一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，初始?jí)簹鈾C(jī)中的擴(kuò)壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線(xiàn)及前后緣圍成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)周期；單個(gè)周期內(nèi)僅改變兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，采用NURBS曲面來(lái)構(gòu)造一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器通道的橫截面積不變。本發(fā)明減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，兼顧離心壓氣機(jī)的工作特性與擴(kuò)壓器通道的內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)，在擴(kuò)壓器葉片易于產(chǎn)生角區(qū)分離處生成凹凸化的端壁型面；通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)的變化，橫向壓力梯度得以減小，同時(shí)加速后的低能流體分離減弱，流動(dòng)更加順暢；采用此端壁處理的壓氣機(jī)總壓損失大幅降低，進(jìn)而峰值效率和壓比相應(yīng)地提升。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器通道內(nèi)部的二次流動(dòng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種有效 減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、單級(jí)壓比高且穩(wěn)定工作范圍寬，大量應(yīng)用于增壓比不大和 流量較小的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。目前高負(fù)荷的離心壓氣機(jī)壓比可以達(dá)到6~8以上，其中葉輪 效率高達(dá)90%，但擴(kuò)壓器容易產(chǎn)生分離渦團(tuán)而嚴(yán)重制約整體性能，因此壓氣機(jī)的總效率僅 為80%。要提高整個(gè)穩(wěn)定工作范圍內(nèi)擴(kuò)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(yīng)用的方法有低稠度擴(kuò)壓器、進(jìn)口角度可調(diào)葉片、串列葉柵和抽吸 附面層技術(shù)等，主要從擴(kuò)壓器葉片的結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)。然而這類(lèi)方法所得擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)相 對(duì)復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)和制造的難度。非軸對(duì)稱(chēng)端壁則采用流動(dòng)控制的方式，將常規(guī)軸對(duì)稱(chēng)端 壁壓力面一側(cè)上凸而吸力面一側(cè)下凹以減小通道壓力差，從而抑制二次流動(dòng)并減小損失。
[0003] 早在1975年，Morris首先提出通過(guò)優(yōu)化端壁的三維造型來(lái)降低流動(dòng)損失的概念。 1994年，Rose針對(duì)渦輪靜葉葉柵進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)端壁造型，使通道內(nèi)的橫向靜壓不均勻性下降 70%。2008年，Harvey等通過(guò)對(duì)平面葉柵的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)多級(jí)軸流壓氣機(jī)開(kāi)展數(shù)值模擬研究， 結(jié)果表明非軸對(duì)稱(chēng)端壁能夠有效抑制葉柵通道內(nèi)的二次流，從而降低氣體流動(dòng)損失。國(guó)內(nèi) 的學(xué)者李國(guó)君，在2005年提出了一種三角函數(shù)造型方法，并將其應(yīng)用到跨聲速葉柵。數(shù)值仿 真結(jié)果表明，在葉柵的128%軸向弦長(zhǎng)位置二次流明顯減弱，進(jìn)而其總壓損失降低了4.7%。 后續(xù)針對(duì)壓氣機(jī)的眾多研究，進(jìn)一步證明了非軸對(duì)稱(chēng)端壁對(duì)壓氣機(jī)依然具有優(yōu)化效果，但 是針對(duì)離心壓氣機(jī)擴(kuò)壓器的研究幾乎為空白。
[0004] 西北工業(yè)大學(xué)的劉波教授，在2012年中國(guó)專(zhuān)利第102536329號(hào)說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)了一 種壓氣機(jī)/渦輪環(huán)形葉柵的非軸對(duì)稱(chēng)端壁造型方法，通過(guò)將三角函數(shù)與Bizier曲線(xiàn)相結(jié)合， 可以構(gòu)造具有若干凹部和凸部的非軸對(duì)稱(chēng)端壁。其中具有一個(gè)凹部和一個(gè)凸部的端壁結(jié) 構(gòu)，使得渦輪環(huán)形葉柵的總壓損失系數(shù)降低了 8.98%，二次流損失明顯降低。但是該方法構(gòu) 造的控制曲線(xiàn)函數(shù)較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中操作性相對(duì)較差，且僅在渦輪中驗(yàn)證了優(yōu)化效果。
