CN101169138B

CN101169138B - 一种轴流压缩机静子叶片排的排布形式

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Publication number: CN101169138B
Application number: CN200610104800A
Authority: CN
Inventors: 刘前智; 廖明夫
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: CN101169138A

Abstract

本发明是一种压缩机静子叶片排的排布形式。为克服现有技术轴向尺寸大、重量重的不足，本发明将静子叶片制作成宽叶片(1)和从叶根至叶尖各截面叶型的轴向弦长相对于宽叶片(1)减小5％～15％的窄叶片(2)；δ与宽叶片的轴向弦长S的比值为5％～15％；将两种叶片间隔排列在同一静子叶排中，相邻的叶片前缘间有δ的错位，而尾缘处则在同一轴向位置上对齐；宽叶片(1)与相邻的两个窄叶片(2)之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.82～1.2。依此方法排列其它静子叶排，使宽、窄叶片交替排列时所构成的叶片气流通道为两种不同的形式。由于本发明所采取的技术方案，有效地减小了静子叶片排的重量，使压缩机的重量显著减小。

Description

一种轴流压缩机静子叶片排的排布形式

(一)技术领域

本发明涉及轴流叶轮机械领域，是一种可以减轻压缩机重量的静子叶片排的排布形式。

(二)背景技术

重量和气动稳定性是轴流压缩机重要的性能参数之一。为此，人们已经在材料、加工、气动设计和结构设计等方面采取了许多措施来减轻压缩机的重量、提高压缩机的气动稳定性。

现有的轴流压缩机的叶片采用完全轴对称的、均匀布局的设计方案，即不论压缩机转子叶片排还是静子叶片排，沿圆周方向均采用相同的叶片按照周向均匀、轴向位置相同的布局排列。对于这种轴对称的均匀布局，只能通过叶片的气动和强度优化设计来减轻重量。现有的压缩机，特别是航空发动机所用的压气机就是采用这类方法设计的。但要进一步减轻压缩机的重量，很难找到新的解决方案。另外，当压缩机进口气流攻角较大时，均匀布局的叶片排每个叶片叶背表面的气流附面层会同时发生分离，严重时导致旋转失速甚至喘振，并最终可能造成结构损坏。这种气动失稳现象，是压缩机设计时力求避免的问题。但对现有的对称均匀叶片排，所能挖掘的潜力很受局限。

1974年由美国A.J.Wennerstrom提出了一种转动叶片排的布局方案，即在原叶片通道中的后半部分增加一个分流叶片或称小叶片(参考文献ARL-TR-74-0110)，其目的是降低转动叶片的气流落后角，以提高压缩机的增压比。但是，由于分流叶片是安装在转动叶片排中，而且叶片的尺寸和厚度均比原叶片小得多，这就使得分流叶片在结构及强度上存在较大的问题，工程上实现起来比较困难。

为了提高压缩机的气动稳定性，2005年西北工业大学在申请号为200510096231.8的专利申请中提出了一种叶片排交错排列的布局方案，即在同一叶片排中，相邻叶片在轴向前后交错，构成交错叶片排。但该方案中交错排列所用的叶片轴向尺寸相同，故同一排叶片的前缘和尾缘的轴向位置均交错排列，导致叶片排的轴向尺寸增大。

(三)发明内容

为克服叶片排交错排列的布局使叶片排的轴向尺寸增大、采用分流叶片则结构强度上不易满足要求，并且工程上实现起来比较困难的不足，本发明提出了一种可有效地减轻压缩机重量的静子叶片排的排布形式。

本发明所采用的技术方案是将压缩机的静子叶片制作成宽叶片和窄叶片两种，并且窄叶片从叶根至叶尖各截面叶型的轴向弦长和厚度相对于宽叶片均减小5％～15％。

当同一叶片排的叶片数目为偶数时，则宽、窄叶片的数目相同，且将宽、窄叶片间隔排列在同一静子叶排中；宽叶片与相邻的窄叶片之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.82～1.2。

当同一叶片排的叶片数目为奇数时，宽叶片的数目比窄叶片的数目多一片，排列叶片时，将两片宽叶片相邻排列，两个相邻的宽叶片之间的间距为E，并且E与(C+D)的比值为0.5；其余叶片仍按宽、窄叶片间隔的方式排列在同一静子叶排，即在同一排叶片中，有两片宽叶片的一侧相邻而在另一侧与窄叶片相邻，其余宽叶片的两侧均与窄叶片相邻，宽叶片与相邻的窄叶片之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.82～1.2.

