CN102022378B

CN102022378B - 一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大小叶片叶轮

Info

Publication number: CN102022378B
Application number: CN201010603459A
Authority: CN
Inventors: 刘火星; 陈懋章; 綦蕾; 于贤君; 柳阳威; 王洪伟
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102022378A

Abstract

本发明公开了一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大小叶片叶轮，包括大叶片、小叶片，叶轮主体，大叶片和小叶片相互间隔布置在叶轮主体上；所述大叶片、小叶片两侧的形线在末端尾缘处形成开口宽度W分别为0.4～0.8倍大叶片、小叶片的最大叶片厚度；通过曲线将大叶片与小叶片的两侧形线末端尾缘处连接，使大叶片与小叶片形成钝尾缘结构；大叶片、小叶片末端尾缘处连接的曲线高度h为0～0.8W，由此使叶片吸力面后部的局部分离显著增大。本发明的优点在于：可避免气流在叶片吸力面后部尾缘附近的分离，减小了尾迹宽度，使气流在叶片吸力面后部的局部分离小、尾缘损失小、气流转角大。且采用本发明大小叶片叶轮制成的压气机的工作效率有显著提高。

Description

一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大小叶片叶轮

技术领域

本发明涉及一种应用于叶片式压气机中的具有钝尾缘结构的大小叶片叶轮，属于航空轴流压气机技术领域。

背景技术

叶片式压气机一般用于给气体增压，分为轴流式、离心式和斜流式压气机。轴流式压气机气体的流动方式是轴向排气，轴向出气；离心式压气机气体的流动方式是轴向进气，径向排气；斜流式压气机是轴流与离心压气机的折衷，轴向进气，与轴向有一定角度排气。轴流式和斜流式压气机包括叶轮，包括动轮和静轮，叶轮上设有叶片。叶轮及其叶片的结构形式对压气机的增压能力影响极大。值得一提的是，航空涡轮叶片通常较厚，约为压气机叶片的2～5倍，这是因为涡轮工作在很高的温度条件下，其涡轮进口温度接近2000K，这个温度已远远超过目前材料的耐温水平，为了保证涡轮叶片的正常工作及寿命，必须采用先进的冷却技术来冷却涡轮叶片，使叶片温度降到材料允许的温度限制值以下。冷却的方法是叶片内部设计为空心结构，冷气从叶片中间通过，通过冷气与高温叶片的换热作用实现冷却，从而大幅度加强涡轮叶片承受热负荷的能力。因而，如图1所示，涡轮叶片的厚度比压气机叶片要大得多，具体到叶片尾缘，涡轮叶片尾缘的厚度要比压气机叶片尾缘厚度大1～5倍。另一方面，涡轮通道中气流的压力是降低的，气流在叶片通道后部不会产生分离，而压气机内气流压力在流动时是增加的，压力的作用使气流很容易分离。因此，涡轮叶片尾缘处是压力减小的流动，而压气机尾缘处是压力增加的流动，二者在流动结构和抗分离能力方面有本质区别。

目前，提高轴流式和斜流式压气机增压能力的方法有两个，一个是增加转子叶轮的转速，一个是增加气流经过叶片后的转角。提高转速导致压气机进口处气流相对叶片的流速超音，从而产生激波，激波的存在可以起到增压的作用，但太强的激波会导致叶面边界层分离造成压气机效率下降，所以如何通过加大气流转角的方式增加压气机增压能力是目前的主要研究方向。

如图1所示，现有技术中的轴流式和斜流式压气机中，叶轮上的大叶片2、小叶片3相互间隔布置，其中的大叶片2、小叶片3的尾缘为逐渐减薄的结构，即大叶片2与小叶片3两侧形线在尾缘处形成的开口宽度取值范围为0～0.2倍最大叶片厚度。由于压气机叶轮的工作要求是在保持低损失的条件下实现流经压气机叶轮的气体压力提高，所以气流在压气机叶轮中流动过程中承受着越来越高的压力，即承受着逆压梯度，在逆压梯度作用下气流会在大叶片2与小叶片3间形成的通道后部叶片吸力面附近与叶片表面分离，分离表现为气流不再附着在叶片吸力面流向出口，代之以气流和叶片吸力面之间出现一个由气体构成的大小叶片吸力面分离区4，该分离区4内气体的流动速度比远离叶片吸力面区域气体的流动速度低得多，甚至在紧靠大叶片2与小叶片3吸力面的区域内还会出现逆流，即气体流动方向为从大叶片2与小叶片3间形成的通道出口流向入口。分离会带来两个后果：a.气流转角减小，因为分离产生的分离区4使得气流远离大叶片2与小叶片3吸力面从而导致气流转角减小；b.增大损失，大叶片2与小叶片3吸力面附近低速区和叶片通道中主流相互作用会引起掺混损失。

