[发明专利]一种离心压气机叶轮分流叶片周向角设计方法及叶轮

说明书

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。

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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°。