CN103498814B - 一种带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机及其设计方法，属于航空发动机压气机技术领域，其关键在于在压气机进口外机匣上沿周向均布若干具有一定高度、长度和宽度锐钝后缘体。该发明可直接用于高性能航空燃气涡轮发动机压气机，在不改变现有压气机布局和气动性能的前提下大幅度提升压气机的稳定工作裕度。本发明通过合理设计前置锐钝后缘体，保证超/跨音速压气机不仅能在“唯一进气角”条件下正常工作，也可以在进气方向与叶片吸力面前缘成一定正攻角或负攻角下正常工作，在保证风扇/压气机效率基本不变的前提下提高压气机的稳定工作裕度。

Description

一种带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种进口外机匣上带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机及其设计方法，能够在保证压气机结构布局和效率基本不变的前提下大幅度提高超/跨音速压气机稳定工作裕度，特别适用于高性能航空燃气涡轮发动机。

背景技术

压气机是航空发动机最核心、设计难度最高的核心部件之一，提高压气机单级压比，降低结构重量是提高航空发动机推重/功重比的有效途径。不断提高压气机切线速度是压气机发展的重要趋势，其可以在保持压气机气动负荷基本不变或增加较少的前提下提高压气机单级压比。因此，进口超声速是现代高负荷压气机转子尖部流动的主要特征，随着压气机负荷水平的不断提高，其进口马赫数可能高达1.6以上，叶尖进口高马赫数通常会在叶片通道内形成较强的激波，激波的存在能够起到增压的作用，但过强的激波会导致激波/附面层相互作用加剧，严重时会使得叶片通道内出现大尺度的开式分离，损失急剧增加，极大地限制了压气机的效率和稳定工作裕度的提升。因此，采用何种设计手段保证高马赫数下超/跨音速压气机的性能满足设计要求是设计人员亟需解决的关键问题。

通过弯掠三维造型是合理组织压气机内部复杂激波结构，减小流动损失、大幅度提高压气机稳定工作范围的有效手段。然而，叶片弯掠三维造型不但会影响压气机强度和振动特性，而且会增加压气机叶片加工难度和制造成本。因此，亟需寻求一种合理组织超/跨音速压气机进口激波结构，在保证叶片基本不变的前提下提高超/跨音速压气机气动性能的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、能够在保证压气机结构布局和效率基本不变的前提下大幅度提高超/跨音速压气机稳定工作裕度的，同时结构简单实用的超/跨音速压气机及其设计方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机，包括压气机转子和压气机进口外机匣，所述压气机转子包括多个压气机叶片，其特征在于，在所述压气机进口外机匣上沿周向均布若干前置锐钝后缘体，以控制所述压气机转子上各所述压气机叶片叶顶附近的激波，所述前置锐钝后缘体位于离开压气机叶片叶顶前缘1/4～1/3压气机叶片叶顶轴向弦长处。

优选的，所述前置锐钝后缘体数量为所述压气机叶片数的1/8～1/5，且进一步优选地，所述前置锐钝后缘体数量不小于3。

优选的，所述前置锐钝后缘体的高度h为所述压气机叶片高度H的1/4～1/6。

优选的，所述前置锐钝后缘体的宽度B为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/10～1/6。

优选的，所述前置锐钝后缘体的长度S为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/5～1/3。

优选的，所述带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机应用于航空发动机。所述锐钝后缘体是尾缘锐钝的机翼型叶片。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种超/跨音速压气机的设计方法，所述超/跨音速压气机包括压气机转子和压气机进口外机匣，所述压气机转子包括多个压气机叶片，其特征在于，在所述压气机进口外机匣上沿周向均布若干前置锐钝后缘体，以控制所述压气机转子上各所述压气机叶片叶顶附近的激波，所述前置锐钝后缘体位于离开压气机叶片叶顶前缘1/4～1/3压气机叶片叶顶轴向弦长处，所述前置锐钝后缘体是尾缘锐钝的机翼型叶片。

随着超/跨音速压气机的发展，要求尽可能提高叶尖气流相对速度，这将使大部分压气机进口叶尖相对速度超过声速，压气机喘振裕度不足将制约整台发动机的性能。与传统压气机相比，本发明通过合理设计前置锐钝后缘体，保证超/跨音速压气机不仅能在“唯一进气角”条件下正常工作，也可以在进气方向与叶片吸力面前缘成一定正攻角或负攻角下正常工作，在保证压气机效率基本不变的前提下增加压气机的喘振裕度。