[0005] 鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐終于獲得了本創(chuàng)作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)【背景技術(shù)】中存在的不足，本發(fā)明提供了一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理 方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，初始?jí)?氣機(jī)中的擴(kuò)壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線(xiàn)及前后緣圍成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè) 周期;單個(gè)周期內(nèi)僅改變兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，采用NURBS曲面來(lái)構(gòu)造一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié) 構(gòu)，擴(kuò)壓器通道的橫截面積不變。
[0008] 進(jìn)一步地，單個(gè)周期內(nèi)的端壁處理過(guò)程包括以下步驟：
[0009] 步驟1:對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的端壁造型區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化；
[0010] 步驟2:在上述步驟1提出的造型區(qū)域內(nèi)，改變控制點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)構(gòu)造凹凸結(jié)構(gòu)，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(jù)步驟2所得到的控制點(diǎn)，采用NURBS曲面法構(gòu)造非軸對(duì)稱(chēng)端壁型面，其 具有一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)。
[0012] 進(jìn)一步地，相鄰兩葉片葉型中弧線(xiàn)及前后緣限定的端壁范圍，由五條定位曲線(xiàn)上 的25個(gè)控制點(diǎn)來(lái)確定其幾何結(jié)構(gòu)；
[0013] 五條曲線(xiàn)分別為〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線(xiàn)，(： 1、(：2和(：3為三條 與中弧線(xiàn)平行的曲線(xiàn)；
[0014] 每條曲線(xiàn)上均勻分布5個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)改變這25個(gè)點(diǎn)的位置，調(diào)整端壁形狀。
[0015] 進(jìn)一步地，對(duì)曲線(xiàn)Ci、C3的中點(diǎn)施加大小相同的軸向擾動(dòng)Δ Z ;此時(shí)經(jīng)調(diào)整后Pi '、 P3'的軸向坐標(biāo)分別為< =' + Δζ和之=6 - Δζ。
[0016] 進(jìn)一步地，軸向擾動(dòng)Δ ζ取值范圍：Δ ζ彡50%葉高。
[0017] 進(jìn)一步地，端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點(diǎn)確定的NURBS曲線(xiàn)，此類(lèi)曲線(xiàn)在 起點(diǎn)和終點(diǎn)具有幾何連續(xù)性，同時(shí)保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在徑向的光滑過(guò) 渡。
[0018] 本發(fā)明提供的一種有效減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，其優(yōu)點(diǎn)及功效在 于：
[0019] 1)造型方法靈活便捷，僅需改變一個(gè)參數(shù)值Δζ，即可構(gòu)造不同凹凸幅值的非軸對(duì) 稱(chēng)端壁結(jié)構(gòu)；
[0020] 2)造型前后的擴(kuò)壓器通道橫截面積，與初始結(jié)構(gòu)保持一致，最大程度減小對(duì)流量 的影響；
[0021] 3)有效抑制葉片式擴(kuò)壓器的角區(qū)分離，通過(guò)優(yōu)化端壁附近的流場(chǎng)，減小壓力分布 的不均勻性，降低流動(dòng)損失。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明的端壁參數(shù)化控制點(diǎn)分布圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明的徑向和周向端壁控制曲線(xiàn)；
[0025]圖4為本發(fā)明的非軸對(duì)稱(chēng)端壁三維示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說(shuō)明。
[0027] 本發(fā)明將一種非軸對(duì)稱(chēng)端壁結(jié)構(gòu)應(yīng)用到擴(kuò)壓器中，以減小通道內(nèi)部的流動(dòng)分離損 失。運(yùn)用合理的幾何控制方式，靈活便捷地構(gòu)造出不同凹凸幅值的端壁結(jié)構(gòu)。在不影響壓氣 機(jī)穩(wěn)定工作流量范圍的前提下，通過(guò)調(diào)整通道內(nèi)的壓力分布，抑制角區(qū)分離并降低二次流 動(dòng)損失，進(jìn)而提尚壓氣機(jī)效率。
