一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法
【專利摘要】本發明涉及一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，初始壓氣機中的擴壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線及前后緣圍成的區域為一個周期；單個周期內僅改變兩個控制點的坐標，采用NURBS曲面來構造一對幅值相等的凹凸結構，擴壓器通道的橫截面積不變。本發明減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，兼顧離心壓氣機的工作特性與擴壓器通道的內部流動細節，在擴壓器葉片易于產生角區分離處生成凹凸化的端壁型面；通過幾何結構的變化，橫向壓力梯度得以減小，同時加速后的低能流體分離減弱，流動更加順暢；采用此端壁處理的壓氣機總壓損失大幅降低，進而峰值效率和壓比相應地提升。
【專利說明】
一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法
技術領域
[0001] 本發明涉及離心壓氣機擴壓器通道內部的二次流動控制領域，具體涉及一種有效 減小擴壓器分離損失的端壁處理方法。
【背景技術】
[0002] 離心壓氣機結構緊湊、單級壓比高且穩定工作范圍寬，大量應用于增壓比不大和 流量較小的燃氣渦輪發動機。目前高負荷的離心壓氣機壓比可以達到6~8以上，其中葉輪 效率高達90%，但擴壓器容易產生分離渦團而嚴重制約整體性能，因此壓氣機的總效率僅 為80%。要提高整個穩定工作范圍內擴壓器的性能，邊界層厚度必須得到有效控制，以盡量 減小分離損失。目前廣泛應用的方法有低稠度擴壓器、進口角度可調葉片、串列葉柵和抽吸 附面層技術等，主要從擴壓器葉片的結構上做出改進。然而這類方法所得擴壓器的結構相 對復雜，增加了設計和制造的難度。非軸對稱端壁則采用流動控制的方式，將常規軸對稱端 壁壓力面一側上凸而吸力面一側下凹以減小通道壓力差，從而抑制二次流動并減小損失。
[0003] 早在1975年，Morris首先提出通過優化端壁的三維造型來降低流動損失的概念。 1994年，Rose針對渦輪靜葉葉柵進行非對稱端壁造型，使通道內的橫向靜壓不均勻性下降 70%。2008年，Harvey等通過對平面葉柵的實驗，并對多級軸流壓氣機開展數值模擬研究， 結果表明非軸對稱端壁能夠有效抑制葉柵通道內的二次流，從而降低氣體流動損失。國內 的學者李國君，在2005年提出了一種三角函數造型方法，并將其應用到跨聲速葉柵。數值仿 真結果表明，在葉柵的128%軸向弦長位置二次流明顯減弱，進而其總壓損失降低了4.7%。 后續針對壓氣機的眾多研究，進一步證明了非軸對稱端壁對壓氣機依然具有優化效果，但 是針對離心壓氣機擴壓器的研究幾乎為空白。
[0004] 西北工業大學的劉波教授，在2012年中國專利第102536329號說明書中公開了一 種壓氣機/渦輪環形葉柵的非軸對稱端壁造型方法，通過將三角函數與Bizier曲線相結合， 可以構造具有若干凹部和凸部的非軸對稱端壁。其中具有一個凹部和一個凸部的端壁結 構，使得渦輪環形葉柵的總壓損失系數降低了 8.98%，二次流損失明顯降低。但是該方法構 造的控制曲線函數較為復雜，實際應用中操作性相對較差，且僅在渦輪中驗證了優化效果。
[0005] 鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終于獲得了本創作。
【發明內容】
[0006] 針對【背景技術】中存在的不足，本發明提供了一種減小擴壓器分離損失的端壁處理 方法。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，初始壓 氣機中的擴壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線及前后緣圍成的區域為一個 周期;單個周期內僅改變兩個控制點的坐標，采用NURBS曲面來構造一對幅值相等的凹凸結 構，擴壓器通道的橫截面積不變。
[0008] 進一步地，單個周期內的端壁處理過程包括以下步驟：
[0009] 步驟1:對單個周期內的端壁造型區域進行參數化；
[0010] 步驟2:在上述步驟1提出的造型區域內，改變控制點的坐標來構造凹凸結構，凹凸 幅值保持一致，使得通道截面積與初始端壁相等；
[0011] 步驟3:根據步驟2所得到的控制點，采用NURBS曲面法構造非軸對稱端壁型面，其 具有一對幅值相等的凹凸結構。
[0012] 進一步地，相鄰兩葉片葉型中弧線及前后緣限定的端壁范圍，由五條定位曲線上 的25個控制點來確定其幾何結構；
