一种设置有燕尾前缘的管式扩压器设计方法

本发明涉及离心压气机设计领域，尤其是一种针对高压比、高负荷的离心压气机的管式扩压器的设计方法。

背景技术：

1、现代航空发动机对于推重比和可靠性的要求越来越高，研发高压比、高负荷和工作裕度宽的先进离心压气机是推动我国中小型航空发动机发展所必须攻克的技术难题。

2、高压比离心压气机的性能主要受限于离心叶轮和扩压器两部分，其中，针对高压比离心压气机扩压器，主要存在几个问题：气流经过上游高负荷离心叶轮后，表现出较强的不均匀性，使得下游扩压器进口攻角沿径向分布不均匀；来流具有较高的绝对速度，使得下游扩压器进口马赫数跨音甚至超音；叶轮出口与扩压器进口的距离较小，在上述来流的影响下加剧了扩压器与叶轮间的非定常干涉作用，不利于叶轮与扩压器之间的匹配；强逆压梯度将进一步增加扩压器通道内的边界层厚度，加剧内部流动分离和气动损失。

3、管式扩压器的研究和发展可以追溯至上世纪60年代，其特有的燕尾型前缘存在，可以较好地应对高压比离心叶轮出口跨/超声速的不均匀来流，在提高高压比离心压气机性能上发挥了可圈可点的作用，是一种适用于高压比离心压气机的紧凑高效型扩压器。

4、目前，关于管式扩压器设计方法的公开文献较少，现有技术中对于管式扩压器设计过程中，管式扩压器的中心线和截面造型理论方法描述较为简单，且缺少对燕尾型前缘造型的理论指导，所以在开展管式扩压器的设计工作时，存在不具备燕尾型前缘的可能性，存在较多技术难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种结合高压比离心叶轮气动参数和压气机子午流道数据，开展管式扩压器的设计造型工作，实现管式扩压器的快速造型的一种设置有燕尾前缘的管式扩压器设计方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种设置有燕尾前缘的管式扩压器设计方法，包括以下步骤：

3、步骤一：对输入参数进行定义说明，具体包括，

4、（1）离心压气机管式扩压器的轮毂和机匣的子午流道中心线坐标为和，要求在纯径向直-锥管段保持不变，当变化时，则认为进入了径向转轴向的弯管段造型阶段；

5、（2）管式扩压器倾角，是指管式扩压器进口中心线，也是纯径向直-锥管段中心线与水平线x轴的夹角，管式扩压器倾角结合离心叶轮的出口气流角给定；

6、（3）管式扩压器出口金属角，是指压气机的出口金属角，为实现气流从轴向流出，依据压气机出口气流角给定，，取；

7、（4）管式扩压器几何喉部长度系数，是指纯径向直-锥管段中，直管段喉口区域的长度与喉部直径的比值，直管段喉口区域截面积保持不变，为恒定的喉部面积；

8、（5）锥管扩张角，是指纯径向直-锥管段中，锥管段的单边扩张角，按小于4度给定；

9、（6）管式扩压器进口绝对马赫数和出口绝对马赫数，管式扩压器进口绝对马赫数根据离心叶轮出口绝对马赫数给定；管式扩压器出口绝对马赫数按0.15-0.3给定；

10、（7）管式扩压器总压损失系数，用于计算管式扩压器的出口总压；

11、（8）管式扩压器的进、出口堵塞系数和，进口堵塞系数根据给定的进口绝对马赫数确定；出口堵塞系数按0.02-0.03给定；

12、（9）离心压气机质量流量，离心叶轮出口总压，离心叶轮出口总温，管式扩压器的出口总压，管式扩压器的出口总温和管式扩压器单通道数目；

13、步骤二：根据管式扩压器出口绝对马赫数、离心压气机质量流量、离心叶轮出口总压和总温、管式扩压器的出口总压和总温、管式扩压器进口绝对马赫数、管式扩压器进口堵塞系数和出口堵塞系数，确定管式扩压器的进口喉部面积和出口面积；

14、步骤三：根据离心压气机管式扩压器的轮毂和机匣的子午流道中心线坐标和及管式扩压器倾角，确定管式扩压器纯径向直-锥管段中心线的周向角度分布，进而确定管式扩压器纯径向直-锥管段中心线的三坐标分布；