[0028] 本發(fā)明的處理方法為:初始?jí)簹鈾C(jī)中的擴(kuò)壓器端壁均為平面，端壁造型以相鄰兩 葉片中弧線(xiàn)及前后緣圍成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)周期;單個(gè)周期內(nèi)僅改變兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，采用 NURBS曲面來(lái)構(gòu)造一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器通道的橫截面積不變。
[0029]單個(gè)周期內(nèi)的端壁處理過(guò)程包括以下步驟：
[0030] 實(shí)施例1:本實(shí)施例在擴(kuò)壓器葉根，即輪轂處進(jìn)行端壁造型。初始?jí)簹鈾C(jī)中的擴(kuò)壓 器端壁為平面，以相鄰兩葉片中弧線(xiàn)及前后緣圍成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)造型周期。本實(shí)施例構(gòu)造 的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)一對(duì)幅值相同的凹、凸區(qū)域。
[0031] 葉根處(輪轂)的非軸對(duì)稱(chēng)端壁結(jié)構(gòu)按照以下步驟造型：
[0032] 步驟1:首先對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的端壁造型區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化。相鄰兩葉片葉型中弧線(xiàn)及 前后緣限定的輪轂端壁范圍，可以由五條定位曲線(xiàn)上的25個(gè)控制點(diǎn)來(lái)確定其幾何結(jié)構(gòu)。五 條曲線(xiàn)分別為0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線(xiàn)，(：1、(：2和(：3為三條與中弧線(xiàn)平 行的曲線(xiàn)。每條曲線(xiàn)上均勻分布5個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)改變這25個(gè)點(diǎn)的位置，即可靈活地調(diào)整端 壁形狀；
[0033]步驟2:在步驟1提出的造型區(qū)域內(nèi)，改變控制點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)構(gòu)造凹凸結(jié)構(gòu)。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(shí)考慮到通道 上下游和相鄰造型周期見(jiàn)的曲面連續(xù)性，僅對(duì)曲線(xiàn)Ci、C 3的中點(diǎn)（控制點(diǎn)Pi、P3)施加大小相 同的軸向擾動(dòng)A Z，本實(shí)施例中取值為Δ Z = 30 %葉高。此時(shí)經(jīng)調(diào)整后?! '、P3 '的軸向坐標(biāo)分 別為5 = A + Δζ和- Δζ;
[0034] 步驟3:根據(jù)步驟2所得到的控制點(diǎn)，采用NURBS曲面法構(gòu)造非軸對(duì)稱(chēng)端壁型面，其 具有一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)。端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點(diǎn)確定的NURBS曲線(xiàn)， 此類(lèi)曲線(xiàn)在起點(diǎn)和終點(diǎn)具有幾何連續(xù)性，可同時(shí)保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在 徑向的光滑過(guò)渡。
[0035] 實(shí)施例2:本實(shí)施例在擴(kuò)壓器葉尖，即機(jī)匣處進(jìn)行端壁造型。采用與實(shí)施例1相同的 方法進(jìn)行，僅在步驟2中略有不同。本實(shí)施例中的軸向擾動(dòng)取值為△ z = 30 %葉高。
[0036] 步驟1:首先對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的端壁造型區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化。相鄰兩葉片葉型中弧線(xiàn)及 前后緣限定的機(jī)匣端壁范圍，可以由五條定位曲線(xiàn)上的25個(gè)控制點(diǎn)來(lái)確定其幾何結(jié)構(gòu)。五 條曲線(xiàn)分別為0)、&、&、(： 3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線(xiàn)，(：1、(：2和(：3為三條與中弧線(xiàn)平 行的曲線(xiàn)。每條曲線(xiàn)上均勻分布5個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)改變這25個(gè)點(diǎn)的位置，即可靈活地調(diào)整端 壁形狀；
