一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及叶轮

摘要

一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及离心压气机叶轮。本发明首先采用正弦或余弦函数方法确定叶轮分流叶片周向角的初始值，然后通过流体、结构和声学耦合分析，获得离心压气机叶轮声辐射图谱、振动响应频谱和声场分布特性等性能参数，最后根据性能参数结果，优化叶轮分流叶片周向角的偏置幅值，确定叶轮分流叶片周向角最终值。本发明将计算流体力学分析、模态分析、边界元法相结合进行耦合分析，综合考虑叶轮气动性能、振动响应性能和噪声特性，保证叶轮工作性能，改善离心压气机叶轮出口流动均匀性，降低气动噪声声压级，改善离心压气机噪声性能和结构振动响应特性，满足高速叶轮平衡要求，起到减振降噪的作用。

权利要求

1.一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法，其特征在于，包含以下步骤：选取所述离心压气机叶轮的主叶片和分流叶片的数目；

根据所述主叶片和分流叶片的数目，采用沿圆周方向均布形式，建立主叶片和分流叶片均匀分布的原始叶轮流体模型和原始叶轮结构模型，确定所述主叶片和分流叶片周向角的基本值；

选取所述分流叶片周向角的偏置幅值的初始值，根据正弦函数方法或余弦函数方法，将所述分流叶片周向角的基本值、所述分流叶片周向角的偏置幅值的初始值代入正弦函数或余弦函数公式中，获得所述分流叶片周向角的初始偏置值，确定偏置后的分流叶片周向角的初始值，根据所述偏置后的分流叶片周向角的初始值，建立分流叶片偏置后的叶轮流体模型和叶轮结构模型；

采用计算流体力学方法，对所述原始叶轮流体模型以及偏置后的叶轮流体模型进行流场分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力；

采用有限元方法，对所述原始叶轮结构模型以及偏置后的叶轮结构模型进行模态分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构模态；

根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力和结构模态，采用声学软件，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应；

根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应，采用边界元法，获得原始叶轮以及偏置后的叶轮的声辐射图谱、振动响应频谱和声场分布特性性能参数；

判断所述偏置后的叶轮性能参数是否优于所述原始叶轮性能参数，若否，则更新所述叶轮分流叶片周向角的偏置幅值，重复上述步骤；若是，则输出所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值；

将所述分流叶片周向角的基本值、所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值代入正弦函数或余弦函数公式中，获得所述偏置后的分流叶片周向角的最终值。

2.根据权利要求1所述的离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法，其特征在于：所述正弦函数或余弦函数方法包含偏置幅值、周期数和初始相位角三个特征值；所述周期数为正弦函数在叶轮单转内的周期数，且为偶数；所述偏置幅值不超过所述主叶片周向角的基本值的正负15％；所述初始相位角变化范围为-π至π。

3.一种离心压气机叶轮，其特征在于，包括：所述叶轮含有主叶片和偏置后的分流叶片，且所述主叶片和偏置后的分流叶片的数目均为偶数，所述主叶片沿叶轮圆周方向均匀分布，所述主叶片周向角为2π除以所述主叶片的数目，所述偏置后的分流叶片沿叶轮圆周方向非均匀分布，所述偏置后的分流叶片的周向角的大小在叶轮单转周期之内呈正弦函数或余弦函数规律变化，所述偏置后的分流叶片相对于所述主叶片的周向位置为非对称位置，所述偏置后的分流叶片之间的间距非均匀变化；所述偏置后的分流叶片的周向角的偏置幅值不超过所述主叶片的周向角的正负15％；所述正弦函数或余弦函数在叶轮单转内的周期数为偶数；所述正弦函数或余弦函数初始相位角为0°。

4.根据权利要求3所述的一种离心压气机叶轮，其特征在于：所述正弦函数或余弦函数在叶轮单转内的周期数为2或者4。

说明书

一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及叶轮

技术领域

[0001] 本发明具体涉及一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及叶轮。

背景技术

[0002] 离心压气机具有结构紧凑，单机增压比高，稳定工作范围宽等特点，广泛应用于航空航天，船舶，汽车，电力等领域。随着压气机向高转速高压比方向发展，振动噪声问题日益严重。现有叶轮机械噪声控制方式主要包括有源控制、叶片尾迹控制、多孔材料控制和不等距叶片控制，其中前三种方法成本较高，不等距叶片控制方法成本较低，在风扇和泵中有相关应用，但对于离心压气机叶轮，目前尚缺乏具体不等距叶片设计方法，相关叶轮设计参数的确定方法及其对振动噪声性能影响规律尚不明确。

发明内容

[0003] 为解决上述问题，本发明提供一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及叶轮，在保证压气机工作性能的同时降低压气机振动噪声。