在同一静子叶排中，所有叶片的尾缘都处于同一轴向位置，即尾缘对齐；所有宽叶片的前缘都处于同一轴向位置，即前缘对齐；所有窄叶片的前缘也都处于同一轴向位置，即前缘对齐；而宽、窄叶片的前缘则不在同一轴向位置上，使宽叶片和窄叶片的前缘轴向位置有δ的错位；宽、窄叶片前缘的轴向距离δ为宽叶片轴向弦长S的5％～15％。

窄叶片与宽叶片交替排列时所构成的叶片气流通道为两种不同的形式，即宽叶片的叶背与窄叶片的叶盆构成叶片气流通道A，宽叶片的叶盆与窄叶片的叶背构成叶片气流通道B。

由于本发明所采取的叶片排布方案是在静子叶排上实施，静子叶排上的叶片与转子叶排上的叶片相比，静子叶片无需承受转子旋转而作用在转子叶片上巨大的离心负荷，而且窄叶片轴向弦长只比宽叶片轴向弦长减小5％～15％，因此，不存在结构和强度上的困难，工程上容易实现。

由于窄叶片的轴向弦长和厚度比宽叶片的轴向弦长和厚度要减小5％～15％，因此，窄叶片叶身的重量比宽叶片叶身的重量降低约10％～30％。故采用这种叶片排列布局，则整个静子叶片排的重量可显著减小。

压缩机在小流量大攻角情况下工作时，常规的对称均匀静子叶片排中所有叶片叶背表面附面层将同时发生分离，与前面的转动叶片排进行相互干扰，严重时会导致旋转失速发生。但对于本发明所设计的静子叶片排，其叶片数保持不变，在同样条件下工作时，由于气流在叶片通道中会受到宽叶片的导向作用，窄叶片前缘的气流攻角将会减小，使得叶背表面附面层厚度变薄，有可能推迟或消除叶背表面的气流分离，使叶片通道B的气体流动保持通畅，使流动保持稳定，从而达到提高流动稳定性的目的。

(四)附图说明：

附图1是常规对称均匀排列叶片排的布局结构。

附图2是带分流叶片的转子叶片排的布局结构。

附图3是叶片排叶片数为偶数时本发明的叶片排列布局结构。

附图4是叶片排叶片数为奇数时本发明的叶片排列布局结构。

其中：1.宽叶片 2.窄叶片

(五)具体实施方式：

实施例一

本实施例是一静子叶片数量为60片的单级轴流压缩机.实施中，将压缩机的静子叶片制作成30片宽叶片1和30片窄叶片2，叶片排中的叶片数目保持不变，宽叶片1的尺寸同均匀排列时按常规设计的尺寸，窄叶片2的几何尺寸与宽叶片1相比缩小6％，并沿周向，即X方向将宽叶片1和窄叶片2交替排布，构成静子叶片排.排布时，每相邻的宽、窄叶片的前缘轴向位置有δ的错位，使同一静子叶排中叶片的尾缘处同一轴向位置上，而前缘则不在同一轴向位置上；窄叶片2前缘的轴向位置比宽叶片1前缘的轴向位置向后错开的距离δ为宽叶片1轴向弦长S的6％，宽叶片1分别与两侧相邻的两个窄叶片2之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.82.

本实施例窄叶片2的重量比宽叶片1的重量减轻约11％。

实施例二

本实施例是一台双级轴流压缩机，其第一级静子叶片数量为57片，第二级静子叶片数量为74片。

实施中，将压缩机的第一级静子叶片制作成29片宽叶片1和28片窄叶片2，宽叶片1的轴向弦长同均匀排列时按常规设计的尺寸，窄叶片2的几何尺寸与宽叶片1相比缩小10％；排布时，沿周向，即X方向先将两片宽叶片1的一侧彼此相邻排列，另一侧则分别与窄叶片相邻；然后将其余的叶片按照宽叶片1和窄叶片2交替排布的方式排列，构成静子叶片排。排布时，所有宽叶片1前缘的轴向位置都相同，所有窄叶片2前缘的轴向位置也都相同，而相邻的宽叶片1和窄叶片2的前缘轴向位置有δ的错位，使同一静子叶排中叶片的尾缘处同一轴向位置上，而宽叶片和窄叶片的前缘则不在同一轴向位置上；窄叶片2前缘的轴向位置比宽叶片1前缘的轴向位置向后错开的距离δ为宽叶片1轴向弦长S的10％，窄叶片2分别与两侧相邻的两个宽叶片1之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为1.0；两片相邻的宽叶片1之间的间距为E，并且E与(C+D)的比值为0.5。