附图说明

图1为本发明的带前置锐钝后缘体压气机子午流道示意图。

图2为本发明的带前置锐钝后缘体压气机叶片通道示意图。

标号说明：压气机转子1、压气机外机匣2、前置锐钝后缘体3、压气机叶片4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本实施例用于高性能航空发动机的压气机由压气机转子1、压气机外机匣2和前置锐钝后缘体3组成。为了有效控制压气机转子1上的压气机叶片4叶顶附近激波，提高超/跨音速压气机的稳定工作裕度，在跨/超音速压气机进口外机匣2上沿周向均布有数量为1/8～1/5压气机叶片数的锐钝后缘体1（锐钝后缘体最小数量不小于3），锐钝后缘体1位于离开压气机叶片叶顶前缘1/4～1/3压气机叶片叶顶轴向弦长处，其高度h为1/5压气机叶片高度H，宽度B为1/8转子叶顶轴向弦长，长度S为1/4转子叶顶轴向弦长。所述前置锐钝后缘体3是尾缘锐钝的机翼型叶片，如图2所示。

图2示意给出某一瞬间前置锐钝后缘体对压气机叶顶激波结构的影响，未前置锐钝后缘体的情况下，超音速来流会产生较强斜激波（或膨胀波），较强激波必然会影响到相邻叶片的进气条件，恶化压气机性能；设置锐钝后缘体后，在锐钝后缘体尾部将形成速度为零的尾流区，该区域静压不可能产生突变，所以当主流区产生的任何斜激波（或膨胀波）与该尾流区相交后沿固壁相对气流会改变方向，静压突变，又产生斜激波(或膨胀波)才能继续沿固壁运动，但流经钝后缘体尾部处，其静压又必须突变到尾迹区静压强值，必然产生对应的膨胀波(或斜激波)，且气流方向改变，从而阻断斜激波（或膨胀波）对相邻叶片进口气流产生影响。因此，在一定范围内，不管进气方向与速度面进口前缘成正攻角或负攻角，均有可能阻断影响相临叶片的进口气流条件，从而使超声速进口压气机可以在不同的工况范围内正常工作。

综上所述，本发明可直接用于航空燃气涡轮发动机，在不增加压气机叶片加工难度和制造成本的前提下，大幅度提高超/跨音速压气机的气动性能。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种带前置锐钝后缘体的超/跨音速压气机，包括压气机转子和压气机进口外机匣，所述压气机转子包括多个压气机叶片，其特征在于，在所述压气机进口外机匣上沿周向均布若干前置锐钝后缘体，以控制所述压气机转子上各所述压气机叶片叶顶附近的激波，所述前置锐钝后缘体位于离开压气机叶片叶顶前缘1/4～1/3压气机叶片叶顶轴向弦长处；其中，所述前置锐钝后缘体是尾缘锐钝的机翼型叶片。

2.根据权利要求1所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体数量为所述压气机叶片数的1/8～1/5。

3.根据权利要求2所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体数量不小于3。

4.根据权利要求2所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体的高度h为所述压气机叶片高度H的1/4～1/6。

5.根据权利要求4所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体的宽度B为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/10～1/6。

6.根据权利要求5所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体的长度S为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/5～1/3。

7.根据上述任一项权利要求所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述超/跨音速压气机应用于航空发动机。

8.一种超/跨音速压气机的设计方法，所述超/跨音速压气机包括压气机转子和压气机进口外机匣，所述压气机转子包括多个压气机叶片，其特征在于，在所述压气机进口外机匣上沿周向均布若干前置锐钝后缘体，以控制所述压气机转子上各所述压气机叶片叶顶附近的激波，所述前置锐钝后缘体位于离开压气机叶片叶顶前缘1/4～1/3压气机叶片叶顶轴向弦长处，所述前置锐钝后缘体是尾缘锐钝的机翼型叶片。

9.根据权利要求8所述的超/跨音速压气机，其特征在于，所述前置锐钝后缘体数量为所述压气机叶片数的1/8～1/5，所述前置锐钝后缘体的高度h为所述压气机叶片高度H的1/4～1/6，所述前置锐钝后缘体的宽度B为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/10～1/6，所述前置锐钝后缘体的长度S为所述压气机叶片叶顶轴向弦长的1/5～1/3。