[0013] 五條曲線分別為〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線，(： 1、(：2和(：3為三條 與中弧線平行的曲線；
[0014] 每條曲線上均勻分布5個控制點，通過改變這25個點的位置，調整端壁形狀。
[0015] 進一步地，對曲線Ci、C3的中點施加大小相同的軸向擾動Δ Z ;此時經調整后Pi '、 P3'的軸向坐標分別為< =' + Δζ和之=6 - Δζ。
[0016] 進一步地，軸向擾動Δ ζ取值范圍：Δ ζ彡50%葉高。
[0017] 進一步地，端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點確定的NURBS曲線，此類曲線在 起點和終點具有幾何連續性，同時保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在徑向的光滑過 渡。
[0018] 本發明提供的一種有效減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其優點及功效在 于：
[0019] 1)造型方法靈活便捷，僅需改變一個參數值Δζ，即可構造不同凹凸幅值的非軸對 稱端壁結構；
[0020] 2)造型前后的擴壓器通道橫截面積，與初始結構保持一致，最大程度減小對流量 的影響；
[0021] 3)有效抑制葉片式擴壓器的角區分離，通過優化端壁附近的流場，減小壓力分布 的不均勻性，降低流動損失。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的離心壓氣機結構示意圖；
[0023] 圖2為本發明的端壁參數化控制點分布圖；
[0024] 圖3為本發明的徑向和周向端壁控制曲線；
[0025]圖4為本發明的非軸對稱端壁三維示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。
[0027] 本發明將一種非軸對稱端壁結構應用到擴壓器中，以減小通道內部的流動分離損 失。運用合理的幾何控制方式，靈活便捷地構造出不同凹凸幅值的端壁結構。在不影響壓氣 機穩定工作流量范圍的前提下，通過調整通道內的壓力分布，抑制角區分離并降低二次流 動損失，進而提尚壓氣機效率。
[0028] 本發明的處理方法為:初始壓氣機中的擴壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩 葉片中弧線及前后緣圍成的區域為一個周期;單個周期內僅改變兩個控制點的坐標，采用 NURBS曲面來構造一對幅值相等的凹凸結構，擴壓器通道的橫截面積不變。
[0029]單個周期內的端壁處理過程包括以下步驟：
[0030] 實施例1:本實施例在擴壓器葉根，即輪轂處進行端壁造型。初始壓氣機中的擴壓 器端壁為平面，以相鄰兩葉片中弧線及前后緣圍成的區域為一個造型周期。本實施例構造 的結構，在單個周期內出現一對幅值相同的凹、凸區域。
[0031] 葉根處(輪轂)的非軸對稱端壁結構按照以下步驟造型：
[0032] 步驟1:首先對單個周期內的端壁造型區域進行參數化。相鄰兩葉片葉型中弧線及 前后緣限定的輪轂端壁范圍，可以由五條定位曲線上的25個控制點來確定其幾何結構。五 條曲線分別為0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線，(：1、(：2和(：3為三條與中弧線平 行的曲線。每條曲線上均勻分布5個控制點，通過改變這25個點的位置，即可靈活地調整端 壁形狀；
[0033]步驟2:在步驟1提出的造型區域內，改變控制點的坐標來構造凹凸結構。為了保證 流量不受太大影響，凹凸幅值保持一致，使得通道截面積與初始端壁相等。同時考慮到通道 上下游和相鄰造型周期見的曲面連續性，僅對曲線Ci、C 3的中點（控制點Pi、P3)施加大小相 同的軸向擾動A Z，本實施例中取值為Δ Z = 30 %葉高。此時經調整后?! '、P3 '的軸向坐標分 別為5 = A + Δζ和- Δζ;
[0034] 步驟3:根據步驟2所得到的控制點，采用NURBS曲面法構造非軸對稱端壁型面，其 具有一對幅值相等的凹凸結構。端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點確定的NURBS曲線， 此類曲線在起點和終點具有幾何連續性，可同時保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在 徑向的光滑過渡。
[0035] 實施例2:本實施例在擴壓器葉尖，即機匣處進行端壁造型。采用與實施例1相同的 方法進行，僅在步驟2中略有不同。本實施例中的軸向擾動取值為△ z = 30 %葉高。