15、步骤四：根据管式扩压器纯径向直-锥管段中心线终点对应的周向角度，确定径向转轴向弯管段的中心线进口金属角；根据管式扩压器出口气流角，确定管式扩压器出口金属角；根据径向转轴向弯管段的中心线进口金属角和管式扩压器出口金属角，确定管式扩压器径向转轴向弯管段中心线的周向角度分布，进而确定管式扩压器径向转轴向弯管段中心线的三坐标分布；

16、步骤五：根据管式扩压器的几何喉部长度系数、锥管扩张角、管式扩压器进口喉部面积和管式扩压器的轮毂和机匣的子午流道中心线坐标和，确定纯径向直-锥管段的面积分布；

17、步骤六：根据管式扩压器的轮毂和机匣的子午流道中心线坐标和、纯径向直-锥管段出口面积和管式扩压器出口面积，确定管式扩压器径向转轴向弯管段的面积分布；

18、步骤七：根据步骤二至步骤六，确定沿管式扩压器中心线的不同截面，由此完成管式扩压器单通道造型设计；

19、步骤八：根据管式扩压器中心线半径、管式扩压器倾角、管式扩压器单通道数目和管式扩压器的进口喉部面积，的取值范围为16~34，确定管式扩压器燕尾型前缘的造型；

20、步骤九：根据管式扩压器的单通道造型设计、管式扩压器单通道数目，完成管式扩压器全周的造型设计。

21、进一步的，所述步骤二中，确定所述管式扩压器的进口喉部面积和出口面积，包括以下步骤：

22、（1）根据预估的管式扩压器总压损失系数、离心叶轮出口总压和总温，确定的管式扩压器的出口总压和出口总温分别为，；

23、根据管式扩压器进口绝对马赫数，确定的离心叶轮出口或管式扩压器进口的速度系数为：

24、，

25、确定得到离心叶轮出口的速度系数对应的密流函数为：

26、，

27、其中，表示气体的绝热指数，这里工质为空气，为1.4；

28、（2）根据输入离心压气机质量流量，离心叶轮出口总压，离心叶轮出口总温，管式扩压器进口堵塞系数以及综合常数，确定管式扩压器的进口喉部面积为：

29、，

30、确定得到管式扩压器出口绝对马赫数对应的速度系数为：

31、，

32、确定得到管式扩压器出口处对应的密流函数为：

33、，

34、确定得到管式扩压器的出口面积为：

35、。

36、进一步的，所述的步骤三中确定管式扩压器纯径向直-锥管段中心线的三坐标分布时，需要保证在纯径向直-锥管段区域坐标不变，则有：

37、，，

38、其中，为管式扩压器纯径向直-锥管段中心线的周向角，为离心压气机子午流道扩压器的中心线起点的径向坐标，即为管式扩压器进口半径尺寸。

39、进一步的，所述步骤四具体为：

40、采用步骤三中管式扩压器纯径向直-锥管段中心线的周向角度分布的方法，确定管式扩压器纯径向直-锥管段的中心线终点的周向角度；

41、根据所述中心线终点的周向角度确定径向转轴向弯管段的中心线进口金属角为：

42、，

43、根据管式扩压器出口气流角要求，确定的管式扩压器的出口金属角为：

44、，为；

45、根据所述的管式扩压器径向转轴向弯管段的中心线进口金属角和出口金属角，设计径向转轴向弯管段的金属角分布的贝塞尔曲线，控制点的纵坐标为角度，横坐标为归一化的子午流道中心线长度，

46、则，根据周向角度的公式关系：

47、，

48、，

49、确定的管式扩压器径向转轴向的弯管段中心线周向角度分布为：

50、，

51、，

52、结合所述和分布，完成对管式扩压器中心线的设计。

53、进一步的，所述步骤五具体为：

54、几何喉部段的面积保持不变，与进口喉部面积相等，长度为几何喉部长度系数乘以进口喉部直径；锥管段的面积呈线性分布，按锥管扩张角、进口喉部直径和锥管段长度，得到锥管段出口的截面面积，即可确定锥管段的面积分布，进而得到管式扩压器纯径向直-锥管段的面积分布。

55、进一步的，所述的步骤六具体为：

56、根据所述管式扩压器的轮毂和机匣的子午流道中心线坐标和、纯径向直-锥管段出口面积和管式扩压器出口面积，设计径向转轴向弯管段面积分布的贝塞尔曲线，贝塞尔曲线控制点的纵坐标为管式扩压器的截面面积，横坐标为归一化的子午流道中心线长度，即确定了管式扩压器径向转轴向弯管段的面积分布。

