CN101846098B - 一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式 - Google Patents

一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式 Download PDF

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Abstract

一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式,同一叶片排中每相邻的三个叶片为一组,以第一个叶片(1)前缘轴向位置为基准,相邻的第二个叶片(2)位于第一个叶片叶盆表面一侧,其前缘位置沿叶栅的轴向后移,移动距离为第一个叶片轴向弦长L的7%~15%;与第二个叶片相邻的第三个叶片(3)位于第二个叶片叶盆表面一侧,其前缘相对于第二个叶片(2)前缘沿叶栅轴向后移,移动距离为第一个叶片(1)轴向弦长的5%~15%;第三个叶片绕其前缘旋转1°~3°。本发明在一个叶片排中形成三个互不相同的气流通道,气流在其中的流动能够提高压气机的气动稳定性,并在各叶片叶型设计弯度不变的条件下明显增大叶片的气动负荷。

Description

一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式
一、技术领域
本发明涉及轴流式叶轮机械领域,是一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式。
二、背景技术
提高轴流压气机气动负荷、减少压气机级数是现代高推重比航空燃气涡轮发动机对压气机的要求。在压气机设计中,提高压气机叶片气动负荷往往带来的后果就是压气机的气动稳定性降低。为此,人们已经在气动设计和结构设计上采取了许多方案来提高压气机的气动稳定性。现有常规的轴流压气机叶片采用完全轴对称的、均匀布局的设计方案,当进口气流攻角较大时,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。在压气机气动设计中,应尽可能避免使压气机工作在这种不稳定的状态。但对现有的对称均匀叶栅,所能挖掘的潜力很受局限。
在公告号为CN1955492的中国发明专利中公开了一种压气机叶栅的气动布局方案,通过叶片排中的相邻两个叶片前缘在压气机轴向的位置交错排列(移动距离为叶片轴向弦长的5%~15%),当位置在前的叶片(叶片1)工作在大的进口正攻角状态时,由于叶片1对流入气流的限制与导向作用,前缘轴向位置向后移动的叶片(叶片2)的进口气流攻角减小,从而使叶片2的流动得到改善,提高压气机的气动稳定性。
对于现有技术的压气机叶栅来说,在叶片弯度不变的前提下,只有通过增大叶栅稠度的方法来提高气流的转折角,加大叶栅的气动负荷。但是,当稠度增大到一定值后,增加设计点附近小攻角状态下的气流转折角的效果很有限,同时还会引起流动损失的明显上升。
在相邻两个叶片一组轴向位置交错排列的叶栅中,由于通道A和通道B是彼此相邻的,通道A的流动对通道B产生影响,从而减弱了这种叶栅结构增加气动稳定性的效果。
三、发明内容
为了克服现有技术中存在的叶栅小攻角气动负荷增加不易、气动稳定性效果提升有限的不足,本发明提出了一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式。
本发明所采取的技术方案是将沿叶栅切向,即X方向排列的同一叶片排中的各叶片前缘按叶栅的轴向,即Z方向位置的前后不同排布。排布时,同一叶片排中每相邻的三个叶片为一个叶片组,在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片位于第一个叶片的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片轴向弦长L的7%~15%;与第二个叶片相邻的第三个叶片位于第二个叶片的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片轴向弦长L的5%~15%;第三个叶片绕其前缘旋转1°到3°,旋转方向是由叶片的叶背指向叶盆;同一叶片排的其它叶片组则按此方式排布。
在一个叶片组中,由于三个叶片前缘的轴向位置不同,它们依次排列后所构成的叶栅气流通道为三种不同的形式,即第一个叶片的叶盆与第二个叶片的叶背构成叶栅气流通道A,第二个叶片的叶盆与第三个叶片的叶背构成的叶栅气流通道B,以及第三个叶片的叶盆与相邻的另一组的第一个叶片的叶背构成的叶栅气流通道C。
一般来说,构成同一气流通道的叶片叶盆及叶背两个表面的相对轴向位置不同,对流动的影响不同。如两表面的轴向相对位置相同时,就是现有技术中常规的叶片均匀对称排布叶栅所对应的气流通道。相比均匀对称叶栅,叶盆表面相对轴向位置在前面的,构成该通道的叶盆表面对气流产生作用的位置提前以及作用加强,通道中的流动条件将得到改善;相反,叶盆表面相对轴向位置在后面的,构成该通道的叶盆表面对气流产生作用的位置退后且作用减弱,通道中的流动条件将恶化。
