CN101418816A

CN101418816A - 一种压气机超、亚声叶型组合叶栅

Info

Publication number: CN101418816A
Application number: CNA2008102394479A
Authority: CN
Inventors: 李秋实; 李绍斌; 吴宏; 周盛; 陆亚钧
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明涉及一种压气机超、亚声叶型组合叶栅，主要针对高负荷压气机来流超声大气流转角的静子设计。此类静子需同时实现激波减速和气流大转折两个功能，用传统单排叶栅实现难度较大，本发明通过超、亚声叶型组合叶栅，通过前后排分别实现这两种功能，即前排采用超声叶型实现激波减速，后排采用亚声叶型实现大的气流转角。另外进行前后排相对位置的最优匹配，周向方向上后排前缘靠近前排压力面15％～25％栅距，轴向方向上不重叠或适度重叠，使前排尾迹在后排得到良好地控制，也使后排来流马赫数在适当的范围之内，减速扩压过程平缓，从而使组合叶栅达到较好的整体性能。该超、亚声叶型组合叶栅适用于来流马赫数1.0～1.5，D因子在0.7以上，有较好的工程应用前景。

Description

一种压气机超、亚声叶型组合叶栅

技术领域

本发明涉及一种航空发动机压气机超、亚声叶型组合叶栅，尤其是指一种用于高负荷压气机来流超声大转角静子的超、亚声叶型组合叶栅。

背景技术

航空发动机的主要发展趋势是高推重比，即不断追求发动机更轻的重量和更大的推力。压气机是发动机的三大部件之一，起到对气流压缩作功的作用。要实现发动机高推重比则要求压气机用更少的级数实现高压比，因此对压气机提出了高负荷的发展要求。

压气机转子通过使气流产生周向速度，实现对气流的加功；而静子则使气流扩压、并同时减小周向速度使气流偏回轴向。高负荷的压气机使转、静子负荷都有所增加，对于转子要求其加功量进一步增加，从而使静子进口马赫数和气流角也相应地增加，对于进口级风扇，容易导致静子进口局部超声，从而易在静子通道内部形成激波，引起高损失。对于此类高负荷风扇/压气机的静子，要求在来流超声情况下实现大转角，其设计难度非常大。因为常规设计都尽量使静子来流马赫数控制在1.0以下，避免在静子内产生激波。

对于来流超声大转角的静子设计，若采用常规单排叶栅，既要实现激波减速，又要实现大转角，设计难度较大。于是考虑用双排组合叶栅分别实现激波减速和气流转弯的功能，即前排采用超声叶型实现激波减速，将超声气流降为亚声；后排采用亚声叶型实现气流大转角。另外，本发明以通流设计方法为基础实现该类超、亚声叶型组合叶栅的设计。

发明内容

作为高负荷压气机来流超声大转角静子设计的一种选择，本发明提供一种超、亚声叶型组合叶栅。

本发明提出的超、亚声叶型组合叶栅，指前排采用平直的小弯角的超声叶型，后排采用大弯角的亚声叶型，如图1所示，使超声来流在前排形成激波减速，气流在后排形成大角度折转。超、亚声叶型组合叶栅适用于来流马赫数在1.0～1.5之间，D因子达到0.7以上。

前后排叶栅采用一定合适的负荷分配，若用压升系数衡量，前后排压升系数比值在1.8～2.2之间为佳。双排叶栅在周向方向形成一定栅距的错位，本发明更趋向于后排亚声叶型前缘更靠近前排超声叶型的压力面，后排前缘距前排压力面15％～25％栅距，即15％≤t/s≤25％，如图1所示，使前排尾迹在后排得到良好的发展和控制。在轴向方向形成一定的重叠或不重叠，前排尾缘与后排前缘轴向距离变化范围在前排轴向弦长C的±10％之间。通过前后排相对位置优化产生最佳匹配效果，使组合叶栅具有较高的性能。

本发明内容还包括针对该类组合叶栅的设计方法。以通流设计方法为基础，将超、亚声叶型组合叶栅设计放入级设计环境中，通过通流计算得到静子区域的气流角分布，划分前后排轴向分界位置，再分别进行叶片造型，前排采用超声叶型进行造型，后排采用亚声叶型进行造型，然后再进行双排叶片相对位置的匹配，最终完成超、亚声叶型组合叶栅的设计。