[0036] 步驟1:首先對單個周期內的端壁造型區域進行參數化。相鄰兩葉片葉型中弧線及 前后緣限定的機匣端壁范圍，可以由五條定位曲線上的25個控制點來確定其幾何結構。五 條曲線分別為0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線，(：1、(：2和(：3為三條與中弧線平 行的曲線。每條曲線上均勻分布5個控制點，通過改變這25個點的位置，即可靈活地調整端 壁形狀；
[0037]步驟2:在步驟1提出的造型區域內，改變控制點的坐標來構造凹凸結構。為了保證 流量不受太大影響，凹凸幅值保持一致，使得通道截面積與初始端壁相等。同時考慮到通道 上下游和相鄰造型周期見的曲面連續性，僅對曲線Ci、C 3的中點（控制點Pi、P3)施加大小相 同的軸向擾動A Z，本實施例中取值為Δ Z = 30 %葉高。此時經調整后?! '、P3 '的軸向坐標分 別為< =5 + Δζ和= ζ3 - Δζ;
[0038]步驟3:根據步驟2所得到的控制點，采用NURBS曲面法構造非軸對稱端壁型面，其 具有一對幅值相等的凹凸結構。端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點確定的NURBS曲線， 此類曲線在起點和終點具有幾何連續性，可同時保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在 徑向的光滑過渡。
[0039]上述詳細說明是針對本發明其中之一可行實施例的具體說明，該實施例并非用以 限制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明所為的等效實施或變更，均應包含于本發明技術 方案的范圍內。
【主權項】
1. 一種減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，初始壓氣機中的擴壓器端 壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線及前后緣圍成的區域為一個周期；單個周期內 僅改變兩個控制點的坐標，采用NURBS曲面來構造一對幅值相等的凹凸結構，擴壓器通道的 橫截面積不變。2. 根據權利要求1所述的減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，單個周期 內的端壁處理過程包括以下步驟： 步驟1:對單個周期內的端壁造型區域進行參數化； 步驟2:在上述步驟1提出的造型區域內，改變控制點的坐標來構造凹凸結構，凹凸幅值 保持一致，使得通道截面積與初始端壁相等； 步驟3:根據步驟2所得到的控制點，采用NURBS曲面法構造非軸對稱端壁型面，其具有 一對幅值相等的凹凸結構。3. 根據權利要求2所述的減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，相鄰兩葉 片葉型中弧線及前后緣限定的端壁范圍，由五條定位曲線上的25個控制點來確定其幾何結 構； 五條曲線分別為〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線，(： 1、(：2和(：3為三條與中 弧線平行的曲線； 每條曲線上均勻分布5個控制點，通過改變這25個點的位置，調整端壁形狀。4. 根據權利要求3所述的減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，對曲線&、 C3的中點施加大小相同的軸向擾動ΔΖ;此時經調整后PAft'的軸向坐標分別為Ζ1'= Ζ1+Δ Ζ和Ζ ' 3 = Ζ3_ Δ Ζ 〇5. 根據權利要求4所述的減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，軸向擾動 A ζ取值范圍：Δ ζ彡50%葉高。6. 根據權利要求4所述的減小擴壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，端壁曲面 的周向和徑向上，分別是由5點確定的NURBS曲線，此類曲線在起點和終點具有幾何連續性， 同時保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在徑向的光滑過渡。
【文檔編號】F04D29/44GK106089806SQ201610378402
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】周莉, 向鳳光, 王占學, 史經緯, 張明陽, 程穩
【申請人】西北工業大學