CN103244459B - 一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法 - Google Patents

Abstract

一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，属于轴流压气机技术领域。本发明针对亚音速轴流压气机级叶片转角增加、级负荷提升时动叶中的附面层分离流动问题，同时避免在动叶中进行附面层抽吸所造成的如抽吸管路布局困难、叶片强度下降等问题。在入口速度三角形不变的前提下，随着其设计级负荷系数不断提升并超过常规设计值时，大幅增加动叶出口轴向速度以降低动叶中的扩压因子，以确保动叶高效流动；利用附面层抽吸以解决下游静叶内部流动问题。本发明相较在动、静叶中都进行附面层抽吸而言，有效避免了转动部件叶片强度与抽吸结构设计等难题；相较采用串列叶栅技术而言，可减少叶片数从而降低发动机尺寸与重量。该方法可用于高推重比航空发动机气动设计。

Description

一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法

技术领域

本发明涉及一种亚音速轴流压气机气动设计方法，属于轴流压气机技术领域。

背景技术

轴流压气机其基本部件由转子和静子构成。对于压气机而言，其单级压比提升，可以有效缩减发动机尺寸与重量，提升航空发动机推重比。通常提升压气机级压比主要有两种手段，提高转子圆周速度或增加转子叶片折转角以获得大的扭速增益。当圆周速度保持不变时，在确保压气机级效率的前提下，进一步增大转子的扭速是提升压气机级压比的唯一途径。

在传统的亚音速轴流压气机气动设计中，动叶入口、出口以及静叶出口轴向速度大小基本保持不变或相差不大。在此种设计前提下，为实现级的高负荷气动设计，常见的流动控制技术有附面层抽吸技术，串列叶栅技术，大小叶片技术等。

在转动部件中进行附面层抽吸时会导致抽吸管路布局困难、叶片强度下降等系列问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对亚音速轴流压气机级，解决叶片转角增加、级负荷提升时动叶中的附面层分离流动问题，同时避免在动叶中进行附面层抽吸所造成的如抽吸管路布局困难、叶片强度下降等问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，所述方法是针对高负荷轴流压气机进行气动设计，通过大幅提升动叶出口轴向速度，以确保动叶流动效率；与此同时结合附面层抽吸以控制静叶中的气体流动分离；动叶出口中径处轴向速度确定方法如下：

$D=1-\frac{w_2}{w_1}+\frac{\mathrm{\Δ}{w}_u}{2\mathrm{\τ}{w}_1}---\left(1\right)$

其中：w₂为出口相对速度值，w₁为入口相对速度值，Δw_u为扭速，τ为稠度；w_1u表示入口相对速度圆周方向的分速度；D表示扩压因子；

选取扩压因子值；利用式(1)可计算得到动叶出口相对速度值w₂；同时利用(2)式和(3)式可计算得到动叶出口轴向速度w_2z，其中w_2z＝c_2z：

w_2u＝w_1u+Δw_u                          (2) 

$w_{2z}=\sqrt{w_2^2-w_{2u}^2}---\left(3\right)$

w_2z表示动叶出口轴向速度，w_2u表示出口相对速度圆周方向的分速度。

上述方案中，扩压因子取值不超过0.5。扩压因子取值可取0.4。

本发明方法的优点在于：

本发明方法综合考虑附面层抽吸技术对于控制附面层分离流动的显著作用以及在转动部件中进行附面层抽吸时导致的抽吸管路布局困难、叶片强度下降等系列问题，本发明提出了一种基于动叶出口轴向速度大幅度提升的亚音速吸附式轴流压气机气动设计原理，利用该原理可实现压气机级的高负荷气动设计。

在动叶中，通过大幅度增加动叶出口轴向速度，有效降低转子中的逆压力梯度，在不采用任何主动控制技术的前提下，实现动叶的高效流动。相较在动叶中采用串列叶栅或大小叶片技术而言，可有效的减少转动部件的叶片数，从而减少压气机尺寸与重量；相较在动叶与静叶中都采用附面层抽吸以控制压气机级内流动而言，有效的避免了由于在转动部件中进行附面层抽吸所造成的抽吸管道布局困难以及叶片强度下降等难题。

本发明针对入口来流为亚声速的轴流压气机级，在入口速度三角形不变的前提下，随着其设计级负荷系数不断提升并超过常规设计值时，可通过大幅增加动叶出口轴向速度以降低动叶中的扩压因子，以确保动叶高效流动；与此同时，利用附面层抽吸以解决下游静叶内部流动问题。本发明相较在动、静叶中都进行附面层抽吸而言，有效避免了转动部件叶片强度与抽吸结构设计等难题；相较采用串列叶栅技术而言，该原理可减少叶片数从而降低发动机尺寸与重量。本发明方法可用于高推重比航空发动机气动设计。

