CN104847697A - 一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，包括机匣、安装在机匣里的轮毂、以及安装在轮毂上的叶片，所有叶片组成叶栅，叶片的前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的椭球体凸结构，所述的椭球体凸结构的长轴长度为叶片前缘直径的4-7倍，短轴长度为前缘直径的0.5-3倍，椭球体凸结构伸出至叶片前缘外的长度为叶片前缘直径的2-3.5倍。本发明利用特定的三维前缘结构构造局部的三维流管形状来抑制过度膨胀流动，突破了二维叶型设计的概念，显著的改善了前缘流动，降低了叶栅气动损失，增加了攻角范围。与现有的压气机叶片前缘技术相比，该结构对压气机端区流动损失的抑制效果也十分明显。

Description

一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机，具体地说是燃气轮机的压气机。
背景技术
压气机叶片前缘形状改进是现代压气机设计和提高性能的重要手段，大量的理论和实验研究表明，叶片前缘型线的改变对压气机性能影响显著，特别是前缘曲率变化，对正攻角下叶片背弧的边界层转捩和发展起到重要作用。有实验表明，在叶片前段10％涂上薄层所带来的损失与在整个叶片表面涂上薄层所带来的损失相当。由于传统的圆形压气机前缘结构与叶片型线过度处的曲率突变，极易触发叶片前缘局部的附面层分离现象，造成额外的局部损失可以达到叶型损失的30％左右。
发明内容
本发明的目的在于提供削弱压气机叶片前缘的局部分离趋势，降低叶片表面流动损失，增加叶片的攻角范围的一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，包括机匣、安装在机匣里的轮毂、以及安装在轮毂上的叶片，所有叶片组成叶栅，其特征是：叶片的前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的椭球体凸结构，所述的椭球体凸结构的长轴长度为叶片前缘直径的4-7倍，短轴长度为前缘直径的0.5-3倍，椭球体凸结构伸出至叶片前缘外的长度为叶片前缘直径的2-3.5倍。
本发明还可以包括：
1、椭球体凸结构之间间距相等，为椭球体凸结构短轴长度的1.0～4.0倍。
2、所述的叶栅为渐扩形叶栅。
3、椭球体凸结构在叶片上沿叶高的分布为部分分布。
本发明的优势在于：
现有的压气机叶片前缘设计技术都是基于二维叶型概念所提出的，已经在一定程度上改善了压气机叶型的性能，但是受到二维叶型技术概念的限制进一步改善叶栅性能将越来越难，气动收益将越来越小。本发明利用特定的三维前缘结构构造局部的三维流管形状来抑制过度膨胀流动，突破了二维叶型设计的概念，显著的改善了前缘流动，降低了叶栅气动损失，增加了攻角范围。
与现有的压气机叶片前缘技术相比，该结构对压气机端区流动损失的抑制效果也十分明显。
该结构不需要增加额外的附属机构，结构相对简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明压气机整体结构示意图；
图2为本发明的叶片示意图；
图3为本发明叶片的放大图；
图4为A-A视图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～4，本发明包括机匣1、安装在机匣1里的轮毂、以及安装在轮毂上的叶片7，叶片7总体组成叶栅，叶片上下两端分别为吸力面2和压力面3，叶片7左右两端分别为尾缘6和前缘5，叶片前缘5上设置旋成体前缘凸结构4，所述的带有椭球体凸结构的叶栅是具有渐扩形的叶栅，应用于压气机叶片设计技术；所述的椭球体凸结构位于压气机叶片的前缘位置，其长轴为叶片前缘直径的4-7倍，短轴为前缘直径的0.5-3倍，椭圆凸结构在前缘外伸出长度为叶片前缘直径的2-3.5倍，沿叶片高度方向全叶高或部分叶高范围内呈间隔排列，排列间距一般为椭球体短轴的1.0～4.0倍。所述带有椭球体凸结构的压气机叶片前缘能够利用椭球体表面压力分布特点，改善压气机叶片前缘局部流动，从而减少叶片表面边界层总压损失，拓宽攻角范围。
