CN105257590A - 半串列叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半串列叶片及其设计方法，半串列叶片的结构为：周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。本发明在低扩压度无分离的叶高采用单列叶片，避免了因采用串列叶片造成的附面层重新生成和尾迹掺混产生的额外损失；在高扩压度采用单列叶片会产生分离的叶高，利用串列叶片后排叶片产生新附面层和前后叶片的相互耦合影响，能有效抑制流动分离，降低流动损失；这两方面作用使得半串列叶片性能优于纯单列叶片与纯串列叶片，且半串列叶片的应用范围更为广泛。

Description

半串列叶片及其设计方法

技术领域

本发明属于压气机技术领域，尤其指代一种可用于轴流压气机转静子以及离心或斜流压气机转子的半串列叶片及其设计方法。

背景技术

在以航空燃气涡轮发动机为代表的各类轴流、斜流、离心压气机中，气流在叶片构成的通道中减速扩压将动能最大可能的转化成压力能。在大型涡轮发动机中，以单级压气机获得尽可能高的压比是压气机领域长期以来的发展方向，国内外的发展趋势都体现为压气机级数越来越少，平均级压比越来越高；在微小型涡轮发动机中，由于尺寸的限制，压气机内气流沿程逆压梯度更大，粘性效应更为明显。这些因素都导致高负荷压气机容易在某些叶高产生分离，从而使压缩效率大大降低，这是压气机设计中面临的重要问题。

针对压气机中由于大扩压度产生的分离问题，国内外已对此展开了大量研究，综合该领域已有的工作，相关技术主要有如下几类：(1)先进的叶形设计；(2)采用流动控制技术，如吸附式压气机技术、零质量流量合成射流技术、脉冲微射流控制技术、振动壁面流动控制技术、等离子体流动控制技术、声学控制技术等；(3)压气机叶片开槽设计方案；(4)采用整体叶片串列技术方案。

上述这些技术都从各方层面推动了大扩压度压气机叶片设计能力的进步，但是，也存在着一些不足：(1)采用各种先进的设计方法来获得更优化的三维几何造型可以使分离点位置延后甚至消除分离，增大压气机压比和效率，但是，这种设计思路目前已接近技术可实现的极限，当压气机某些叶高的扩压负荷超过当前水平时，该技术即无法产生有效作用。(2)采用流动控制技术能有效抑制甚至消除流动分离，但往往要引入复杂甚至笨重、成本高昂的额外机构，如复杂气路、吹/吸气源、合成射流装置、等离子体发生装置、作动机构等，对于追求高推重比及紧凑性的航空发动机来说，尚难以在实际工程中有效应用。(3)该技术通过开槽，将一股气流由叶片压力面经过槽道吹向吸力面，并由此控制叶背气流分离。这与在外流中得到广泛应用的飞机机翼的襟翼或多段翼型技术是基本相同的，因此该工作原理已得到有效验证，该技术可认为是串列叶片周向位置PP略小于1，轴向位置AO为一定负值的一个特例，相比串列叶片，可调参数范围较小。(4)整体叶片串列技术通过后叶片附面层重生成和前后排叶片的相互耦合影响，达到抑制流动分离，增加压气机压比和效率的目的；对于一般高负荷单列压气机而言，分离往往由于高扩压度或激波附面层干涉作用发生于或率先发生于某些叶高，采用整体叶片串列技术能通过上述的两个机理有效抑制单列叶片会发生分离叶高的附面层分离，但在不分离叶高，由于压气机叶片在湍流条件下，叶片由于附面层摩擦和掺混带来的总压损失系数与以叶片弦长表征的雷诺数的-1/5～-1/7次方成生比，因此采用串列叶片由于附面层重生成造成叶片总压损失系数约为单列叶片的1.1～1.15倍，通过前后排叶片的相互耦合影响能略微减小这个比例系数，却难以将其降低至1以下。因此采用整体串列技术能在分离叶高产生正收益，却因为在不发生分离叶高的负收益，降低了整体串列叶片的实际正收益，甚至产生实际负收益。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种半串列叶片及其设计方法，从而实现进一步提高压气机压比与效率，能有效抑制高扩压度叶高流动分离，同时避免低扩压度叶高因附面层重新生成带来的额外损失。