本发明的压气机叶栅区别于现有技术的显著特征是:叶栅由顺序排列的叶片组构成,每个叶片组由三个叶片构成,三个叶片中的第二个叶片位于第一个叶片叶盆的一侧,而第三个叶片则位于第二个叶片的叶盆一侧,第二个叶片和第三个叶片的前缘分别相对于其叶背一侧的相邻叶片前缘沿轴向后移一段距离,且第三个叶片绕其前缘由叶背向叶盆方向旋转1°~3°,从而形成三个叶片不同轴向位置的排列方式,构成了三个互不相同的、具有独特结构的气流通道,气流在三个不同通道中的流动特征不同于现有技术,从而可以获得叶栅气动负荷及气动稳定性的提升。
与两个叶片一组交错排列的叶栅(公告号为CN1955492的中国发明专利)相比,本发明叶栅的气流通道C与两个叶片一组交错排列叶栅中的通道A相似,而本发明的通道A和通道B则与两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B相似。当叶栅工作在大的进口气流攻角状态时,对于两个叶片一组交错排列的叶栅,通道A的流动将恶化,而通道B的流动则会得到改善,利用通道B来抑制通道A中分离区在叶栅切向的传播,这是其提高气动稳定性的基本思路,但由于通道A与通道B是彼此相邻的,恶化的通道A中的流动必然会影响到相邻的通道B中的流动,从而消弱了其提高稳定性的效果。对于本发明的叶栅来说,通道C的流动将恶化,且第三个叶片相对于第一个叶片其后移的距离更大,导致通道中的流动恶化程度加大,但由于第三个叶片绕其前缘向着另一组的第一个叶片方向旋转了一个角度,使得通道C的扩张程度有所降低,因而会使流动恶化的程度得到一定的缓解,而且,叶片旋转一个角度后也使得气流流过叶栅的转折角增大。本发明的叶栅通道A和通道B的性质与两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B相似,其流动也如同两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B的流动,均会得到改善,而且通道B将通道A及通道C分隔开来,即使通道C对通道B产生影响减弱了通道B中流动的改善程度,但通道B仍可以使通道C对相邻通道的不良影响局限于通道B中,从而确保了通道A的流动改善优于两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B。因此,本发明与公告号为CN1955492的中国发明专利在扩大稳定性机理上的区别就在于利用了两个流动得到改善的叶栅通道来阻断通道C中的分离区沿叶栅切向的传播,使得气动稳定性改善的效果得到加强。
当叶栅进口气流攻角为零度左右的小攻角状态时,为了提高叶栅的气动负荷即气流转折角,在叶片弯度不变的前提下,通常需要增大叶栅的稠度。但对于常规均匀对称叶栅和两个叶片一组交错排列叶栅来说,叶栅稠度增大到一定程度以后,再增加稠度对提高小攻角状态下的气流转折角几乎没有效果,同时,由于气流堵塞而使流动损失明显增大,这是现有技术不易解决的问题。对于本发明叶栅中的叶片排布方式,因为一个叶片组中有两个叶片轴向位置后移,使得叶栅稠度较大的条件下进口气流堵塞减轻,而且第三个叶片绕其前缘向着增大转折角的方向旋转了一定的角度,改变了其安装角,保证了气流流过叶栅的转折角增大,气动负荷得以提高。
对本发明的叶栅、常规均匀对称叶栅及两个叶片一组交错排列叶栅(公告号为CN1955492的中国发明专利)进行了流场计算的对比研究,三种叶栅的气动设计条件相同,叶片的弯角也相同,其中本发明的叶片组中第一个叶片与两个叶片一组交错排列叶栅的叶片1相同,本发明的叶片组中第二个和第三个叶片与两个叶片一组交错排列叶栅的叶片2相同。计算的结果表明,本发明叶栅的气流转折角比常规均匀对称叶栅和两个叶片一组交错排列叶栅的气流转折角增大了1°~2°,尤其是在小攻角范围内,本发明叶栅不仅气流转折角增大,而且流动损失并未增大。
对稠度增大后的常规均匀对称叶栅及两个叶片一组交错排列叶栅的流场计算研究结果表明,虽然稠度增大后使得常规均匀对称叶栅及两个叶片一组交错排列叶栅在大攻角状态下的气流转折角加大,但在小攻角状态下,常规均匀对称叶栅及两个叶片一组交错排列叶栅的流动损失明显上升,而其气流转折角增加却不明显,转折角低于更低稠度的本发明叶栅的气流转折角,且其流动损失高于本发明的叶栅。
因此,与现有技术的常规均匀对称叶栅及公告号为CN1955492的中国发明专利相比,采用本发明的叶栅中叶片排布方式,在叶片弯度不变以及叶栅气动稳定性得到改善的条件下,使叶栅的气流转折角增大、气动负荷增加。采用本发明叶栅的压气机,可以选取零攻角甚至负攻角作为其气动设计点的攻角,这样,不仅可以依靠本发明的叶栅气动构型获得设计点附近的较高气动负荷及较高的效率,而且设计点攻角更小也意味着压气机的失速裕度更大。
四、附图说明
附图1是本发明叶栅的叶片排布方式。
附图中:
1-第一个叶片    2-第二个叶片    3-第三个叶片
A-第一个叶片的叶盆与第二个叶片的叶背构成的叶栅气流通道
B-第二个叶片的叶盆与第三个叶片的叶背构成的叶栅气流通道
C-第三个叶片的叶盆与相邻叶片组的第一个叶片的叶背构成的叶栅气流通道
L-第一个叶片的轴向弦长    X-叶栅切向方向坐标    Z-叶栅轴向方向坐标
