阅读说明：本技术 离心式压气机的设计方法及其扩压器结构 (Design method of centrifugal compressor and diffuser structure thereof ) 是由 徐玉东 张心明 吕琼莹 熊恒 穆国振 于 2019-08-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种离心式压气机的设计方法及其扩压器结构,其中,所述离心式压气机包括：壳体、叶轮和扩压器,所述叶轮包括轮毂和叶轮叶片,所述扩压器包括扩压器叶片,所述设计方法包括：所述壳体和所述叶轮的轮毂中的曲线段均采用Bezier曲线设计,所述叶轮叶片中的曲线段采用3D自由曲线设计；所述扩压器叶片中的曲线段采用螺旋曲线设计。通过参数化设计方法,对气体入口进气角度和出口出气角度进行优化,改善气体流动状态,改善出口气流均匀程度,减少气体流动损失,实现较小尺寸条件下获得更高的压气能力和扩压能力。(The invention discloses a design method of a centrifugal compressor and a diffuser structure thereof, wherein the centrifugal compressor comprises the following components: the design method comprises the following steps of: the curved sections in the shell and the hub of the impeller are designed by Bezier curves, and the curved sections in the impeller blades are designed by 3D free curves; the curve section in the diffuser blade is designed by adopting a spiral curve. By a parametric design method, the gas inlet angle of a gas inlet and the gas outlet angle of an outlet are optimized, the gas flow state is improved, the uniformity degree of gas flow at the outlet is improved, the gas flow loss is reduced, and higher gas compression capacity and higher diffusion capacity are obtained under the condition of smaller size.)

离心式压气机的设计方法及其扩压器结构

技术领域

本发明涉及涡喷发动机设备领域，具体地，涉及一种离心式压气机的设计方法及其扩压器结构。

背景技术

微型涡喷发动机(Micro Turbine Engine，MTE)具有体积小、重量轻、能量密度高等优点被广泛应用于能源领域。离心式压气机是微型涡喷发动机的核心部件，其设计水平直接影响着微型涡喷发动机的整机性能。离心式压气机相比于轴流式压气机具有重量轻、体积小及单级压比高的特点，因此被广泛应用于微型涡喷发动机中。

目前，现有离心式压气机的结构尺寸较大、轴向尺寸较长、重量较大。而现有的扩压器结构是分段叶片式扩压器，扩压器的尺寸较大，扩压通道中气体粘性作用加强，摩擦损失较大；或者是楔形叶片通道式扩压器，在轴向到径向转弯处，掺混并在子午面上由径向往轴向转折，同时出现附面层和二次流，具有较大的损失。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种离心式压气机的设计方法及其扩压器结构，以克服现有技术的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面是提供一种离心式压气机的设计方法，所述离心式压气机包括：壳体、叶轮和扩压器，所述叶轮包括轮毂和叶轮叶片，所述扩压器包括扩压器叶片，所述设计方法包括：所述壳体和所述叶轮的轮毂中的曲线段均采用Bezier曲线设计，所述叶轮叶片中的曲线段采用3D自由曲线设计；所述扩压器叶片中的曲线段采用螺旋曲线设计。

优选地，所述Bezier曲线通过下式获取：

其中，p表示曲线上的点，n表示阶数，i表示控制点的索引，i和n均取自然数，i＝0，1，...n，β_i，n(t)表示Bemstein(伯恩斯坦)函数，0≤t≤1。

优选地，所述3D自由曲线采用B样条曲线，如下式所示：

其中，B_k，n(t)表示B样条曲线函数，0≤t≤1，n表示阶数，i表示控制点的索引，i＝0，1，...n，i和n均取自然数，k表示B样条曲线的分段顶点，G_i，n(t)表示n-1次B样条曲线基函数。

