專利名稱：大小葉片壓氣機的氣動設計方法
技術領域：
本發明涉及一種壓氣機設計技術，尤其涉及一種大小葉片壓氣機的氣動設計方法。
技術背景壓氣機是葉輪機械的一個分類，葉片式壓氣機一般用于給氣體增壓。帶有一排葉片的 旋轉的葉輪和后面的一排靜止的葉片稱為壓氣機的一級，當需要給氣體增壓較高時，通常 采用多級壓氣機的方式，對于其中的某一級而言，按氣體的流動形式可分為軸流式、離心 式和斜流式壓氣機。軸流式壓氣機氣體的流動方式是軸向進氣，軸向排氣；離心式壓氣機 氣體的流動方式是軸向進氣，徑向排氣；斜流式壓氣機是軸流與離心壓氣機的折衷，軸向 進氣，與軸向有一定角度排氣。現有技術中的軸流壓氣機和斜流壓氣機，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。基于這樣的結構形式進行優化設計，以航空發動機 為代表，幾十年來壓氣機的增壓能力不斷提高。提高軸流壓氣機增壓能力的方法有兩個， 一個是增加轉子葉輪的轉速， 一個是增加氣流經過葉片后的轉角。提高轉速導致壓氣機進 口處氣流相對葉片的流速超音，從而產生激波，激波的存在可以起到增壓的作用，但太強 的激波會導致葉面邊界層分離造成壓氣機效率下降。因此，如何通過加大氣流轉角的方式 增加壓氣機增壓能力是目前的主要研究方向。如圖1所示。現有技術中采用的方法之一是，在壓氣機的每兩片全尺寸大葉片l之間添 加一個小葉片2，小葉片2的前緣位于大葉片1前緣之后的某個位置，而尾緣與大葉片l的尾緣位置相當，形成大小葉片壓氣機。這樣相當于使葉輪后部的葉片數增加而前部的葉片數 不變，可以在控制葉片后部吸力面分離的同時不減小前部的流通截面積。現有技術中，對壓氣機的設計包括氣動設計及結構設計，其中，氣動設計方法是基于 大小相同的葉片沿周向均勻分布的壓氣機，對壓氣機葉片的各個幾何參數進行優化設計。上述現有技術至少存在以下缺點難以對大小葉片壓氣機的大、小葉片的幾何參數進行優化設計。

發明內容
本發明的目的是提供一種能對大、小葉片的幾何參數進行優化設計的大小葉片壓氣機 的氣動設計方法。'本發明的目的是通過以下技術方案實現的 本發明的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，包括步驟A、 輸入進行所述氣動設計所需的參數信息，包括需進行氣動設計的壓氣機是否是大 小葉片壓氣機的信息；B、 判斷需進行氣動設計的壓氣機是相同葉片壓氣機還是大小葉片壓氣機， 如果是相同葉片壓氣機，則按常規氣動設計方法對所述參數進行定義； 如果是大小葉片壓氣機，則按大小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數進行定義；C、 采用通流法進行計算；D、 判斷是否收斂至預設的誤差值， 如果收斂至預設的誤差值，則輸出設計數據； 如果未收斂至預設的誤差值，則修改輸入數據并進行步驟A。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方 法，由于首先判斷需進行氣動設計的壓氣機是相同葉片壓氣機還是大小葉片壓氣機，如果 是大小葉片壓氣機，則按大小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數進行定義。然后采用通 流法進行計算，并通過收斂判斷，優化設計數據。能對大、小葉片的幾何參數進行優化設 計。


圖l為本發明中大小葉片壓氣機的葉片排列形式示意圖；圖2為本發明的大小葉片壓氣機的氣動設計方法的流程圖；圖3為本發明中大小葉片壓氣機的葉輪的結構示意圖；圖4為現有技術中的壓氣機與本發明中的大小葉片壓氣機的性能比較示意圖。
具體實施方式
本發明的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其較佳的具體實施方式
如圖l所示，包括步驟l、輸入進行所述氣動設計所需的參數信息，包括需進行氣動設計的壓氣機是否 是大小葉片壓氣機的信息。參數信息包括以下參數小葉片弦長、小葉片前緣和尾緣的位置、小葉片在大葉片槽
道中的相對周向位置、小葉片前緣和尾緣在徑向上的分布、小葉片子午面坐標，以及葉片 數、葉型等，可以根據需要包括其中的一種或多種參數，還可以包括其它的參數。步驟2、判斷需進行氣動設計的壓氣機是相同葉片壓氣機還是大小葉片壓氣機， 如果是相同葉片壓氣機，則按常規氣動設計方法對所述參數進行定義 包括對稠度P2的定義P2=C/S，式中，C為葉片弦長，S為葉片柵距。還可以包括對其 它參數的定義。如圖2所示如果是大小葉片壓氣機，則按大小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數 進行定義包括小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對周向位置P1的定義，和對稠度P3的定義P1=S1/S; P3=(C1+C)/S， 式中，Cl為小葉片弦長，C為大葉片弦長，Sl為小葉片與其壓力面側大葉片的周向距離，s為大葉片柵距。還可以包括對其它參數的定義。步驟3、采用通流法進行計算；步驟4、判斷是否收斂至預設的誤差值，如果收斂至預設的誤差值，則輸出設計數據；如果未收斂至預設的誤差值，則修改輸入數據并進行步驟l。本發明中的大小葉片壓氣機可以為軸流式壓氣機，也可以為斜流式壓氣機。本發明通過一系列概念的定義及程序的設計，改進傳統的用于大小相同均勻分布的壓 氣機設計的程序，使其滿足大小葉片壓氣機的設計要求。并能對各個幾何參數進行優化， 最終得到性能最優的壓氣機方案。具體內容包括定義了一系列描述小葉片形狀與位置的參數，包括小葉片弦長，小葉片 前、尾緣位置，小葉片在大葉片槽道中的相對周向位置，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設計時來流馬赫數的不同來確定的，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當地擴張程度的需要選擇與大 葉片尾緣相同或者不同。當參數P1〈0.5時，表示小葉片與其壓力面側大葉片更近，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側的大葉片，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。