五、具体实施方式
实施例一
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的11%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的5.7%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转2°,即叶片3以轴向定义的进口和出口几何角比叶片2分别减小了2°。
所述各叶片叶型设计弯角均为41°,本发明的叶栅与常规均匀对称叶栅和两个叶片一组交错排列的叶栅均按照同样进、出口条件进行流场数值优化设计,叶栅流场数值仿真计算的结果表明,在小攻角状态下彼此之间损失基本相当,本发明叶栅的气流转折角比常规均匀叶栅增大约1.5°,比两个叶片一组交错排列的叶栅增大约2.0°。
当常规均匀对称叶栅和两个叶片一组交错排列叶栅的稠度增大后,流场计算结果显示,在小攻角状态下,其流动损失高于本发明的叶栅,且其气流转折角仍低于本发明叶栅约1.0°左右。
实施例二
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的7%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的15%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转2°。
实施例三
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的15%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的5%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转2°。
实施例四
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的10%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的10%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转2°。
实施例五
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的15%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的15%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转3°。
实施例六
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的12%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的13%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转3°。
实施例七
本实施例叶栅的排布方式为:沿叶栅切向,即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向,即Z方向位置的前后不同排布。在同一叶片组中,以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片2位于第一个叶片1的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的8%;与第二个叶片2相邻的第三个叶片3位于第二个叶片2的叶盆表面一侧,其前缘轴向位置相对于第二个叶片2的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离,所移动的距离为第一个叶片1轴向弦长L的7%;且叶片3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转1°。

Claims (1)

1.一种增加气动负荷及稳定性的压气机叶栅的叶片排布方式,包括由叶片组成的叶片排,并且同一叶片排中的各叶片前缘按叶栅的轴向,即Z方向位置的前后不同排布,由相邻叶片的叶盆和叶背构成叶栅气流通道,其特征在于,同一叶片排中每相邻的三个叶片为一个叶片组;在同一叶片组中,以第一个叶片(1)的前缘轴向位置为轴向的定位基准,与其相邻的第二个叶片(2)位于第一个叶片的叶盆表面一侧,其前缘位置相对于定位基准沿叶栅的轴向向后移动,所移动的距离为第一个叶片轴向弦长L的7%~15%;与第二个叶片(2)相邻的第三个叶片(3)位于第二个叶片的叶盆表面一侧,其前缘相对于第二个叶片的前缘沿叶栅轴线方向后移,所移动的距离为第一个叶片轴向弦长L的5%~15%;第三个叶片绕其前缘由叶片的叶背向着叶盆方向旋转1°~3°;同一叶片排的其它叶片组则按此方式排布。
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