57、进一步的，所述步骤七具体为：

58、所述管式扩压器中心线的不同截面包括纯径向直-锥管段截面和径向转轴向的弯管段截面，根据管式扩压器的中心线点坐标，确定截面对应的法向量为：

59、，

60、根据管式扩压器的截面面积分布、管式扩压器的中心线点坐标、截面对应的法向量和截面方程，则沿管式扩压器中心线的截面三坐标为：

61、，

62、其中，，表示四舍五入取整，表示直接取小数点前面的整数；和表示截面上两个互相垂直的单位向量，且它们均与截面对应的法向量垂直；另外，为了确保输出的截面长轴端点和中心点均在对应半径的圆上，所选择的两个单位向量和并不是任意的，其中一个应同对应的半径圆环面相切，即有：

63、，

64、，

65、，

66、由此即得到满足要求的截面方程，需要说明，当m和n取不同值的时候，对应的截面形状也是不同的；当m=n=1时，截面为菱形，但考虑到其不利于扩压器内部流动，故截面为菱形不予以考虑；当m=n=2时，截面为圆形或椭圆，取决于所给定的a和b值是否相同；当m或n大于2时，截面为类椭圆，m和n越大，截面形状越接近于矩形。

67、进一步的，所述纯径向直-锥管段为圆形截面；在径向转轴向的弯管段为类椭圆截面，m和n从2到6线性过渡。

68、进一步的，所述的步骤八具体为：

69、管式扩压器的前缘是由相邻管道相贯而成的燕尾型前缘，然而，若给定的设计参数不满足条件，设计而成的管式扩压器将不存在这种燕尾型前缘，假定管式扩压器中心线平行于x轴，其切圆半径为，定义点b和g分别代表管式扩压器燕尾型前缘的起点和终点，当满足时，则有燕尾型前缘出现，所对应的平面坐标公式如下：

70、，

71、其中，表示单通道角度，即，当几何喉部的截面形状为圆形时，表示圆的半径；当几何喉部的截面形状为椭圆或者类椭圆时，表示长轴或半长轴尺寸，等同于子午流道宽度的一半，由此根据勾股定理得到尺寸，以判断所设计的管式扩压器是否存在燕尾型前缘；

72、同理，得到燕尾型前缘起点b的坐标，公式如下：

73、，

74、，

75、由此，得到管式扩压器的一个燕尾前缘线，当完成纯径向直-锥管和径向转轴向的弯管段造型后，根据燕尾前缘线对扩压器进行拉伸切除，即可完成一边燕尾型前缘的造型，管式扩压器的另一边燕尾型前缘线坐标点和可结合点b和g的坐标以及，通过坐标转换的方式得到，公式如下：

76、，

77、，

78、因所给定的管式扩压器的中心线并非平行于x轴，则再次通过坐标转化的方式将上述两条燕尾前缘线坐标进行转化，此时两条中心线的夹角为，故两条线的坐标点公式如下：

79、，

80、，

81、，

82、，

83、管式扩压器的进口攻角通过结合燕尾前缘点g和数值仿真计算得到的气流角确定，进口金属角公式如下：

84、，

85、由此得到管式扩压器的进口攻角为：

86、，

87、根据上述两条燕尾前缘线切出燕尾型前缘，中心线起点需要进行延长，此处对应的圆半径，对应坐标为：

88、，

89、燕尾前缘和中心线起点的延长线均属于管式扩压器的纯径向直-锥管段，故其z坐标均为定值，中心线起点处的截面与扩压器几何喉部处的截面保持一致，由此，即完成对管式扩压器燕尾型前缘的造型。

90、本发明的有益效果是：本发明提供了一种针对高压比、高负荷离心压气机的设置有燕尾前缘的管式扩压器的造型方法，可按照此方法，结合已设计完成的高压比离心叶轮气动参数和压气机子午流道等数据，即可对管式扩压器的四部分进行造型，包括纯径向直-锥管段造型、径向转轴向的弯管段造型、扩压器燕尾型前缘造型以及无叶扩压段造型，实现了管式扩压器的快速造型，亦可编写相应的造型程序，搭建带管式扩压器的离心压气机优化平台。