CN101122295A - 低反动度压气机 - Google Patents
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Abstract
低反动度压气机，它涉及一种压气机。本发明的目的是为解决现有十一级压气机存在的单级压比低、结构复杂、级数多、重量大、制造成本高的问题。本发明转子(8)上的动叶片(2)与机壳(9)上的静叶片(3)相互交错设置，级数为七级，动叶转折角为39～41°，静叶转折角为17～19°，末级动叶转折角为38～42°，末级静叶转折角为60～66°。本发明的优点在于：压气机的压比得到了显著的提高，附面层抽吸仅仅在静叶栅内进行，减少了抽吸结构的复杂性；级压比的提高，可以减少压气机的级数，降低成本；将其应用到地面燃气轮机压气机、高压头风机、航空发动机压气机中，可以减少压气机的级数和重量，大幅度减少制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种压气机。
背景技术
压气机的功能是将气体压缩到特定的压力。因为压缩气体需要消耗能量，故压气机必须有原动机(如电动机、透平机等)驱动。按工作方式不同，压气机可以分为旋转式和活塞式，而旋转式又分为轴流式和离心式。轴流式压气机除用于增压气体外，还是燃气轮机的重要组成部分，广泛用于航空、地面、舰船和导弹等领域，是非常重要的动力设备。
压气机工作原理(参见图1)：气体由左侧流入，升压后由右侧流出。通流部分由很多叶片组成，除进口导叶片和出口导叶片外，每级均包含动叶片和静叶片。运行时动叶片对气体做功，提高总压并使静压有所提升，静叶片的作用则是将动叶片所作的功转化为静压的提高，气体压力逐级升高。
出口压力和进口压力之比值称为压比。为了得到更高的单级压比和气动负荷，一般可以采取两种方法：通过提高转速以增加动叶叶尖的切线速度或增加扭速(在一定条件下相当于增大动叶转角)。前一种方法显然受材料强度等条件的限制，切线速度不能过高。那么，为了进一步增加单级压比，唯有提高扭速，相应增大动叶的转角。但问题随之而来，按常规反动度范围设计的动叶在大转角情况下随着逆压梯度增加，吸力面将发生严重的分离流动，效率急剧降低，这显然对压气机的稳定工作是极其不利的，而且动叶中的分离流动控制比静叶更加困难和复杂(动叶中采用附面层抽吸技术将面临结构实现方面的巨大困难)。反动度是指动叶栅的静参数实际功和理论功之比，它反映了总加入功在动叶栅中转变为压力能的大小。常规的轴流压气机气动设计方法中基元级的反动度一般取0.5左右，动叶和静叶的负荷相差不大。
现有某十一级压气机(见表1)的单级压比为1.15，动叶转折角为31°，动叶扩压因子为0.292，静叶转折角为27°，静叶扩压因子为0.315。该压气机存在单级压比低、结构复杂、级数多、重量大、制造成本高的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有十一级压气机存在压气机的单级压比低、结构复杂、级数多、重量大、制造成本高的问题，现提供一种低反动度压气机。本发明由进口导向叶片1、动叶片2、静叶片3、出口导向叶片4、两个轴承5、密封装置6、扩散器7、转子8、机壳9和收缩器10组成，两个轴承5分别设置在机壳9的两端上，转子8的两端分别与两个轴承5相连接，转子8与机壳9的结合部设有密封装置6，机壳9内的进口端设有收缩器10，机壳9内的出口端设有扩散器7，进口导向叶片1固定在收缩器10右侧的机壳9内，出口导向叶片4固定在扩散器7左侧的机壳9内，动叶片2固定在转子8上，静叶片3固定在机壳9上，转子8上的动叶片2与机壳9上的静叶片3相互交错设置，压气机的级数为七级，动叶片转折角为39～41°，静叶片转折角为17～19°，末级动叶片转折角为38～42°，末级静叶片转折角为60～66°。
随着附面层抽吸技术的采用，叶栅的转折角与加功量可以大大超过以往的经验推荐值。在这种条件下，反动度与动叶的安装角等指标也可以突破传统的经验数值，本发明所提出的低反动度压气机设计概念就是结合附面层抽吸技术而产生的。而本发明的核心思想就是在增加动叶转折角的同时采用低反动度设计，在动叶片内不产生强烈的分离，使动叶片本身具有较高的效率，同时具有极高的总压比。为了保证级出口的静压和气流角，因此静叶将具有很大的几何转折角，如果不采取任何控制措施，静叶中将发生严重的气流分离，使压气机不能工作，在此情况下，在静叶栅中采用附面层抽吸技术，以减弱或控制分离，使得压气机具有超高总压比，且效率与常规压气机基本相同。
