專利名稱：大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其涉及一種大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)背景壓氣機(jī)是葉輪機(jī)械的一個(gè)分類，葉片式壓氣機(jī)一般用于給氣體增壓。帶有一排葉片的 旋轉(zhuǎn)的葉輪和后面的一排靜止的葉片稱為壓氣機(jī)的一級(jí)，當(dāng)需要給氣體增壓較高時(shí)，通常 采用多級(jí)壓氣機(jī)的方式，對(duì)于其中的某一級(jí)而言，按氣體的流動(dòng)形式可分為軸流式、離心 式和斜流式壓氣機(jī)。軸流式壓氣機(jī)氣體的流動(dòng)方式是軸向進(jìn)氣，軸向排氣；離心式壓氣機(jī) 氣體的流動(dòng)方式是軸向進(jìn)氣，徑向排氣；斜流式壓氣機(jī)是軸流與離心壓氣機(jī)的折衷，軸向 進(jìn)氣，與軸向有一定角度排氣?，F(xiàn)有技術(shù)中的軸流壓氣機(jī)和斜流壓氣機(jī)，采用大小相同的葉片沿圓周方向均勻分布， 葉片與葉片之間形成的通道是相同的?；谶@樣的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以航空發(fā)動(dòng)機(jī) 為代表，幾十年來壓氣機(jī)的增壓能力不斷提高。提高軸流壓氣機(jī)增壓能力的方法有兩個(gè)， 一個(gè)是增加轉(zhuǎn)子葉輪的轉(zhuǎn)速， 一個(gè)是增加氣流經(jīng)過葉片后的轉(zhuǎn)角。提高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn) 口處氣流相對(duì)葉片的流速超音，從而產(chǎn)生激波，激波的存在可以起到增壓的作用，但太強(qiáng) 的激波會(huì)導(dǎo)致葉面邊界層分離造成壓氣機(jī)效率下降。因此，如何通過加大氣流轉(zhuǎn)角的方式 增加壓氣機(jī)增壓能力是目前的主要研究方向。如圖1所示?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的方法之一是，在壓氣機(jī)的每?jī)善叽绱笕~片l之間添 加一個(gè)小葉片2，小葉片2的前緣位于大葉片1前緣之后的某個(gè)位置，而尾緣與大葉片l的尾緣位置相當(dāng)，形成大小葉片壓氣機(jī)。這樣相當(dāng)于使葉輪后部的葉片數(shù)增加而前部的葉片數(shù) 不變，可以在控制葉片后部吸力面分離的同時(shí)不減小前部的流通截面積?，F(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中，氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法是基于 大小相同的葉片沿周向均勻分布的壓氣機(jī)，對(duì)壓氣機(jī)葉片的各個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下缺點(diǎn)難以對(duì)大小葉片壓氣機(jī)的大、小葉片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能對(duì)大、小葉片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的大小葉片壓氣機(jī) 的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。'本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括步驟A、 輸入進(jìn)行所述氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)信息，包括需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是否是大 小葉片壓氣機(jī)的信息；B、 判斷需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是相同葉片壓氣機(jī)還是大小葉片壓氣機(jī)， 如果是相同葉片壓氣機(jī)，則按常規(guī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義； 如果是大小葉片壓氣機(jī)，則按大小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義；C、 采用通流法進(jìn)行計(jì)算；D、 判斷是否收斂至預(yù)設(shè)的誤差值， 如果收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)； 如果未收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則修改輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行步驟A。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方 法，由于首先判斷需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是相同葉片壓氣機(jī)還是大小葉片壓氣機(jī)，如果 是大小葉片壓氣機(jī)，則按大小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義。然后采用通 流法進(jìn)行計(jì)算，并通過收斂判斷，優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。能對(duì)大、小葉片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè) 計(jì)。