将压缩机的第二级静子叶片制作成37片宽叶片和37片窄叶片，窄叶片2的几何尺寸与宽叶片1相比缩小15％，并沿周向，即X方向将宽叶片1和窄叶片2交替排布，构成第二级静子叶片排。排布时，每相邻的两个叶片的前缘轴向位置有δ的错位，使同一静子叶排中叶片的尾缘处在同一轴向位置上，而前缘则不在同一轴向位置上，窄叶片2前缘与宽叶片1前缘的轴向距离δ为宽叶片1轴向弦长S的15％，宽叶片1与两边相邻的两个窄叶片2之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为1.2。

本实施例中第一级静子叶片排窄叶片2的重量比宽叶片1的重量减轻约19％，第二级静子叶片排窄叶片2的重量比宽叶片1的重量减轻约28％。

实施例三

本实施例是一静子叶片数量为67片的单级轴流压缩机。实施中，将压缩机的静子叶片制作成34片宽叶片和33片窄叶片，叶片排中的叶片数目保持不变，窄叶片2的几何尺寸与宽叶片1相比缩小12％；排布时，沿周向，即X方向先将两片宽叶片1的一侧彼此相邻排列，另一侧则分别与窄叶片相邻；然后将其余的叶片按照宽叶片1和窄叶片2交替排布的方式排列，构成静子叶片排。排布时，所有宽叶片1和宽叶片1前缘的轴向位置都相同，所有窄叶片2前缘的轴向位置也都相同，而相邻的宽叶片和窄叶片的前缘轴向位置有δ的错位；同一静子叶排中叶片的尾缘处同一轴向位置上，而宽叶片和窄叶片的前缘则不在同一轴向位置上；窄叶片2前缘的轴向位置比宽叶片1前缘的轴向位置向后错开的距离δ为宽叶片1轴向弦长S的12％，窄叶片2分别与两侧相邻的两个宽叶片1之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.92；两片相邻的宽叶片1之间的间距为E，并且E与(C+D)的比值为0.5。本实施例中，窄叶片2的重量比宽叶片1的重量减轻约23％。

Claims

1.一种轴流压缩机静子叶片排的排布形式，其特征在于同一静子叶排中包括宽叶片(1)和窄叶片(2)两种叶片；窄叶片(2)从叶根至叶尖各截面叶型的轴向弦长和厚度相对于宽叶片(1)均减小5％～15％；并且：

a.当同一叶片排的叶片数目为偶数时两种叶片间隔排列；

b.当同一叶片排的叶片数目为奇数时，宽叶片(1)的数目比窄叶片(2)的数目多一片，排列叶片时，将两片宽叶片(1)相邻排列，其余叶片仍按宽、窄叶片间隔的方式排列在同一静子叶排，即在同一排叶片中，有两片宽叶片(1)的一侧彼此相邻而另一侧与窄叶片(2)相邻，其余宽叶片(1)的两侧均与窄叶片(2)相邻；

c.宽叶片(1)和窄叶片(2)的前缘轴向位置有δ的错位，尾缘在同一轴向位置对齐；

d.宽叶片(1)与相邻的窄叶片(2)之间在前缘处分别形成间距C与D，并且C与D的比值为0.82～1.2；依此方法排列其它静子叶排。

2.根据权利要求1所述轴流压缩机静子叶片排的排布形式，其特征在于宽叶片(1)和窄叶片(2)前缘的轴向错位δ为宽叶片(1)轴向弦长S的5％～15％。

3.根据权利要求1所述轴流压缩机静子叶片排的排布形式，其特征在于当叶片排的叶片数为奇数时，唯一相邻的宽叶片之间的间距为E，并且E与(C+D)的比值为0.5。