为达到上述目的，本发明的一种半串列叶片，其结构为：周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。

进一步地，所述叶片在原型单列叶片的基础上，保证子午形状不变，通过半串列技术得到，应用于轴流压气机转静子及离心或斜流压气机转子上。

进一步地，所述的叶片仅在原型单列叶片产生分离的叶高采用串列叶片，通过叶片分叉与其他部分平滑、连续连接，并形成连通的整体，根据采用串列叶片叶高的位置，可分为Y型、Λ型、K型、O型半串列叶片，分别对应串列位置在叶尖、叶根、叶尖和叶根、叶中。

进一步地，所述的串列叶片部分通过合理分配前后叶片载荷，及调整后排叶片的叶片角，保证总损失最低；并通过优化轴向间隙AO和周向位置PP，利用前后叶片相互的耦合影响，抑制流动分离，提高叶片扩压性能，其中AO定义为前叶片尾缘和后叶片前缘轴向间隙与叶片总轴向弦长的比值，取值范围为-0.2～0.2(负号表示前后排叶片有轴向重合)，PP定义为后叶片前缘和前叶片尾缘背风侧的周向距离与叶片通道周向宽度的比值，取值范围为0.5～0.95；在串列与单列的过渡位置，A0取值范围为0～0.2，PP的取值为0.95～1。

进一步地，应用Y型半串列叶片技术的转子，其串列部分前叶片各个截面重心向转子旋转方向相反侧偏移，以实现前后叶片的周向错位，当前叶片离心力作用截面PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，由于截面重心偏移造成的附加弯矩与叶片表面气动力弯矩部分抵消，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。

本发明的一种半串列叶片设计方法，包括如下：

1)根据原型纯单列叶片确定其设计点产生分离的叶高，在该部分叶高将原单列叶片断开并加以调整，形成串列叶片，其余部分保持为原来的单列叶片；

2)单列叶片在未分离叶高即提前分叉，向串列叶片过渡，整个叶片构成连通的整体；

3)串列叶片部分相比单列叶片的断开位置应保证前后叶片载荷分配合理，使前后叶片总损失最低；

4)串列叶片部分后排叶片的叶片角应加以调整，以适应前排叶片由落后角造成的攻角变化，使得后排叶片处于低损失状态；

5)串列叶片部分在同时考虑气动和强度的前提下，通过优化轴向间隙和周向位置，使前后叶片通过相互的耦合影响，抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果；

6)当用于转子叶片时，前叶片离心力作用截面，PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，不会增加危险截面应力水平，大于该值时，则需进行强度校核，保证转子叶片叶根应力在安全范围内。

进一步地，所述的轴向间隙的取值范围为-0.2～0.2，周向位置的取值范围为0.5～0.95。

本发明的有益效果：

在低扩压度无分离的叶高采用单列叶片，避免了因采用串列叶片造成的附面层重新生成和尾迹掺混产生的额外损失；在高扩压度采用单列叶片会产生分离的叶高，利用串列叶片后排叶片产生新附面层和前后叶片的相互耦合影响，能有效抑制流动分离，降低流动损失；这两方面作用使得半串列叶片性能优于纯单列叶片与纯串列叶片，且半串列叶片的应用范围更为广泛；当该技术用于转子时，通过合理周向偏移串列部分叶片各个截面，使离心力产生的附加弯矩与气动弯矩相抵消，不会增加危险截面的应力水平，工程应用性较强。