圖l為本發(fā)明中大小葉片壓氣機(jī)的葉片排列形式示意圖；圖2為本發(fā)明的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法的流程圖；圖3為本發(fā)明中大小葉片壓氣機(jī)的葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中的壓氣機(jī)與本發(fā)明中的大小葉片壓氣機(jī)的性能比較示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖l所示，包括步驟l、輸入進(jìn)行所述氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)信息，包括需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是否 是大小葉片壓氣機(jī)的信息。參數(shù)信息包括以下參數(shù)小葉片弦長(zhǎng)、小葉片前緣和尾緣的位置、小葉片在大葉片槽
道中的相對(duì)周向位置、小葉片前緣和尾緣在徑向上的分布、小葉片子午面坐標(biāo)，以及葉片 數(shù)、葉型等，可以根據(jù)需要包括其中的一種或多種參數(shù)，還可以包括其它的參數(shù)。步驟2、判斷需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是相同葉片壓氣機(jī)還是大小葉片壓氣機(jī)， 如果是相同葉片壓氣機(jī)，則按常規(guī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義 包括對(duì)稠度P2的定義P2=C/S，式中，C為葉片弦長(zhǎng)，S為葉片柵距。還可以包括對(duì)其 它參數(shù)的定義。如圖2所示如果是大小葉片壓氣機(jī)，則按大小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù) 進(jìn)行定義包括小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對(duì)周向位置P1的定義，和對(duì)稠度P3的定義P1=S1/S; P3=(C1+C)/S， 式中，Cl為小葉片弦長(zhǎng)，C為大葉片弦長(zhǎng)，Sl為小葉片與其壓力面?zhèn)却笕~片的周向距離，s為大葉片柵距。還可以包括對(duì)其它參數(shù)的定義。步驟3、采用通流法進(jìn)行計(jì)算；步驟4、判斷是否收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，如果收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；如果未收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則修改輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行步驟l。本發(fā)明中的大小葉片壓氣機(jī)可以為軸流式壓氣機(jī)，也可以為斜流式壓氣機(jī)。本發(fā)明通過一系列概念的定義及程序的設(shè)計(jì)，改進(jìn)傳統(tǒng)的用于大小相同均勻分布的壓 氣機(jī)設(shè)計(jì)的程序，使其滿足大小葉片壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)要求。并能對(duì)各個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 最終得到性能最優(yōu)的壓氣機(jī)方案。具體內(nèi)容包括定義了一系列描述小葉片形狀與位置的參數(shù)，包括小葉片弦長(zhǎng)，小葉片 前、尾緣位置，小葉片在大葉片槽道中的相對(duì)周向位置，小葉片前、尾緣在徑向的分布等 等。小葉片前緣的位置是根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)來流馬赫數(shù)的不同來確定的，基本原則是位于大葉片 前部形成的槽道的最小截面積之后，小葉片尾緣位置則根據(jù)當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)張程度的需要選擇與大 葉片尾緣相同或者不同。當(dāng)參數(shù)P1〈0.5時(shí)，表示小葉片與其壓力面?zhèn)却笕~片更近，可以有效控制大葉片吸力面 后部的邊界層分離。反之，小葉片靠近其吸力面?zhèn)鹊拇笕~片，則更有助于控制小葉片本身 吸力面的分離。小葉片前緣沿徑向的分布決定了小葉片的前掠程度，通過控制此前掠程度，可以有效 地控制葉柵前部激波系的形狀，并且降低激波前法向馬赫數(shù)。
用以上定義的各量對(duì)傳統(tǒng)的二維通流法程序進(jìn)行修改，可以使程序除可以進(jìn)行傳統(tǒng)壓 氣機(jī)設(shè)計(jì)造型之外，還可以進(jìn)行大小葉片壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)二維計(jì)算與造型程序的主 要區(qū)別在于多了對(duì)于小葉片的處理，計(jì)算時(shí)，取P3KC1+C)/S式定義的稠度，葉片造型時(shí)要 考慮小葉片的單獨(dú)造型，小葉片的周向與軸向位置等等。二維計(jì)算完成后，將自動(dòng)生成大小葉片的壓氣機(jī)三維計(jì)算網(wǎng)格，引入三維計(jì)算程序中 進(jìn)行計(jì)算，并找出不足，在二維設(shè)計(jì)程序中進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次反復(fù)找出最終的優(yōu)化 方案。如圖3所示，為采用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)出的一個(gè)大小葉片葉輪，采用了全三維葉片造 型，并且大小葉片的造型方式相對(duì)獨(dú)立，小葉片與大葉片的相對(duì)位置關(guān)系可以通過程序方 便地調(diào)節(jié)。本發(fā)明對(duì)于斜流壓氣機(jī)與軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)方法基本相同，只是斜流壓氣機(jī)給定子午 面形狀時(shí)與軸流壓氣機(jī)有所區(qū)別，外壁面是擴(kuò)張的。為了適應(yīng)斜流壓氣機(jī)后部半徑增長(zhǎng)大 而軸向距離增長(zhǎng)小的特點(diǎn)，程序內(nèi)含相應(yīng)處理機(jī)制，在這些地方生成計(jì)算網(wǎng)格以半徑替代 軸向座標(biāo)作為插值自變量。