一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法与流程

本发明涉及航空发动机离心式压气机，具体涉及一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法。

背景技术：

1、离心压气机具有结构简单、单级增压比高、稳定工作范围广等优点，广泛用于中小型航空发动机上。离心式压气机在工作时会产生较大的气动轴向力，因此会对发动机的轴承产生较大的磨损从而影响发动机的寿命及可靠性。现有的研究表明在离心压气机叶轮的背部增加肋条不仅可以增加轮盘的结构强度，而且也可以减小压气机的气动轴向力。但是，压气机叶轮背部肋条的安装位置一般处于离心压气机的转静盘腔中，该盘腔中的空气既有径向运动也有切向运动，流动情况比较复杂；同时转静盘腔的轴向间距一般都比较小，增加的肋条结构会改变盘腔中空气的运动状态，从而改变转静盘腔的流动特性，影响发动机的性能；此外，在航空发动机的设计中，发动机的引气也需要经过转静盘腔，增加的肋条会改变盘腔中的压力分布，从而影响引气系统各项功能的实现。

2、压力损失是衡量压气机性能的重要指标，也是评判转静盘腔空气流动特性的关键指标，在发动机设计时，一般需要对所设计的盘腔结构进行压力损失估算来评判带肋离心式压气机各项功能是否能正常实现。已有的理论估算方法只能对光滑盘腔压力损失进行估算，用于带肋复杂结构盘腔时，计算结果误差较大；采用数值计算软件能够模拟流体的运动状态，但用于转静盘腔内的复杂空气运动时仍存在较大局限性，计算误差难于控制，且计算量大、耗时长。

技术实现思路

1、本发明提供一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，本发明的方法能够大幅减少计算时间，提升计算效率。

2、解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，带肋离心压气机转静盘腔结构包括离心式压气机转子、离心式压气机叶片、转子轮盘壁面以及附在压气机转子轮盘壁面上的肋条、压气机静子和静子轮盘壁面以及转子轴壁面，转静盘腔是由盘腔进口、转子轮盘壁面、肋条、转子轴壁面、盘腔出口和静子轮盘壁面围成的区域；包括以下步骤：

4、步骤一：根据带肋离心压气机转静盘腔的结构特征，确定估算方法所需的几何参数作为结构输入参数，包括：离心压气机转静盘腔的内径、外径以及肋条的几何尺寸、数量及分布；

5、步骤二：根据设计发动机的性能要求，确定带肋离心压气机的工况作为性能输入参数；包括：离心压式气机的转速、进口质量流量；

6、步骤三：根据步骤一和步骤二的输入参数，确定无量纲参数，包括质量流量系数、旋转雷诺数、湍流系数、源区系数；

7、步骤四：对转静盘腔的源区径向位置进行估算，并估算压力损失系数；

8、所述转静盘腔的源区径向位置估算公式如下：

9、

10、其中，re为源区径向位置,a为带肋离心压气机转静盘腔的外径，φ为源区系数；

11、所述压力损失系数的估算公式如下：

12、

13、其中，cp为压力损失系数，b为带肋离心压气机转静盘腔的内径，rc为肋条顶部径向位置。

14、相较于现有估算方法，本发明提供的带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法具有以下优点：

15、(1)本方法能够考虑压气机叶轮背部肋条位置、尺寸、数量和分布的影响，尤其是肋条沿叶轮盘周向均匀分布的方式。

16、(2)本方法适用范围广，适用于旋转雷诺数reφ为1～2×106，质量流量系数cω为0.15～104，湍流系数λt为2×10-6～0.09范围内的压力损失系数估算。

17、(3)本方法计算简单，通过带肋离心压气机的结构参数和性能参数即可进行估算，且不涉及复杂流场的计算，能够大幅减少计算时间，计算效率高。

18、(4)通过改变结构输入参数，本方法能够很快确定带肋离心压气机转静盘腔设计时的几何尺寸选择范围，从而节省发动机设计时的反复迭代周期。

技术特征：

1.一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，带肋离心压气机转静盘腔结构包括离心式压气机转子(1)、离心式压气机叶片(2)、转子轮盘壁面(3)以及附在压气机转子轮盘壁面(3)上的肋条(6)、压气机静子(4)和静子轮盘壁面(5)以及转子轴壁面(13)，转静盘腔(11)是由盘腔进口(9)、转子轮盘壁面(3)、肋条(6)、转子轴壁面(13)、盘腔出口(10)和静子轮盘壁面(5)围成的区域；其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法,其特征在于：所述的压力损失系数的估算公式是通过结构参数进行估算，而非压力分布进行估算。

3.根据权利要求2所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：所述结构参数包括肋条的长度l、高度h、数量。

4.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：空气由盘腔进口(9)流入转静盘腔(11)，经由静子轮盘壁面(5)的阻挡作用，空气的流动方向由轴向改为径向流动，其流动方向为沿静子轮盘壁面(5)的表面由高径向位置流向低径向位置，在低径向位置，一部分空气流向转子轴壁面(13)，并由于转子轴壁面(13)的阻挡作用，流动方向由径向改为轴向，并由盘腔出口(10)流出，另外一部分空气由于离心力的作用回流，由低径向位置沿转子轮盘壁面(3)流向高径向位置，这部分空气在盘腔进口(9)附近会与新进入盘腔的空气进行混合，在高径向位置区域形成源区(12)。

5.根据权利要求4所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：源区(12)内空气沿着切向的流动速度大于沿着径向的流动速度。

6.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：步骤三中的质量流量系数的计算式为：

7.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：步骤三中的旋转雷诺数的计算式为：

8.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：步骤三中的湍流系数计算式为：

9.根据权利要求1所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，其特征在于：步骤三中的源区系数计算式为：

10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法,其特征在于：所述旋转雷诺数为1～2×106，质量流量系数为0.15～104，湍流系数为2×10-6～0.09。

技术总结
本发明公开了一种带肋离心式压气机转静盘腔压力损失系数估算方法，包括：步骤一：根据带肋离心压气机转静盘腔的结构特征，确定估算方法所需的几何参数作为结构输入参数，包括：离心压气机转静盘腔的内径、外径以及肋条的几何尺寸、数量及分布；步骤二：根据设计发动机的性能要求，确定带肋离心压气机的工况作为性能输入参数；包括：离心压式气机的转速、进口质量流量；步骤三：根据步骤一和步骤二的输入参数，确定无量纲参数，包括质量流量系数、旋转雷诺数、湍流系数、源区系数；步骤四：对转静盘腔的源区径向位置进行估算，并估算压力损失系数。本发明的方法能够大幅减少计算时间，提升计算效率。

技术研发人员：唐云冰,骆易凡,张鸿,赵强,孔庆国,张昊,包梦娇
受保护的技术使用者：常州环能涡轮动力股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13