[0037]步驟2:在步驟1提出的造型區(qū)域內(nèi)，改變控制點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)構(gòu)造凹凸結(jié)構(gòu)。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(shí)考慮到通道 上下游和相鄰造型周期見(jiàn)的曲面連續(xù)性，僅對(duì)曲線(xiàn)Ci、C 3的中點(diǎn)（控制點(diǎn)Pi、P3)施加大小相 同的軸向擾動(dòng)A Z，本實(shí)施例中取值為Δ Z = 30 %葉高。此時(shí)經(jīng)調(diào)整后?! '、P3 '的軸向坐標(biāo)分 別為< =5 + Δζ和= ζ3 - Δζ;
[0038]步驟3:根據(jù)步驟2所得到的控制點(diǎn)，采用NURBS曲面法構(gòu)造非軸對(duì)稱(chēng)端壁型面，其 具有一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)。端壁曲面的周向和徑向上，分別是由5點(diǎn)確定的NURBS曲線(xiàn)， 此類(lèi)曲線(xiàn)在起點(diǎn)和終點(diǎn)具有幾何連續(xù)性，可同時(shí)保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在 徑向的光滑過(guò)渡。
[0039]上述詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明其中之一可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以 限制本發(fā)明的專(zhuān)利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本發(fā)明技術(shù) 方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，初始?jí)簹鈾C(jī)中的擴(kuò)壓器端 壁均為平面，端壁造型以相鄰兩葉片中弧線(xiàn)及前后緣圍成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)周期；單個(gè)周期內(nèi) 僅改變兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，采用NURBS曲面來(lái)構(gòu)造一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)，擴(kuò)壓器通道的 橫截面積不變。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，單個(gè)周期 內(nèi)的端壁處理過(guò)程包括以下步驟： 步驟1:對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的端壁造型區(qū)域進(jìn)行參數(shù)化； 步驟2:在上述步驟1提出的造型區(qū)域內(nèi)，改變控制點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)構(gòu)造凹凸結(jié)構(gòu)，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(jù)步驟2所得到的控制點(diǎn)，采用NURBS曲面法構(gòu)造非軸對(duì)稱(chēng)端壁型面，其具有 一對(duì)幅值相等的凹凸結(jié)構(gòu)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小擴(kuò)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(xiàn)及前后緣限定的端壁范圍，由五條定位曲線(xiàn)上的25個(gè)控制點(diǎn)來(lái)確定其幾何結(jié) 構(gòu)； 五條曲線(xiàn)分別為〇)、&、(：2、(：3和〇4，其中0)和〇4為兩條葉型中弧線(xiàn)，(： 1、(：2和(：3為三條與中 弧線(xiàn)平行的曲線(xiàn)； 每條曲線(xiàn)上均勻分布5個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)改變這25個(gè)點(diǎn)的位置，調(diào)整端壁形狀。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，對(duì)曲線(xiàn)&、 C3的中點(diǎn)施加大小相同的軸向擾動(dòng)ΔΖ;此時(shí)經(jīng)調(diào)整后PAft'的軸向坐標(biāo)分別為Ζ1'= Ζ1+Δ Ζ和Ζ ' 3 = Ζ3_ Δ Ζ 〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的減小擴(kuò)壓器分離損失的端壁處理方法，其特征在于，軸向擾動(dòng) A ζ取值范圍：Δ ζ彡50%葉高。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的減小擴(kuò)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(diǎn)確定的NURBS曲線(xiàn)，此類(lèi)曲線(xiàn)在起點(diǎn)和終點(diǎn)具有幾何連續(xù)性， 同時(shí)保證相鄰造型周期在周向和通道上下游在徑向的光滑過(guò)渡。
【文檔編號(hào)】F04D29/44GK106089806SQ201610378402
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】周莉, 向鳳光, 王占學(xué), 史經(jīng)緯, 張明陽(yáng), 程穩(wěn)
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)