优选地，所述设计方法还包括：采用多次B样条曲线对所述3D自由曲线进行调整；设定叶轮叶片的形状和厚度；根据设定的形状和厚度以及3D自由曲线构建形成叶轮的叶片模型；通过B样条曲线对所述叶片模型的叶片倾角和包角进行调整。

优选地，所述叶轮叶片包括叶轮主叶片和叶轮分流叶片，所述叶轮主叶片和所述叶轮分流叶片的包角均为72度。

优选地，所述叶轮叶片的入口角度为30～70度，出口角度为20～60度。

优选地，所述离心式压气机的质量流量为35g/s，设计压比为3.5，转速的最大值为400000r/min。

本发明的另一个方面是提供一种扩压器结构，所述扩压器结构包括扩压器叶片，所述扩压器叶片采用螺旋曲线设计。

优选地，所述扩压器叶片包括扩压器主叶片和扩压器分流叶片，所述扩压器主叶片包括径向段主叶片和轴向段主叶片，所述径向段主叶片沿径向均匀分布，相邻的径向段主叶片之间构成气流的连续入口通道，所述轴向段主叶片和所述扩压器分流叶片均匀分布在所述扩压器的圆周表面上，所述轴向段主叶片和所述扩压器分流叶片之间构成气流的连续出口通道。

优选地，所述扩压器的入口宽度为6.8mm，所述扩压器的出口宽度为4.2mm，所述扩压器叶片的进气角度为65度，所述扩压器叶片的出气角度为72度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过对离心式压气机采用参数化设计方法，对气体入口进气角度和出口出气角度进行优化，改善气体流动状态，改善出口气流均匀程度，减少气体流动损失，实现较小尺寸条件下获得更高的压气能力和扩压能力。

本发明缩小了压气机尺寸和重量，提高压气机工作转速，提高微型离心式压气机的压气能力。

本发明通过对扩压器出口的气流角度进行调整优化，使空气和涡喷发动机燃烧室的燃料充分混合。

附图说明

图1是本发明所述离心式压气机的三维结构示意图；

图2是本发明所述离心式压气机的三维结构剖视示意图；

图3是本发明中壳体与叶轮轮毂轮廓示意图；

图4是本发明所述离心式压气机的前视图；

图5是本发明所述离心式压气机的后视图；

图6是本发明所述离心式压气机的左视图；

图7是本发明所述扩压器结构的示意图。

附图标记：

1-壳体；2-叶轮；3-扩压器；4-叶轮主叶片；5-叶轮分流叶片；6-扩压器主叶片；7-扩压器分流叶片；8-气流入口；9-扩压器出口。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

缩略语和关键术语定义

离心式叶轮：利用高速旋转的叶片将流动介质与轴动力之间能量相互转化，利用叶轮旋转产生了离心力使介质压力升高。

扩压器：对叶轮出口的高速气流进行减速扩压，使气体在叶轮中获得的动能尽可能转化为压力能。

图1是本发明所述离心式压气机的三维结构示意图，图2是本发明所述离心式压气机的三维结构剖视示意图，如图1和图2所示，本发明所述离心式压气机包括壳体1、叶轮2和扩压器3，所述叶轮2包括轮毂和叶轮叶片，所述扩压器3包括扩压器叶片。其中，叶轮2采用离心式叶轮，气体通过气流入口8进入离心式叶轮，离心式叶轮高速旋转对空气介质做功进行空气压缩，同时增加气体出口流速，气流从离心式叶轮的气流出口进入扩压器3，通过扩压器3对气流进行扩压、减速，降低气流速度，通过扩压器出口9均匀进入燃烧室，与燃烧室内的燃料进行充分混合。

离心式压气机中气体压力的提高，是由于气体流经叶轮2时，由于叶轮2旋转，使气体受到离心力的作用而产生压力，与此同时气体获得速度，而气体流过扩压器3等扩张通道时，气体的流动速度又逐渐减慢从而使气体压力得到提高。