[0004] 本发明所采取的技术方案是：一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法，其特征在于，包含以下步骤：选取所述离心压气机叶轮的主叶片和分流叶片的数目；根据所述主叶片和分流叶片的数目，采用沿圆周方向均布形式，建立主叶片和分流叶片叶片均匀分布的原始叶轮流体模型和原始叶轮结构模型，确定所述主叶片和分流叶片的周向角的基本值；选取所述分流叶片周向角的偏置幅值的初始值，根据正弦函数方法或余弦函数方法，获得所述分流叶片周向角的初始偏置值，确定偏置后的分流叶片周向角的初始值；根据所述偏置后的分流叶片周向角的初始值，建立分流叶片偏置后的叶轮流体模型和叶轮结构模型；采用计算流体力学方法，对所述原始叶轮流体模型以及偏置后的叶轮流体模型进行流场分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力；采用有限元方法，对所述原始叶轮结构模型以及偏置后的叶轮结构模型进行模态分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构模态；根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力和结构模态，采用声学软件，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应；根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应，采用边界元法，获得原始叶轮以及偏置后的叶轮的声辐射图谱、振动响应频谱和声场分布特性等性能参数；判断所述偏置后的叶轮性能参数是否优于所述原始叶轮性能参数，若否，则更新所述叶轮分流叶片周向角的偏置幅值，重复上述步骤；若是，则输出所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值；将所述分流叶片周向角的基本值、所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值代入正弦函数或余弦函数公式中，获得所述偏置后的分流叶片周向角的最终值。

[0005] 进一步的，所述的离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法，其特征在于：所述正弦函数或余弦函数方法包含偏置幅值、周期数和初始相位角三个特征值；所述周期数为正弦函数在叶轮单转内的周期数，且为偶数；所述偏置幅值最大不超过所述主叶片周向角的基本值的正负15％；所述初始相位角变化范围为 -π至π。

[0006] 本发明还提供了一种离心压气机叶轮，其特征在于：所述叶轮含有主叶片和偏置后的分流叶片，且所述主叶片和偏置后的分流叶片的数目均为偶数，所述主叶片沿叶轮圆周方向均匀分布，所述主叶片周向角为2π除以所述主叶片的数目，所述偏置后的分流叶片沿叶轮圆周方向非均匀分布，所述偏置后的分流叶片的周向角的大小在叶轮单转周期之内呈正弦函数或余弦函数规律变化，所述偏置后的分流叶片相对于所述主叶片的周向位置为非对称位置，所述偏置后的分流叶片之间的间距非均匀变化，所述偏置后的分流叶片的周向角的偏置幅值最大不超过所述主叶片的周向角的正负15％；所述正弦函数或余弦函数在叶轮单转内的周期数为偶数，可选的，为2或者4；可选的，所述正弦函数或余弦函数初始相位角为0°。

[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0008] 1、本发明将计算流体力学分析、模态分析、边界元法相结合进行耦合分析，获得离心压气机结构振动响应特性和声场特性，根据振动响应特性和声场特性以及正弦或余弦函数方法，确定离心压气机分流叶片调整周向角的最终值，综合考虑叶轮气动性能、振动响应性能和噪声特性，改善离心压气机叶轮出口流动均匀性，降低气动噪声声压级，改善离心压气机噪声性能和结构振动响应特性，保证叶轮工作性能，起到减振降噪的作用。

[0009] 2、分流叶片周向角根据正弦(余弦)规律选择，且周期数为偶数，质心在旋转中轴线上，可以满足高速叶轮平衡要求。

附图说明

[0010] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0011] 图1为一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法的流程图。

[0012] 图2为一种离心压气机叶轮的分流叶片周向角的示意图。

[0013] 图3为一种离心压气机叶轮的实施例一的分流叶片周向角正弦函数规律示意图。

[0014] 图4为一种离心压气机叶轮的实施例二的分流叶片周向角正弦函数规律示意图。

[0015] 图5为一种离心压气机叶轮的实施例一的分流叶片周向角对比图。

[0016] 图6为一种离心压气机叶轮的实施例二的分流叶片周向角对比图。

[0017] 图中标号说明：轮毂1，主叶片2，偏置后的分流叶片3，均匀分布的分流叶片4，下标i为分流叶片编号，依次为i＝0，1，2，3…，均匀分布的分流叶片周向角的基本值θ，偏置后的分流叶片的周向角θ′i。

具体实施方式

[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0019] 本发明的目的是提供一种离心压气机叶轮的优化方法。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0020] 参照图1，本发明的离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法包括以下步骤：