附图说明

图1为本发明方法在亚音速条件下，动叶出口轴向速度大幅提升时的速度三角形(在亚音速入口且不同动叶负荷条件下，动叶出口轴向速度大幅提升时动叶速度三角形对比)；图2为在本发明方法设计下，其轮毂曲线示意图，图2中，1-轮缘，2-轮缘二，3-轮缘一，4-静叶出口，5-静叶，6-轮毂，7-动叶，8表示入口亚音速来流；图3为动叶中径处速度三角形图；图4为动叶段的子午流道示意图；图5为动叶三维几何造型图；图6为动叶10％叶高处马赫数等值线图；图7为动叶50％叶高处马赫数等值线图；图8为动叶90％叶高处马赫数等直线图；图9为动叶在设计转速下时的流量压比特性曲线图；图10为动叶在设计转速下时的效率压比曲线图；图11为动叶出口绝对气流角沿叶高分布图；图12为动叶出口绝对马赫数沿叶高分布图；图13为动叶出口轴向速度沿叶高分布；图14为静叶三维造型图；图15为静叶中抽吸结构示意图；图16为级在10％叶高处马赫数等值线图；图17为级在50％叶高处马赫数等值线图；图18为级在90％叶高处马赫数等值线图；图19为在 设计转速下，级的流量压比曲线；图20为在设计转速下，级的流量效率曲线。

具体实施方式

针对入口相对速度为亚音速的轴流压气机级，在常规设计中，动叶入口处、动叶出口处以及静叶出口处，其轴向速度通常相等或变化不大。当在动叶入口速度三角形保持不变的前提下，随着级负荷提升到一定水平时，动叶内部将出现附面层流动分离。此时，通过增加子午流道的收缩幅度，提升动叶出口轴向速度以降低动叶中气体的逆压力梯度，避免动叶中出现附面层分离流动的同时提高动叶中气体流动效率。从一维角度出发，其出口轴向速度增加的大小值确定方法如下：

$D=1-\frac{w_2}{w_1}+\frac{\mathrm{\Δ}{w}_u}{2\mathrm{\τ}{w}_1}---\left(1\right)$

其中w₂为出口相对速度值，w₁为入口相对速度值，Δw_u为扭速，τ为稠度，当入口速度三角形已知的情况下，为实现给定压气机级负荷要求，1式中w₁，Δw_u已知，w_1u已知。通过选取扩压因子值，其扩压因子值通常不超过0.4，在给定稠度τ情况下，利用式1可计算得到w₂。同时利用(2)式和(3)式可计算得到动叶出口轴向速度w_2z，其中w_2z＝c_2z。

w_2u＝w_1u+Δw_u                             (2) 

$w_{2z}=\sqrt{w_2^2-w_{2u}^2}---\left(3\right)$

利用上述方法进行动叶出口轴向速度计算时，若在三维验证结果中，动叶中分离流动依旧较强，可适当将扩压因子调小些并再次验证，直至动叶效率满足需求。

在不同级负荷前提下，当扭速Δw_u分别满足Δw_u＜u，Δw_u＝u，Δw_u＞u时，在动叶入口为轴向进气时，其速度三角形示意图分别如图1(a)，图1(b)，图1(c)所示，图中虚线表征相对速度值从动叶入口到动叶出口一系列连续的变化过程。从该速度三角形中可看出，通过提高动叶出口轴向速度，可使得动叶中相对速度大小值几乎不发生改变，依据公式(4)，有效的控制了动叶栅中的逆压力梯度，使得动叶高效流动。(4)式中，Δp表示动叶出入口压差，ρ₂表示动叶出口处密度，ρ₁表示动叶入口处密度，其余符号与前文中相同符号涵义一致。

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_2{w}_2^2-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_1{w}_1^2---\left(4\right)$

此外，在该步骤中，为有效控制动叶叶顶处的附面层分离，通常对轮缘也需进行适当的收缩设计，但其收缩量不应当过大(不超过叶高的5％)，以确保动叶叶顶处的平均叶尖切线速度，不至于降低动叶过多的做功能力，通常动叶做功能力与其叶尖切线速度的平方 成正比，如式(5)，其中h代表级的轮缘功，v_t代表叶尖切线速度。

$h\∝v_t^2---\left(5\right)$

从图1中可看出，动叶出口轴向速度大幅提升后，其出口绝对速度值通常较高，尤其当Δw_u＝u或Δw_u＞u时，其出口绝对速度更高且转角较大。此外，由于动叶出口轴向速度大幅提升，为有效控制静叶出口轴向速度，静叶段子午流道，即轮缘轮毂曲线应保持半径不变或稍有扩张，如图2所示，以满足下游动叶入口轴向速度需求。为确保下级动叶的做功能力，子午流道扩张通常采用轮缘曲线扩张，其局部扩张角不超过5度。综上所述，在静叶段轮缘、轮毂半径保持不变甚至有小幅度扩张的前提下，利用附面层抽吸以解决静叶中的分离流动问题。