发明内容

本发明的目的是提供一种气流在叶片吸力面后部的局部分离小、尾缘损失小、气流转角大的应用在压气机上的具有钝尾缘结构的大小叶片叶轮，采用本发明大小叶片叶轮制成的压气机的工作效率有显著提高。

本发明一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大小叶片叶轮，包括大叶片、小叶片，叶轮主体，所述大叶片和小叶片相互间隔布置在叶轮上；所述大叶片和小叶片两侧的形线在尾缘处不汇合，而是形成一个开口，通过用直线、圆弧线、梯形折线或其它形式的曲线将叶片两侧形线的末端尾缘处连接起来形成钝头，由此使大叶片和小叶片形成的钝尾缘结构。

大叶片与小叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W的取值范围为0.4～0.8倍叶片最大厚度，大叶片与小叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h的取值范围为0～0.8W，由此使叶片吸力面后部的局部分离显著增大，所述大叶片与小叶片的最大叶片厚度小于0.1倍叶片弦长。

本发明的优点在于：

1、本发明大小叶片叶轮及压气机，由于大叶片、小叶片的尾缘为钝尾缘，气流在叶片吸力面后部的局部分离小、尾缘突扩损失小、气流转角大。

2、本发明大小叶片叶轮及压气机，由于大叶片、小叶片的尾缘为钝通过设计大叶片、小叶片的尾缘具体尺寸，应用到压气机中，可有效提高压气机性能。

附图说明

图1为气流流过现有压气机中叶轮的叶片时的状态示意图；

图2为本发明大小叶片叶轮结构示意图；

图3为气流流过本发明大小叶片叶轮的叶片时的状态示意图；

图4为本发明中叶片的尾缘的平面钝尾缘结构示意图；

图5为本发明中叶片的尾缘的弧面钝尾缘结构示意图；

图6为本发明中叶片的尾缘的梯形面钝尾缘结构示意图；

图7为本发明中叶片的尾缘的具体中几何参数选取示意图；

图8为本发明中叶片的厚度具体选取示意图；

图9为实施例1中的压气机与现有压气机的工作效率曲线对比图；

图10为实施例2中的亚及其与现有压气机的工作效率曲线对比图；

图11为实施例3中的压气机与现有压气机的工作效率曲线对比图。

图中：

1-叶轮主体 2、大叶片 3、小叶片

4、尾缘 5-吸力面分离区

具体实施方式

一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大小叶片叶轮，包括叶轮主体1、大叶片2与小叶片3，叶轮主体1上相互间隔布置有大叶片2、小叶片3，如图2所示。

如图3所示，所述大叶片2和小叶片3两侧的形线在尾缘4处不汇合，而是形成一个开口，通过用直线、圆弧线、梯形折线或其它形式的曲线将叶片两侧形线的末端尾缘4处连接起来形成钝头，由此使大叶片2和小叶片3形成的钝尾缘结构。

这种钝尾缘的结构可以为以下几种方式：

a、在叶片的尾缘4处设有平面，平面垂直于尾缘4的延伸方向，如图4所示；

b、在叶片的尾缘4处设有弧面，如图5所示；

c、在叶片的尾缘4处设有梯形面，如图6所示；

根据需要，也可以设计成其它形式的钝尾缘结构。

无论上述哪种形式的钝尾缘结构，大叶片2与小叶片3两侧的形线在尾缘4处形成的开口的宽度W以及形成钝头的曲线的高度h(即：钝头的高度)是关键几何参数。其中，宽度W的之间，曲线的高度h的取值范围为0～0.8W，如图7所示，由此使叶片吸力面后部的局部分离显著增大，若宽度W超出0.4～0.8倍叶片最大厚度或曲线的高度h超出0～0.8W时，叶片尾缘损失增大。因此，只有满足上述取值范围时，所构造出的大叶片与小叶片的钝尾缘可实现气流在叶片吸力面后部的局部分离小、尾缘损失小、气流转角大的效果。所述大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度小于0.1倍叶片弦长，如图8所示。采用钝尾缘结构的大小叶片叶轮中，可以只将大叶片3的尾缘设计为钝尾缘或只将小叶片4尾缘设计为钝尾缘或将大叶片2和小叶片3的尾缘4均设为钝尾缘。

采用钝尾缘结构的大小叶片叶轮中也可以只设置大叶片2，可以将全部大叶片2的尾缘4设计为钝尾缘。

采用上述具有钝尾缘结构的大小叶片叶轮，可以使大叶片2与小叶片3间所形成的通道后部流道扩张程度减小。由于大叶片2与小叶片3间所形成的通道从入口到出口都是扩张型通道，即流通面积是增大的，流通面积在入口和出口之间的变化关系与叶片的几何形状直接相关。由于气流流经扩张通道是否发生分离决定于通道的扩张程度，因此叶片通道后部的扩张程度决定了叶片吸力面尾缘附近是否发生分离或分离程度的大小。因此采用本发明所述的钝尾缘结构大小叶片后，使大叶片2与小叶片3间所形成的通道后部流道扩张程度相比现有尖尾缘条件下减小，从而有效减小或消除了大小叶片吸力面分离区5，从而实现了降低掺混损失及增大气流转角的作用。