本发明是在增加动叶转折角的同时采用低反动度设计，在动叶片内不产生强烈的分离，使动叶片本身具有较高的效率，此种设计会增加静叶的转折角，因此需在静叶内采用附面层抽吸技术以控制分离。本发明的优点在于：压气机的压比得到了显著的提高，附面层抽吸仅仅在静叶栅内进行，减少了抽吸结构的复杂性；级压比的提高，可以减少压气机的级数，降低成本；将其应用到地面燃气轮机压气机、高压头风机、航空发动机压气机中，可以减少压气机的级数和重量，大幅度减少制造成本。本发明不仅适用于燃气轮机压气机，也适用于航空发动机压气机、轴流压缩机、通风机等轴流式叶轮机械领域。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是七级压气机动叶片和静叶片的结构简图，图3是动叶流量效率曲线图，图4是总压损失系数沿轴向分布图，图5是125％轴向弦长总压损失系数沿叶高分布图。图1中的附图标记是：1-进口导向叶片、2-动叶片、3-静叶片、4-出口导向叶片、5-轴承、6-密封装置、7-扩散器、8-转子、9-机壳、10-收缩器。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1、图2)本实施方式由进口导向叶片1、动叶片2、静叶片3、出口导向叶片4、两个轴承5、密封装置6、扩散器7、转子8、机壳9和收缩器10组成，两个轴承5分别设置在机壳9的两端上，转子8的两端分别与两个轴承5相连接，转子8与机壳9的结合部设有密封装置6，机壳9内的进口端设有收缩器10，机壳9内的出口端设有扩散器7，进口导向叶片1固定在收缩器10右侧的机壳9内，出口导向叶片4固定在扩散器7左侧的机壳9内，动叶片2固定在转子8上，静叶片3固定在机壳9上，转子8上的动叶片2与机壳9上的静叶片3相互交错设置，压气机的级数为七级，动叶片转折角为39～41°，静叶片转折角为17～19°，末级动叶片转折角为38～42°，末级静叶片转折角为60～66°。
具体实施方式二：本实施方式的动叶片转折角为39.5～40.5°，静叶片转折角为17.5～18.5°，末级动叶片转折角为39～41°，末级静叶片转折角为64～65.5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的动叶片转折角为40°，静叶片转折角为18°，末级动叶片转折角为40°，末级静叶片转折角为65°。其它与具体实施方式一相同。
图2是将十一级压气机改成七级压气机的方案简图。设计指标是；压比不变、效率基本不变；增加单级压比使压气机的级数由原来的十一级减少为七级。总体设计思想是：前六级通过控制静叶片的出口气流角使静叶片的扩压因子不超过现有的设计水平(不进行附面层抽吸亦能保持低能量损失)，最后一级仅在静叶片进行附面层抽吸，全部的动叶片采用低反动度、大转角方案。
表1给出了七级低反动度设计方案，从表中可以看出单级压比比现有十一级压气机显著提升，由于采用了低反动度设计方案，因此动叶片的扩压因子并没有提高，在这种条件下动叶栅内不会出现附面层的大尺度分离，仍然可以保持着较高的动叶片效率；对于前六级静叶片而言，由于每一级静叶片都作为下一级动叶片的预旋导叶，通过预旋角的合理选取使得每一级静叶片的转角与扩压因子都维持在现有的技术可以实现低损失流动的范围内，因此前六级静叶的损失也不会有所增加。但有一点是值得注意的，在这种设计方案中不需要每一级静叶片的出口气流角都保持为轴向出气，这也是实现每一级大转角动叶片扩压因子显著降低的预旋条件。上述设计特点造成了前六级叶栅内静压升与传统的设计方法相比会有所降低，因此对于最后一级静叶栅而言必须实现较大静压升，这在几何上的体现就是最后一级静叶栅的出口气流角为轴向出气，并且转折角远远的超过了传统的经验数值，此时，对于最后一级静叶栅要采用附面层抽吸方式以消除大转角所带来的角区失速与叶片中部的分离，从总体结构来讲，附面层抽吸仅仅发生在最后一级的静叶栅中，因此大大简化了附面层抽吸结构。上述分析结果表明，高负荷、低反动度吸附式压气机的设计概念在地面燃气轮机多级压气机中的应用是可行的，是一种有效提高负荷、减少级数的设计方法。
设计思路：增大动叶片的折转角(在叶展中部的转角可达到60度)，减少动叶片的反动度(沿叶高方向的平均反动度为0.18)；上述设计条件使得静叶片的平均转折角达到65度，对静叶片采用吸力面与下端壁联合进行附面层抽吸控制分离的方案(总的抽吸流量在5％)。