用以上定義的各量對傳統的二維通流法程序進行修改，可以使程序除可以進行傳統壓 氣機設計造型之外，還可以進行大小葉片壓氣機的設計。與傳統二維計算與造型程序的主 要區別在于多了對于小葉片的處理，計算時，取P3KC1+C)/S式定義的稠度，葉片造型時要 考慮小葉片的單獨造型，小葉片的周向與軸向位置等等。二維計算完成后，將自動生成大小葉片的壓氣機三維計算網格，引入三維計算程序中 進行計算，并找出不足，在二維設計程序中進行改進設計。經過多次反復找出最終的優化 方案。如圖3所示，為采用本發明的方法設計出的一個大小葉片葉輪，采用了全三維葉片造 型，并且大小葉片的造型方式相對獨立，小葉片與大葉片的相對位置關系可以通過程序方 便地調節。本發明對于斜流壓氣機與軸流壓氣機的設計方法基本相同，只是斜流壓氣機給定子午 面形狀時與軸流壓氣機有所區別，外壁面是擴張的。為了適應斜流壓氣機后部半徑增長大 而軸向距離增長小的特點，程序內含相應處理機制，在這些地方生成計算網格以半徑替代 軸向座標作為插值自變量。采用本發明的大小葉片壓氣機的設計方法，可以方便地設計出所需的大小葉片壓氣 機，并根據三維粘性計算的結果對設計進行更改，通過改進大、小葉片分別的造型和相互 位置關系，設計出滿足要求的壓氣機。大小葉片壓氣機是先進的氣動布局，比常規壓氣機 具有更強的做功能力，更高的效率，和更寬廣的工作范圍。如圖4所示，為某航空發動機的壓氣機改用本發明設計的大小葉片后的性能與原型性 能的比較，可以看出采用本發明設計的大小葉片的氣動布局可以使壓氣機的幾個關鍵性能 參數都有明顯的提高。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都 應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，包括步驟A、輸入進行所述氣動設計所需的參數信息，包括需進行氣動設計的壓氣機是否是大小葉片壓氣機的信息；B、判斷需進行氣動設計的壓氣機是相同葉片壓氣機還是大小葉片壓氣機，如果是相同葉片壓氣機，則按常規氣動設計方法對所述參數進行定義；如果是大小葉片壓氣機，則按大小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數進行定義；C、采用通流法進行計算；D、判斷是否收斂至預設的誤差值，如果收斂至預設的誤差值，則輸出設計數據；如果未收斂至預設的誤差值，則修改輸入數據并進行步驟A。
2、 根據權利要求l所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，所述的參數 信息包括以下至少一項參數小葉片弦長、小葉片前緣和尾緣的位置、小葉片在大葉片槽道中的相對周向位置、小 葉片前緣和尾緣在徑向上的分布、小葉片子午面坐標。
3、 根據權利要求2所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，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、 根據權利要求l所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，所述的按大 小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數進行定義，包括以下定義小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對周向位置P^S1/S; 稠度P3:(C1+C)/S， 式中，Cl為小葉片弦長，C為大葉片弦長，Sl為小葉片與其壓力面側大葉片的周向距 離，S為大葉片柵距。
5、 根據權利要求l所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，所述的按常 規氣動設計方法對所述參數進行定義，包括以下定義稠度P2《/S，式中，C為葉片弦長，S為葉片柵距。
6、 根據權利要求l所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，所述的輸出設計數據包括輸出以下數據葉片造型數據、三維計算用網格。
7、 根據權利要求l所述的大小葉片壓氣機的氣動設計方法，其特征在于，所述的大小 葉片壓氣機為軸流式或斜流式壓氣機。
全文摘要
本發明公開了一種大小葉片壓氣機的氣動設計方法，包括首先，輸入進行所述氣動設計所需的參數信息，包括需進行氣動設計的壓氣機是否是大小葉片壓氣機的信息。然后，判斷需進行氣動設計的壓氣機是相同葉片壓氣機還是大小葉片壓氣機，如果是大小葉片壓氣機，則按大小葉片壓氣機氣動設計方法對所述參數進行定義，包括對小葉片在相鄰兩大葉片中間的相對周向位置P1＝S1/S；稠度P3＝(C1+C)/S。之后，采用通流法進行計算，并通過收斂判斷，優化設計數據。能對大、小葉片的幾何參數進行優化設計。
文檔編號G06F17/50GK101158991SQ20071017838
公開日2008年4月9日 申請日期2007年11月29日 優先權日2007年11月29日
發明者明 嚴, 劉寶杰, 劉火星, 王洪偉, 陳懋章 申請人:北京航空航天大學