[0021] 选取所述离心压气机叶轮的主叶片和分流叶片的数目；根据所述主叶片和分流叶片的数目，采用沿圆周方向均布形式，建立主叶片和分流叶片均匀分布的原始叶轮流体模型和原始叶轮结构模型，确定所述主叶片和分流叶片的周向角的基本值；选取所述分流叶片周向角的偏置幅值的初始值，根据正弦函数方法或余弦函数方法，将所述分流叶片周向角的基本值、所述分流叶片周向角的偏置幅值的初始值代入正弦函数或余弦函数公式中，获得所述分流叶片周向角的初始偏置值，确定偏置后的分流叶片周向角的初始值；根据所述偏置后的分流叶片周向角的初始值，建立分流叶片偏置后的叶轮流体模型和叶轮结构模型；采用计算流体力学方法，对所述原始叶轮流体模型以及偏置后的叶轮流体模型进行流场分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力；采用有限元方法，对所述原始叶轮结构模型以及偏置后的叶轮结构模型进行模态分析，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构模态；根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的流场非定常激振力和结构模态，采用声学软件，获得所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应；根据所述原始叶轮以及偏置后的叶轮的结构振动位移响应，采用边界元法，获得原始叶轮以及偏置后的叶轮的声辐射图谱、振动响应频谱和声场分布特性等性能参数；判断所述偏置后的叶轮性能参数是否优于所述原始叶轮性能参数，若否，则更新所述叶轮分流叶片周向角的偏置幅值，重复上述步骤；若是，则输出所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值；将所述分流叶片周向角的基本值、所述分流叶片周向角的偏置幅值的优化值代入正弦函数或余弦函数公式中，获得所述偏置后的分流叶片周向角的最终值。

[0022] 进一步的，所述的离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法，其特征在于：所述正弦函数或余弦函数方法包含偏置幅值、周期数和初始相位角三个特征值；所述周期数为正弦函数在叶轮单转内的周期数，且为偶数；所述偏置幅值最大不超过所述主叶片周向角的基本值的正负15％；所述初始相位角变化范围为 -π至π。

[0023] 结合图2，一种离心压气机叶轮，其特征在于：所述叶轮含有主叶片2和偏置后的分流叶片3，且所述主叶片2和偏置后的分流叶片3的数目均为偶数，所述主叶片2沿叶轮圆周方向均匀分布，所述主叶片2周向角为2π除以所述主叶片2的数目，所述偏置后的分流叶片3沿叶轮圆周方向非均匀分布，所述偏置后的分流叶片3的周向角的大小在叶轮单转周期之内呈正弦函数或余弦函数规律变化，所述偏置后的分流叶片3相对于所述主叶片2的周向位置为非对称位置，所述偏置后的分流叶片3之间的间距非均匀变化，所述偏置后的分流叶片3的周向角的偏置幅值最大不超过所述主叶片2的周向角的正负15％；所述正弦函数或余弦函数在叶轮单转内的周期数为偶数，可选的，为2或者4；可选的，所述正弦函数或余弦函数初始相位角为0°。

[0024] 结合图3至图6，一种离心压气机叶轮的实施例一和实施例二的分流叶片周向角正弦(或余弦) 函数规律，由以下公式确定：

[0025] θ′i＝θi+Δθmax·yi。

[0026] 其中， 或

[0027] θi是均匀分布的分流叶片的周向角，该角与均匀分布的主叶片的周向角相同，θ′i是偏置后的分流叶片的周向角，Δθmax是分流叶片周向角最大偏置幅值，不超过均匀分布的主叶片的周向角的正负15％， A为叶轮单转周期内的正弦(余弦)规律周期数目，取2或者4，下标i依次为分流叶片编号0,1,2,…,5， 为正弦(余弦)规律曲线的初始相位角，[0028] 实施例一，如图3和图5所示，所述离心压气机叶轮有六个主叶片2和六个偏置的分流叶片3，所述正弦函数在叶轮单转周期之内的周期数为2，所述偏置的分流叶片3周向角最大偏置幅值为所述主叶片2的周向角的正负15％，且所述初始相位角 根据所述正弦函数，所述六个偏置的分流叶片3对应的周向角按顺序依次为：θ′0＝0°、θ′1＝66.9°、θ′2＝113.1°、θ′3＝180°、θ′4＝246.9°、θ′5＝293.1°。可选的，可为余弦函数。

[0029] 实施例二，如图4和图6所示，所述离心压气机叶轮有六个主叶片2和六个偏置的分流叶片3，所述正弦规律在叶轮单转周期之内内的周期数为4，所述偏置的分流叶片3周向角最大偏置幅值为所述主叶片2的周向角的正负15％，且所述初始相位角 根据所述正弦函数规律，所述六个偏置的分流叶片3对应的周向角按顺序依次为：θ′0＝0°、θ′1＝53.1°、θ′2＝126.9°、θ′3＝180°、θ′4＝233.1°、θ′5＝306.9°。可选的，可为余弦函数。

[0030] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。