

7、步骤4），根据强度要求定义轮毂截面、机匣截面的叶型厚度分布，然后分别由轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线向两边对称构造得到轮毂截面、机匣截面的叶型；

8、步骤5），由轮毂截面、机匣截面的叶型通过直纹面法获得轮毂截面、机匣截面的三维叶片形状，完成扩压器参数化造型设计；

9、步骤6），将轮毂曲线的bezier曲线控制点、轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线的bezier曲线控制点作为设计参数设计出初始扩压器；

10、步骤7），通过轮毂曲线的bezier曲线控制点调整初始扩压器的轮毂最高点的半径大小，获得最优性能下的初始扩压器的轮毂曲线，完成轮毂曲线优化；

11、步骤8），将经过轮毂曲线优化后的扩压器流道分为三段：通过叶片前缘作平面1与相邻叶片吸力面垂直，将平面1之前的流道区域称为前段，在离叶片后缘约30%叶片弦长处作平面2，平面1与平面2之间的流道区域称为中段，将平面2之后的流道区域称为后段；

12、步骤9），通过调整进口角或者轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线前段的bezier曲线控制点，获得目标流量，完成轮毂截面、机匣截面的前段叶片优化；

13、步骤10），通过调整轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线中段的bezier曲线控制点，获得最优喘振裕度，完成轮毂截面、机匣截面的中段叶片优化；

14、步骤11），调整轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线后段的bezier曲线控制点，获得目标气流出口角，完成轮毂截面、机匣截面的后段叶片优化，最终完成扩压器优化。

15、作为本发明一种离心压气机扩压器设计方法进一步的优化方案，所述预设的相对径向间距 ξ取1.03。

16、作为本发明一种离心压气机扩压器设计方法进一步的优化方案，所述预设的离心压气机相对迎风面积ζ的范围为3-5。

17、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

18、本发明在保型通道式扩压器基础上，提出一种新型的离心压气机扩压器设计方法，能够减小离心压气机相对迎风面积ζ，增大叶轮与扩压器相对径向间距ξ，使得压气机性能参数有所上升。

技术特征：

1.一种离心压气机扩压器设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的离心压气机扩压器设计方法，其特征在于，所述预设的相对径向间距ξ取1.03。

3.根据权利要求1所述的离心压气机扩压器设计方法，其特征在于，所述预设的离心压气机相对迎风面积ζ的范围为3-5。

技术总结本发明公开了一种离心压气机扩压器设计方法，首先确定扩压器前缘半径R<subgt;3</subgt;和扩压器出口半径R<subgt;4</subgt;，构造出轮毂曲线与机匣曲线，并根据轮毂曲线、机匣曲线完成子午面流道设计；然后设计扩压器叶片进口角、出口角，建立轮毂截面、机匣截面的叶片中弧线，并构造得到轮毂截面、机匣截面的叶型；通过直纹面法获得轮毂截面、机匣截面的三维叶片形状，完成扩压器参数化造型设计；接着设计出初始扩压器并和离心叶轮匹配形成压气机；最后通过修改扩压器造型参数，优化压气机性能。本发明能够减小离心压气机相对迎风面积ζ，增大叶轮与扩压器相对径向间距ξ，使得压气机性能参数有所上升。技术研发人员：徐一帆,李传鹏,孙高晴,陈宇新,孟悦受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9