附图说明

图1为大扩压度叶栅叶背有分离的流动示意图。。

图2为无耦合条件下单列与串列叶片叶形损失与扩压能力的关系示意图。

图3为半串列叶片三维结构示意图。

图4为半串列叶片串列部分参数示意图。

图5为半串列叶片几种形式的子午面内示意图。

图6为可应用Y型半串列技术的压气机类型示意图。

图7为应用于转子的Y型半串列叶片技术周向受力示意图。

图1中，1表示的是分离点位置，2表示的是分离区。图2中，实线代表单列叶片，虚线代表无耦合情况下的串列叶片，横坐标为静压升，纵坐标为总压损失。图3中，L1代表半串列叶片所占叶高，L2代表串列叶片所占叶高，L3代表单列叶片所占叶高。图4中，FB代表前叶片，AB代表后叶片，K11和K12代表前叶片进出口叶片角，K21和K22代表后叶片进出口叶片角，s代表栅距，t代表后叶片前缘和前叶片尾缘背风侧的周向距离，Δx1代表前后叶片轴向间隙(正值)或重合度(负值)，Δx2代表串列叶片总的轴向长度，前后叶片轴向位置AO定义为Δx1/Δx2，前后叶片周向位置PP定义为t/s。图5中，由左向右分别是Y型、Λ型、H型、O型半串列叶片。图6中，由左向右分别Y型半串列轴流压气机转子/静子、Y型半串列斜流压气机转子、Y型半串列离心压气机转子。图7中，Hub代表轮毂，SS代表转子叶片吸力面，PS代表转子叶片压力面，Fa代表转子叶片表面周向气动力，da代表周向气动力作用中心，Fc代表转子串列部分前叶片所受离心力，da代表该离心力的作用中心。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1，高负荷压气机常常因为叶背分离，影响了压气机的压比和效率，采用串列叶片技术能对分离进行有效抑制。参照图2，在低扩压度无分离的压气机叶高，无耦合串列叶片的总压损失系数约为单列叶片的1.2倍，而在高扩压度有分离叶高，无耦合串列叶片的总压损失系数低于单列叶片，且最大扩压能力也比单列叶片有大幅度提高，而考虑周向位置对串列叶片的耦合影响时，合理的周向位置PP值和轴向间隙AO值能进一步降低串列叶片总压损失系数。基于上述原因，并由于一般设计的压气机，分离发生在或先发生于部分叶高，因此提出本发明的半串列叶片。

参照图3所示，本发明的半串列叶片L1，采用串列部分L2与单列部分L3结合的方法，使两种叶片取长补短，达到更低的损失与更高的扩压能力；半串列叶片采用与原型单列叶片一样的子午流道，根据分离发生位置的不同，采用Y型、Λ型、H型、O型不同的半串列叶片(见图5)，目前，半串列技术可应用于轴流压气机转静子和斜流或离心压气机转子(见图6)，不同类型的压气机倾向于采用不同类型的半串列叶片，轴流压气机转子由于叶根气流转折角较大、叶尖容易由于激波附面层干扰诱发分离，因此倾向于采用Y型、Λ型和H型，轴流压气机静子分离一般也发生于叶根或叶尖，倾向于采用的类型与转子相同，斜流或离心压气机转子分离常常发生于叶尖，因此倾向于采用Y型，应用O型的场合较少。

半串列叶片的串列部分参数的确定方法(见图4)：由于K11和K22由进出口条件给定，为保证前后叶片载荷分配合理，使前后叶片总损失最低，需确定K12，初步设计时，可按前后叶片扩散因子相等给定，K21一般选取比K12大一些的值，在AO<0的情况下，前后叶片的重合部分可形成一定的收敛通道，形成的加速对后排叶片附面层有吹除作用，在AO>0的情况下，可适应前叶片落后角，使后叶片损失较低；通过优化轴向间隙(AO＝-0.2～0.2)和周向位置(PP＝0.5～0.95)，使前后叶片通过相互的耦合影响，达到更好的抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果。当半串列技术用于转子时，为实现串列部分前后叶片的周向错位，将串列部分前叶片各个截面重心向转子旋转方向相反侧偏移，以实现前后叶片的周向错位(见图7)。如图6，转子叶片的气动弯矩为F_ad_a，串列部分前叶片离心力作用中心与叶根的力臂为d_c＝(1-PP)s，因此前叶片离心力弯矩为F_c(1-PP)s，当前叶片离心力作用截面处的PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，由于截面重心偏移造成的附加弯矩与叶片表面气动力弯矩部分抵消，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。