但采用钝尾缘结构的大小叶片也会带来不利效果，叶片尾缘厚度增加会导致叶片尾迹宽度增加，低速区增大，从而导致损失增加。但经试验研究结果表明，叶片吸力面分离导致的损失占总损失的70％，而尾缘损失占总损失的10％，由此可见叶片吸力面分离导致的损失远大于尾缘尾迹增宽带来的损失，由于采用钝尾缘可有效的减小吸力面的分离，但足以弥补钝尾缘结构使叶片尾迹宽度增加带来的损失。

实施例1：

采用的大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度分别为0.06倍大叶片与小叶片的弦长，且大叶片2与小叶片3两侧的形线在尾缘4处形成的开口的宽度W分别为0.4倍大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度，形成钝头的曲线的高度h为0.2W。将上述大叶片2与小叶片3相互间隔布置叶轮主体1上形成大小叶片叶轮。在增压比为2.0压气机中应用上述大小叶片叶轮，通过压气机试验测得其工作效率为0.825，远远高于现有压气机的工作效率，压气机性能有明显提升，如图9所示。

实施例2：

采用的大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度分别为0.06倍大叶片与小叶片的弦长，且大叶片2与小叶片3两侧的形线在尾缘4处形成的开口的宽度W分别为0.45倍大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度，形成钝头的曲线的高度h为0.6W。将上述大叶片2与小叶片3相互间隔布置叶轮主体1上形成大小叶片叶轮。在增压比为1.6的压气机中应用上述大小叶片叶轮，通过压气机试验测得其工作效率为0.82，远远高于现有压气机的工作效率0.75，流量提升6.5％，压气机性能有明显提升，如图10所示，该压气机应用于发动机整机时，功率提高20.6％，耗油率下降5.1％。

实施例3：

采用的大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度分别为0.05倍大叶片与小叶片的弦长，且大叶片2与小叶片3两侧的形线在尾缘4处形成的开口的宽度W分别为0.6倍大叶片2与小叶片3的最大叶片厚度，形成钝头的曲线的高度h为0.5W。将上述大叶片，小叶片相互间隔布置叶轮主体上形成大小叶片叶轮。在增压比为5.2的压气机中应用上述大小叶片叶轮，通过压气机试验测得其工作效率为0.86，高于现有压气机的效率0.84，流量提升2％，压气机性能有明显提升，如图11所示，该压气机应用于发动机整机时，增压比提高25％，长度缩短20％。

Claims

1.一种用于叶片式压气机中的钝尾缘结构大、小叶片叶轮，包括大叶片、小叶片和叶轮主体，所述大叶片和小叶片相互间隔布置在叶轮主体上；其特征在于：所述大叶片和/或小叶片两侧的形线在末端尾缘处设计为开口，并通过曲线将大叶片和/或小叶片的两侧形线末端尾缘处连接，使大叶片和/或小叶片形成钝尾缘结构；其中，大叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₁的取值范围为0.4～0.8倍大叶片最大厚度，且大叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₁的取值范围为0＜h₁≤0.8W₁；小叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₂的取值范围为0.4～0.8倍小叶片最大厚度，且小叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₂的取值范围为0＜h₂≤0.8W₂；所述大叶片与小叶片的最大叶片厚度分别为小于0.1倍的大叶片与小叶片的叶片弦长。

2.根据权利要求1所述的钝尾缘结构大、小叶片叶轮，其特征在于：所述大叶片与小叶片的最大叶片厚度分别为0.06倍大叶片与小叶片的叶片弦长；大叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₁的取值范围为0.4倍大叶片最大厚度，且大叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₁的取值范围为0.2W₁；小叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₂的取值范围为0.4倍小叶片最大厚度，且小叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₂的取值范围为0.2W₂。

3.根据权利要求1所述的钝尾缘结构大、小叶片叶轮，其特征在于：所述大叶片与小叶片的最大叶片厚度分别为0.06倍大叶片与小叶片的叶片弦长；大叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₁的取值范围为0.45倍大叶片最大厚度，且大叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₁的取值范围为0.6W₁；小叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₂的取值范围为0.45倍小叶片最大厚度，且小叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₂的取值范围为0.6W₂。

4.根据权利要求1所述的钝尾缘结构大、小叶片叶轮，其特征在于：所述大叶片与小叶片的最大叶片厚度分别为0.05倍大叶片与小叶片的叶片弦长；大叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₁的取值范围为0.6倍大叶片最大厚度，且大叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₁的取值范围为0.5W₁；小叶片两侧的形线在尾缘处形成的开口的宽度W₂的取值范围为0.6倍小叶片最大厚度，且小叶片末端尾缘处连接的用来形成钝头的曲线高度h₂的取值范围为0.5W₂。