本发明的内容是一种应用于来流超声大转角静子情况的超、亚声叶型组合叶栅概念，及以通流设计为基础的此类组合叶栅的设计方法。

附图说明

图1为压气机超、亚声叶型组合叶栅；

图2为压气机超、亚声叶型组合叶栅三维造型效果图；

图3为组合叶栅后排周向位置对损失系数的影响((a)为后排不同周向位置，(b)为后排不同周向位置对损失系数的影响)

具体实施方式

超、亚声叶型组合叶栅的设计具体实施步骤如下：

步骤1：给定流道、叶片前尾缘和环量分布等参数，在级环境下进行通流设计，得到子午面参数分布包括静子区域的气流角分布；

步骤2：根据计算的气流角分布划分前后排轴向分界位置，使前排气流角变化稍小(小于10°)，后排气流角变化稍大，并计算前后排负荷分配，检验前后排压升系数比值是否在1.8～2.2之间，若偏差较大，需返回步骤1进行环量分布的调整；

步骤3：根据前后排气流角分布对前后排分开进行叶片造型，造型时前排用超声叶型，后排用亚声叶型；

步骤4：进行双排叶栅最优相对位置匹配的调整，在周向方向形成一定栅距的错位，本发明趋向于后排亚声叶型更靠近前排压力面位置，距前排压力面15％～25％栅距，即15％≤t/s≤25％，在轴向方向可以形成一定的重叠或不重叠，前排尾缘与后排前缘轴向距离变化范围在前排轴向弦长C的±10％之间，重叠时则需保证后排尾缘在前排尾缘之后；

步骤5：进行2D或3D计算分析，评价超、亚声叶型组合叶栅流场和性能，若需要改进，则进行叶型、稠度或前后排相对位置的优化调整。

如图3为来流马赫数1.25气流转角52°时，轴向间隙为0时，后排周向位置对总损失系数和前、后排各自损失系数的影响，在后排前缘靠近前排压力面20％栅距即c位置处，组合叶栅D因子达到0.745，损失系数为0.106，在来流条件严峻的情况下具有较好的性能。

本发明抓住来流超声大转角静子的两大功能，即激波减速和气流大转角，分别用超声叶型和亚声叶型实现这两种功能。通过超声叶型将气流由超声降为亚声，采用超声叶型能良好地控制激波强度，避免过强的激波损失和激波/附面层干扰引起的大尺度分离损失；通过亚声叶型使气流在亚声条件下实现大折转。通过合理安排与前排的相对位置，不但让前排实现较好的激波减速效果，使前排尾迹在后排得到良好地控制，也使后排来流马赫数在适当的范围之内，减速扩压过程平缓，从而使组合叶栅具有较高的整体性能。

本发明的优点在于对于来流超声大转角静子情况无需采用复杂的流动控制措施如吹吸气等，且避免了单排叶栅既要实现激波减速又要实现大转角的叶型设计困难，用超、亚声叶型分别实现各自功能，且通过两者相对位置最优匹配，使超、亚声叶型组合叶栅整体性能较高，具有较好的工程应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种压气机超、亚声叶型组合叶栅，其特征在于前排采用平直的超声叶型，实现激波减速，后排采用大弯角亚声叶型，实现气流大转角(图1)。

2、如权利要求1所述的压气机超、亚声叶型组合叶栅，适用于来流马赫数在1.0～1.5之间，D因子达到0.7以上，可针对来流超声大转角静子应用。

3、如权利要求1所述的压气机超、亚声叶型组合叶栅，其特征在于超、亚声叶栅在周向方向存在一定栅距的错位，本发明趋向后排前缘更靠近前排压力面，距前排压力面15％～25％栅距(图1)。

4、如权利要求1所述的压气机超、亚声叶型组合叶栅，其特征在于超、亚声叶栅在轴向方向可以存在一定的重叠或不重叠，前排尾缘与后排前缘轴向距离变化范围在前排轴向弦长C的±10％之间(图1)。

5、如权利要求1所述的压气机超、亚声叶型组合叶栅，其特征在于设计方法包括以下步骤：

(1)以通流设计方法为基础，在级环境下进行通流计算，得到静子区域气流角分布；

(2)根据计算的气流角分布划分前后排轴向分界位置，并评价负荷分配；

(3)根据前后排气流角分布分别用超声和亚声叶型对前后排进行叶片造型；

(4)进行双排叶栅最优相对位置匹配的调整，在周向方向形成一定栅距的错位，在轴向方向可以形成一定的重叠或不重叠。