本发明方法的实验验证

为验证上述气动设计原理的准确性，对该原理进行了气动设计验证。该验证主要是基于CFD数值计算进行的。该验证主要分两步进行，第一步先对动叶进行设计验证，针对亚音速入口来流的轴流压气机，以验证在高负荷气动设计条件下，通过增加动叶出口轴向速度以确保动叶高效流动是可行的。第二步，通过对上述设计所得动叶，进行静叶匹配，并通过附面层抽吸以解决静叶内的气体流动问题，最终实现一高负荷高效率压气机级设计。

动叶的设计参数如下，设计流量20kg/s，设计压比为1.51，动叶效率不低于95％，入口轴向进气，叶尖处切线速度213m/s，入口轴向速度为120m/s，入口轮毂比为0.7。级设计参数如下，设计流量20kg/s，级设计压比为1.5，在级负荷系数的前提下，其级效率不低于90％，其中h为轮缘功，u_tip为叶尖处圆周速度。

动叶设计验证 

为有效控制动叶中的逆压力梯度，利用上述设计方法进行一维计算，为使得动叶扩压因子不超过0.4，求得动叶出口轴向速度为175m/s。其中径处速度三角形如图3所示。可看出，在中径处，其扭速大于圆周速度，出口轴向速度比入口提高将近46％。此外，为有效控制动叶顶部局部附面层分离，对叶顶处轮缘进行了微量收缩，其子午流道曲线如图4所示。此外动叶详细几何参数如表1，表2所示，表2中出、入口几何气流角分别为动叶前缘点与尾缘点处中弧线与轴向的夹角。动叶三维几何如图5所示。

利用NUMECA商业软件的fine模块，对上述动叶设计进行定常流场的数值模拟。在设计状态下，动叶各叶高处相对马赫数等值线图分别如图6，图7，图8所示。从各图可看出，除了在10％叶高截面90％弦长处存在小尺度附面层分离外，其余叶高处附面层附着良 好。在设计转速下，转子的特性曲线分别如图9，图10所示，可看出在设计流量20kg/s时，动叶效率达到95.74％，压比达到1.518，喘证裕度为18.23％。

综上所述，在亚音速入口来流条件下，通过大幅度提高动叶出口轴向速度，可在确保动叶效率的前提下，实现动叶的高负荷设计。动叶出口绝对气流角如图11所示。动叶出口绝对马赫数如图12所示。动叶出口轴向速度如图13所示。

表1，动叶几何参数

表2，动叶出入口几何角

级设计验证 

静叶的几何参数是由动叶出口气流参数决定的，动叶出口气流参数分别如图11，图12所示。为有效降低静叶出口轴向速度，本验证设计中静叶段轮缘轮毂直径保持不变。静叶的几何参数分别如表3，表4所示。静叶三维造型如图14所示。为有效解决静叶内部流动问题，其抽吸结构如图15所示，图中抽吸槽1靠近轮毂处沿流向抽吸槽，边界条件给定抽吸背压95000Pa；抽吸槽2与3分别为吸力面侧沿展向抽吸槽，其抽吸背压分别为80000Pa与110000Pa；抽吸槽4靠近轮缘侧沿流向抽吸槽，其抽吸背压为95000Pa。

在设计点处，级在10％叶高处相对马赫数等值线图如图16所示；在50％叶高处相对马赫数等值线图如图17所示；在90％叶高处相对马赫数等直线图如图18所示，可看出，利用附面层抽吸控制静叶内流动，其流动良好，没有出现明显的附面层分离，保证级的高效流动。级出口轴向速度为124.42m/s。

在设计转速下，级的流量压比特性曲线如图19所示，级的流量效率曲线如图20所示。可看出在设计点处，其级压比为1.5，效率92.56％，喘证裕度13％。此时，各抽吸槽的流量分别如表5所示，总抽吸量占入口流量的8.64％。

表3，静叶几何参数

表4，静叶出入口几何气流角

表5，各抽吸槽流量

Claims (2)

1.一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，其特征在于：所述方法是针对高负荷轴流压气机进行气动设计，扩压因子取值不超过0.5，通过提升动叶出口轴向速度，以确保动叶流动效率；与此同时结合附面层抽吸以控制静叶中的气体流动分离；动叶出口轴向速度确定方法如下：

$D=1-\frac{w_2}{w_1}+\frac{{\mathrm{\Δw}}_u}{2\mathrm{\τ}{w}_1}---\left(1\right)$

其中：w₂为出口相对速度值，w₁为入口相对速度值，Δw_u为扭速，τ为稠度；w_1u表示入口相对速度圆周方向的分速度；D表示扩压因子；

选取扩压因子值，然后利用式(1)可计算得到动叶出口相对速度值w₂；同时利用(2)式和(3)式可计算得到动叶出口轴向速度w_2z：

w_2u＝w_1u+Δw_u         (2)

$w_{2z}=\sqrt{{w_2}^2-w_{2u}^2}---\left(3\right)$

w_2z表示动叶出口轴向速度，w_2u表示出口相对速度圆周方向的分速度。

2.根据权利要求1所述的一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，其特征在于：扩压因子取值为0.4。