离心式压气机的设计对其性能具有重大影响。本发明所述离心式压气机的设计方法包括：所述壳体1和所述叶轮2的轮毂中的曲线段均采用贝塞尔曲线(Bezier曲线)设计，所述叶轮叶片中的曲线段采用3D自由曲线设计；所述扩压器叶片中的曲线段采用螺旋曲线设计。通过采用参数化设计方法，缩小了离心式压气机的尺寸，提高了压气机的工作转速，提高了离心式压气机的压气能力。

需要说明的是，所述壳体1和所述叶轮2的轮毂、叶轮叶片以及扩压器叶片均包括直线段的设计，直线段的设计根据压气机的尺寸及形状需求设定。

图3是本发明中壳体与叶轮轮毂轮廓示意图，如图3所示，本发明的一个实施例中，离心式压气机的壳体1和叶轮2的轮毂采用直线段+Bezier曲线段+直线段的设计方法，其中，在图3中仅显示出曲线段部分，图3中的d0表示轮毂入口直径，d1表示叶轮入口直径，d2表示扩压器出口直径，Bezier曲线采用4阶样条曲线，通过5个控制点进行控制，如图3所示，壳体Bezier曲线的控制点为P1～P5，轮毂Bezier曲线的控制点为P1′～P5′。

Bezier曲线通过下式获取：

其中，p表示曲线上的点，n表示阶数，i表示控制点的索引，i和n均取自然数，i＝0，1，...n，β_i，n(t)表示Bernstein(伯恩斯坦)函数，0≤t≤1，

当阶数取4阶时，则n＝4，i＝(0，1，2，3，4)，4阶样条曲线通过下式表示：

通过改变控制点的位置可以改变Bezier曲线的形状，可以直观、灵活地改变壳体1和轮毂的几何形状，曲线光滑连续，从而使得形成的流道区域光滑连续。

需要说明的是，Bezier曲线不限于4阶样条曲线，也可以是3阶(包括四个控制点)、5阶(包括六个控制点)、6阶(包括七个控制点)等其他阶数。随着阶数的增加，控制点的个数随之增加。但是选取的阶数应当适宜，若阶数太高，虽控制精确，但不易调整；若阶数太低，则控制不精确。

本发明的一个实施例中，所述3D自由曲线采用B样条曲线，如下式所示：

其中，B_k，n(t)表示B样条曲线函数，0≤t≤1，n表示阶数，i表示控制点的索引，i＝0，1，...n，i和n均取自然数，k表示B样条曲线的分段顶点，G_i，n(t)表示n-1次B样条曲线基函数，0≤j≤n-i。

优选地，3D自由曲线采用五阶B样条曲线，如下式所示：

需要说明的是，B样条曲线的阶数不限于取五阶，也可以是3阶、4阶、6阶等其他阶数，阶数越高，控制点的数量越多，曲线形状越复杂，控制越精确；阶数越低，控制点的数量越少，曲线形状简单，控制精度越低。

通过采用B样条曲线，使得在控制点个数的变化范围内(例如，i取值范围为0-5)，B样条曲线的局部位置可控，每移动一个顶点，只对其中一段曲线有影响，而不对整条曲线产生影响，便于灵活地对B样条曲线进行局部调整。

本发明的一个可选实施例中，所述离心式压气机的设计方法还包括：

采用多次B样条曲线对所述3D自由曲线进行调整，例如，可以是五次，从轮毂到轮缘方向等分成5个截面；

设定叶轮叶片的形状和厚度，其中，叶轮叶片的形状根据B样条曲线调节控制，进行造型建模。具体地，叶轮叶片的形状根据设计参数进行初步设计，设计参数包括入口气体密度、温度、压力，出口气体温度、压力和压气机效率等，然后根据经验直接给定子午流道形状和叶片形状，叶片安装角和叶片厚度；

