CN101846099B - 一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅 - Google Patents

Abstract

一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅，同一叶片排中每相邻的三个叶片为一组，以第一个叶片(1)的前缘轴向位置为定位基准，与其相邻的第二个叶片(2)位于第一个叶片的叶背表面一侧，其前缘位置沿叶栅的轴向后移，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(3)位于第二个叶片的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片的前缘沿叶栅轴向后移，移动距离为第一个叶片轴向弦长的5％～15％；第三个叶片绕其前缘旋转1°～4°。本发明在一个叶片排中形成三个互不相同的气流通道，气流流动具有不同于现有技术的独有特征，在叶片设计弯度不变的条件下可以有效提高叶片的气动负荷，并使压气机气动稳定性有所改善。

Description

一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅

一、技术领域

本发明涉及轴流式叶轮机械领域，是一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅布局。 

二、背景技术

提高轴流压气机气动负荷是现代高推重比航空燃气涡轮发动机对压气机的要求。但是，一般来说，在提高压气机叶片气动负荷的同时，常常引起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措施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，应尽可能提高压气机的稳定裕度，以避免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来说，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，通过叶片排中的两个相邻叶片的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的叶盆表面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。 

现有技术的叶栅在叶片弯度不变的条件下，只有通过增大叶栅稠度的方法来提高气流的转折角，即加大叶栅的气动负荷。但是，当稠度增大到一定值后，对设计点小攻角状态下转折角的提高效果很有限，且将引起流动损失明显上升。 

三、发明内容

为克服现有技术中存在的压气机叶栅小攻角状态下气流转折角难以有效提高的不足，本发明提出了一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅。 

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背表面一侧，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背表面一侧，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3以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转1°～4°，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，即第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成叶栅气流通道A，第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道B，第三个叶片的叶背与相邻的另一组的第一个叶片的叶盆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。 

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A和通道B分别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C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，从而将减弱其提高稳定性的效果。对于本发明的叶栅来说，通道A的流动将恶化，且通道B的流动也会恶化，但由于第三个叶片绕其前缘向着第二个叶片方向旋转了一个角度，使得通道B的扩张程度有所降低，因而会使流动恶化的程度有所缓解，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C的流动就如同两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B的流动，会得到改善，而且由于第三个叶片相对于第一个叶片后移的距离 更大，且该通道是与流动恶化程度减弱的通道B相邻，来自于通道B的不良影响也相应降低，所以通道C中流动改善程度将超过两个叶片一组交错排列叶栅中的通道B，更容易阻止通道A和通道B的分离区沿叶栅切向的传播，使得气动稳定性改善的效果不仅没有降低，还可能增强其效果。 

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，这是现有技术难以解决的问题。对于本发明的叶栅布局构型，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，改变了叶片的安装角，使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进行了流场计算和叶栅风洞吹风实验的对比研究，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，而且流动损失减小。 

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，仍然低于更低稠度的本发明叶栅的气流转折角。 

本发明在叶片弯度不变以及叶栅气动稳定性不降低并有可能得到改善的条件下，使叶栅的气流转折角增大、气动负荷增加、流动损失降低。采用本发明叶栅布局的压气机，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布局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是本发明的叶栅布局方案。 

附图中： 

1-第一个叶片    2-第二个叶片    3-第三个叶片 

A-第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道 

B-第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道 

C-第三个叶片的叶背与相邻叶片组的第一个叶片的叶盆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 

本实施例中叶栅的排布方式为：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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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7.5％；且第三个叶片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°，本实施例的叶栅与常规均匀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，彼此之间损失基本相当，本实施例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°；相应的叶栅吹风实验结果为，本实施例的叶栅损失低于常规均匀叶栅和两个叶片一组交错排列的叶栅，而气流转折角比常规均匀叶栅增大约1°，比两个叶片一组交错排列的叶栅增大2°以上。 

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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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4°。 

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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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。对于每个叶片组，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背表面一侧，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的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片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)

1.一种提高叶片气动负荷的压气机叶栅，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(1)的叶背表面一侧，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(1)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(2)的叶背表面一侧，其前缘相对于第二个叶片(2)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(3)以其前缘为中心由叶背向着叶盆方向旋转1°～4°；同一叶片排的其它叶片组则按此方式排布。