由表2并结合图4、图5和图6可以看出，采用低反动度、静叶片进行附面层抽吸可以使压比大幅度的提高，同时效率保持在较高的水平。
表1十一级压气机改为七级的低反动度方案
| 级数 | 总压比 | 单级压比 | 动叶转折角 | 动叶扩压因子 | 静叶转折角 | 静叶扩压因子 | 末级动叶转折角 | 末级动叶扩压因子 | 末级静叶转折角 | 末级静叶扩因子 | |
| 原型 | 11 | 4.6 | 1.15 | 31° | 0.292 | 27° | 0.315 | / | / | / | / |
| 改型 | 7 | 4.6 | 1.25 | 40° | 0.223 | 18° | 0.37 | 40° | 0.389 | 65° | 0.793 |
表2静叶附面层抽吸方案与压气机总体性能
| 方案 | 主流压力 | 端壁压力 | 叶面压力 | 总抽吸量 | 总压比 | 效率 |
| 1 | 100500 | 85000 | 90000 | 4.73％ | 1.0345 | 0.66 |
| 2 | 103400 | 86000 | 95000 | 7.19％ | 1.0485 | 0.80 |
| 3 | 103000 | 87000 | 96000 | 5.15％ | 1.0483 | 0.84 |
| 4 | 103200 | 87000 | 97000 | 5.01％ | 1.0495 | 0.85 |
Claims (3)
1.一种低反动度压气机，它由进口导向叶片(1)、动叶片(2)、静叶片(3)、出口导向叶片(4)、两个轴承(5)、密封装置(6)、扩散器(7)、转子(8)、机壳(9)和收缩器(10)组成，两个轴承(5)分别设置在机壳(9)的两端上，转子(8)的两端分别与两个轴承(5)相连接，转子(8)与机壳(9)的结合部设有密封装置(6)，机壳(9)内的进口端设有收缩器(10)，机壳(9)内的出口端设有扩散器(7)，进口导向叶片(1)固定在收缩器(10)右侧的机壳(9)内，出口导向叶片(4)固定在扩散器(7)左侧的机壳(9)内，动叶片(2)固定在转子(8)上，静叶片(3)固定在机壳(9)上，转子(8)上的动叶片(2)与机壳(9)上的静叶片(3)相互交错设置，其特征在于压气机级数为七级，动叶片转折角为39～41°，静叶片转折角为17～19°，末级动叶片转折角为38～42°，末级静叶片转折角为60～66°。
2.根据权利要求1所述的低反动度压气机，其特征在于动叶片转折角为39.5～40.5°，静叶片转折角为17.5～18.5°，末级动叶片转折角为39～41°，末级静叶片转折角为64～65.5°。
3.根据权利要求1所述的低反动度压气机，其特征在于动叶片转折角为40°，静叶片转折角为18°，末级动叶片转折角为40°，末级静叶片转折角为65°。
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| CNA2007100726598A CN101122295A (zh) | 2007-08-15 | 2007-08-15 | 低反动度压气机 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102168688A (zh) * | 2011-06-10 | 2011-08-31 | 罗钜 | 轴流式压气机静子叶片 |
| CN102536893A (zh) * | 2010-12-21 | 2012-07-04 | 哈米尔顿森德斯特兰德公司 | 空气循环机压缩机转子 |
| CN104454568A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-03-25 | 赵立军 | 一种轴流式空气压缩机 |
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2007
- 2007-08-15 CN CNA2007100726598A patent/CN101122295A/zh active Pending
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| CN102168688A (zh) * | 2011-06-10 | 2011-08-31 | 罗钜 | 轴流式压气机静子叶片 |
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