根据设定的形状和厚度以及3D自由曲线构建形成叶轮的叶片模型，然后根据三维计算模拟的结构反复调整叶片模型，以便于最终得到符合要求的叶轮；

在轮毂和轮缘两个截面上，通过B样条曲线对所述叶片模型的叶片倾角和包角进行调整，其中，倾角靠曲线控制点进行控制修改，调整的是倾角的大小。包角是根据主叶片的数目确定，调整的是包角的大小。

图4是本发明所述离心式压气机的前视图，图5是本发明所述离心式压气机的后视图，图6是本发明所述离心式压气机的左视图，如图4～图6所示，叶轮叶片包括叶轮主叶片4和叶轮分流叶片5，例如，包括5个叶轮主叶片4和5个叶轮分流叶片5，以保证进气的质量流量。如图4所示，叶轮主叶片4和叶轮分流叶片5均匀分布，且相互交错间隔布置，即每两个叶轮主叶片4之间均设置有一个叶轮分流叶片5。

叶片子午线是根据气体流动特性确定，叶片子午线的不均匀性会导致气体流动分离的风险，设计时尽量获得连续平滑的流动方向变化。包角是叶轮叶片在圆周方向上的包围程度，通过下式获取：

优选地，叶轮主叶片4、叶轮分流叶片5的包角均为72度，以保证流动通道的横截面积均匀变化。

离心叶轮叶片进口角度和出口角度对离心压气机性能影响明显，本发明的一个实施例中，所述叶轮叶片的入口角度α₁为30～70度，优选为40度，出口角度α₂为20～60度，优选为30度，当叶片进口角为40度时，出口角度为30度时，离心压气机的压比达到最大。

本发明的一个实施例中，所述离心式压气机的质量流量为35g/s，设计压比为3.5，转速的最大值为400000r/min，效率达到80％以上。其中，离心式压气机的最大直径不超过39mm，叶轮直径为25mm，扩压器直径为35mm。

图7是本发明所述扩压器结构的示意图，如图7所示，本发明的扩压器结构包括扩压器叶片，优选地，扩压器叶片采用螺旋曲线设计，其螺旋线形的结构和光滑过度的表面，在获得最大的风阻的过程中，能够使风顺利的经过叶片，避免风在扩压器叶片上产生停留，减少空气的动能损耗，提高扩压器的效率。其中，对扩压器叶片的螺旋线型设计指的是将叶片的中心线圆弧设计为螺旋线型，叶片的内外圆弧采用的过渡圆角根据扩压器叶片的厚度自动倒圆角即可满足要求，本发明对倒圆角并无具体限定。本发明的一个实施例中，所述扩压器叶片包括扩压器主叶片6和扩压器分流叶片7，所述扩压器主叶片6包括径向段主叶片和轴向段主叶片，所述径向段主叶片沿径向均匀分布，相邻的径向段主叶片之间构成气流的连续入口通道，所述轴向段主叶片和所述扩压器分流叶片7均匀分布在所述扩压器的圆周表面上，所述轴向段主叶片和所述扩压器分流叶片7之间构成气流的连续出口通道。如图4所示，每两个轴向段主叶片之间均设置有一个扩压器分流叶片。扩压器叶片的分布方式改变了现有的叶片式扩压器的分段结构，保证气流从径向进口到轴向出口的通道保持连续。该扩压器叶片结构采用气动优化的截面形状，有效抑制扩压器通道截面角区的二次流，减少低能流体在角区的堆积，且通道截面形状可由进口至出口连续变化，光滑过渡。扩压器入口通道内出现二次流、横向流甚至分离流现象，在扩压器轴向段设置扩压器分流叶片7，减少气流的二次流、横向流和分离流，使气流均匀流向燃烧室。

本发明的一个实施例中，所述扩压器3的入口宽度为6.8mm，所述扩压器3的出口宽度为4.2mm，所述扩压器叶片的进气角度β₁为65度，所述扩压器叶片的出气角度β₂为72度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。