所述的叶栅是具有渐扩形的叶栅，应用于压气机叶片设计技术。
在压气机叶片前缘间隔添加椭球体凸结构。
所述的带有椭球体凸结构在压气机叶片前缘沿叶高的分布为等间距或者不等间距。总压损失系数减少量受来流马赫数及气流攻角影响。
所述的带有椭球体凸结构在压气机叶片前缘沿叶高的分布为部分分布或者全部分布。
本发明是利用在压气机叶片前缘沿展向布置具有一定距离的椭球体凸结构，使得来流在各个椭球体表面绕流形成局部低压区，从而造成压气机叶片前缘处气流的局部展向偏转，此种流动现象削弱了压气机叶片前缘的局部分离趋势，降低了叶片表面流动损失，增加了叶片的攻角范围，压气机叶片性能得到显著提高。
利用压气机叶片前缘沿叶展方向加椭球体凸结构实现减小压气机叶栅损失，增加攻角范围，其特点在于步骤如下：
(1)根据压气机来流条件和叶片负荷(来流马赫数、攻角和扩压因子)，设计椭球体凸结构的尺寸；
(2)根据叶片前缘尺寸和来流条件，确定相邻椭球体凸结构的间距；
(3)根据压气机叶栅内流动情况和实际需求，确定压气机叶片前缘采用该凸结构的展向范围；
所述的步骤(1)的压气机来流条件是指，来流马赫数在0.2～0.8之间，攻角-10o～+10o之间；
所述的步骤(1)的叶片负荷是指，扩压因子在0.3～0.6之间；
所述的步骤(2)的椭球体凸结构的间距为短轴的1～4倍；
所述的步骤(3)中压气机叶片前缘的展向范围可以包括整个叶片前缘高度范围、动叶上半部分高度、静叶下半部分高度或者叶片前缘中间的部分高度范围；
本发明的原理：
在压气机叶片前缘处，由于局部大曲率区域的存在造成了前缘过度膨胀流动，这种典型的局部膨胀流动会使得压气机前缘流动恶化，常常出现局部边界层提前转捩或分离现象，使压气机的整体流动性能恶化。改进压气机叶片的前缘结构对降低压气机叶栅内的流动损失和推迟失速行为发生都有重要作用。本发明在压气机叶片前缘间隔布置椭球体凸结构，来流在接触压气机前缘之前首先接触该结构，并在椭球体表面做加速绕流运动，形成相对低压区域，这样在气流接触压气机叶片前缘时就会在叶片前缘展向方向形成高压(无椭球体的前缘处)-低压(有椭球体的前缘处)-高压(无椭球体的前缘处)…交替出现的前缘局部压力分布,这种压力分布的出现促使前缘绕流从两侧高压区向中间低压区汇聚，经过前缘后又散开，形成了一种具有收缩-扩张特征的局部流管形式。这种新型的前缘流管形式有效地改善了压气机前缘局部流动的过度膨胀，有效地减小了叶型损失，拓宽了攻角范围。

Claims (5)

1.一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，包括机匣、安装在机匣里的轮毂、以及安装在轮毂上的叶片，所有叶片组成叶栅，其特征是：叶片的前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的椭球体凸结构，所述的椭球体凸结构的长轴长度为叶片前缘直径的4-7倍，短轴长度为前缘直径的0.5-3倍，椭球体凸结构伸出至叶片前缘外的长度为叶片前缘直径的2-3.5倍。
2.根据权利要求1所述的一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，其特征是：椭球体凸结构之间间距相等，为椭球体凸结构短轴长度的1.0～4.0倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，其特征是：所述的叶栅为渐扩形叶栅。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，其特征是：椭球体凸结构在叶片上沿叶高的分布为部分分布。
5.根据权利要求3所述的一种带有椭球体凸结构前缘叶片的压气机，其特征是：椭球体凸结构在叶片上沿叶高的分布为部分分布。
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