采用本發(fā)明的大小葉片壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)方法，可以方便地設(shè)計(jì)出所需的大小葉片壓氣 機(jī)，并根據(jù)三維粘性計(jì)算的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，通過改進(jìn)大、小葉片分別的造型和相互 位置關(guān)系，設(shè)計(jì)出滿足要求的壓氣機(jī)。大小葉片壓氣機(jī)是先進(jìn)的氣動(dòng)布局，比常規(guī)壓氣機(jī) 具有更強(qiáng)的做功能力，更高的效率，和更寬廣的工作范圍。如圖4所示，為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)改用本發(fā)明設(shè)計(jì)的大小葉片后的性能與原型性 能的比較，可以看出采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的大小葉片的氣動(dòng)布局可以使壓氣機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵性能 參數(shù)都有明顯的提高。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都 應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括步驟A、輸入進(jìn)行所述氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)信息，包括需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是否是大小葉片壓氣機(jī)的信息；B、判斷需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是相同葉片壓氣機(jī)還是大小葉片壓氣機(jī)，如果是相同葉片壓氣機(jī)，則按常規(guī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義；如果是大小葉片壓氣機(jī)，則按大小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義；C、采用通流法進(jìn)行計(jì)算；D、判斷是否收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，如果收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；如果未收斂至預(yù)設(shè)的誤差值，則修改輸入數(shù)據(jù)并進(jìn)行步驟A。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的參數(shù) 信息包括以下至少一項(xiàng)參數(shù)小葉片弦長(zhǎng)、小葉片前緣和尾緣的位置、小葉片在大葉片槽道中的相對(duì)周向位置、小 葉片前緣和尾緣在徑向上的分布、小葉片子午面坐標(biāo)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的小葉 片前緣的位置位于大葉片前部形成的槽道的最小截面積之后。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的按大 小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義，包括以下定義小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對(duì)周向位置P^S1/S; 稠度P3:(C1+C)/S， 式中，Cl為小葉片弦長(zhǎng)，C為大葉片弦長(zhǎng)，Sl為小葉片與其壓力面?zhèn)却笕~片的周向距 離，S為大葉片柵距。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的按常 規(guī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義，包括以下定義稠度P2《/S，式中，C為葉片弦長(zhǎng)，S為葉片柵距。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括輸出以下數(shù)據(jù)葉片造型數(shù)據(jù)、三維計(jì)算用網(wǎng)格。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的大小 葉片壓氣機(jī)為軸流式或斜流式壓氣機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大小葉片壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，包括首先，輸入進(jìn)行所述氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)信息，包括需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是否是大小葉片壓氣機(jī)的信息。然后，判斷需進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)是相同葉片壓氣機(jī)還是大小葉片壓氣機(jī)，如果是大小葉片壓氣機(jī)，則按大小葉片壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)所述參數(shù)進(jìn)行定義，包括對(duì)小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對(duì)周向位置P1＝S1/S；稠度P3＝(C1+C)/S。之后，采用通流法進(jìn)行計(jì)算，并通過收斂判斷，優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。能對(duì)大、小葉片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101158991SQ20071017838
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者明 嚴(yán), 劉寶杰, 劉火星, 王洪偉, 陳懋章 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)