本发明的半串列叶片设计方法如下：

1)根据原型纯单列叶片类型确定其设计点产生分离的叶高，确定半串列叶片的类型(Y型、Λ型、H型、O型)，在分离部分叶高将原单列叶片断开并加以调整，形成串列叶片，其余部分保持为原来的单列叶片；

2)单列叶片在未分离叶高即提前分叉，向串列叶片过渡，整个叶片构成连通的整体；

3)K11和K22由进出口条件给定(参照图6)，为保证前后叶片载荷分配合理，给定的K12应使前后叶片总损失最低；初步设计时，可按等扩散因子分配前后叶片载荷；

4)串列叶片部分后排叶片的叶片角应加以调整，使得后排叶片处于低损失状态；K21一般选取比K12大一些的值，在AO<0的情况下，前后叶片的重合部分可形成一定的收敛通道，形成的加速对后排叶片附面层有吹除作用，在AO>0的情况下，可适应前叶片落后角，使后叶片损失较低；

5)串列叶片部分通过优化轴向间隙(AO＝-0.2～0.2)和周向位置(PP＝0.5～0.95)，使前后叶片通过相互的耦合影响，达到更好的抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果；

6)当半串列技术用于转子时，以Y型为例，串列部分前叶片离心力作用截面PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需进行强度校核，以保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。

下面为具体实施例：

针对一种单列亚声速压气机静子叶片，采用圆弧等厚薄型叶形，弦长20mm，叶高30mm，进口叶片角由叶根40°到叶尖60°线性分布、出口叶片角0°(轴向)、来流马赫数0.5，利用流场数值模拟技术，可以发现叶片3/4叶高以上发生流动分离，可得到该叶片总压损失系数为0.0991，静压升系数为0.499。在同样的条件下，采用整体叶片串列技术，针对AO＝0的条件下，不同PP条件下做流场数值模拟，可以发现PP＝0.9时，叶片性能最佳，3/4叶高以上分离得到部分抑制，叶片总压损失系数为0.0977，静压升系数为0.499。而在同样的条件下，采用半串列技术，叶高0～0.5采用单列，叶高0.5～1采用串列，PP由1.0逐渐过渡到0.8，流场数值模拟得到叶片总压损失系数为0.0905，静压升系数为0.512。可以发现在此实施例中，由于分离损失占的比重较大，就叶片的性能而言，半串列>串列>单列，半串列的总压损失系数比单列减少8.7％，比整体串列减少7.4％，从而说明半串列叶片技术具有更好的压缩性能。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种半串列叶片，其特征在于，结构为：周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。

2.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述叶片在原型单列叶片的基础上，保证子午形状不变，通过半串列技术得到，应用于轴流压气机转静子及离心或斜流压气机转子上。

3.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述的叶片仅在原型单列叶片产生分离的叶高采用串列叶片，通过叶片分叉与其他部分平滑连接，并形成连通的整体，根据采用串列叶片叶高的位置，可分为Y型、Λ型、K型、O型半串列叶片，分别对应串列位置在叶尖、叶根、叶尖和叶根、叶中。

4.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述的串列叶片部分通过合理分配前后叶片载荷，及调整后排叶片的叶片角，保证总损失最低；并通过优化轴向间隙AO和周向位置PP，利用前后叶片相互的耦合影响，抑制流动分离，提高叶片扩压性能，其中AO定义为前叶片尾缘和后叶片前缘轴向间隙与叶片总轴向弦长的比值，取值范围为-0.2～0.2(负号表示前后排叶片有轴向重合)，PP定义为后叶片前缘和前叶片尾缘背风侧的周向距离与叶片通道周向宽度的比值，取值范围为0.5～0.95；在串列与单列的过渡位置，A0取值范围为0～0.2，PP的取值为0.95～1。

5.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，应用Y型半串列叶片技术的转子，其串列部分前叶片各个截面重心向转子旋转方向相反侧偏移，以实现前后叶片的周向错位，当前叶片离心力作用截面PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，由于截面重心偏移造成的附加弯矩与叶片表面气动力弯矩部分抵消，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。

6.一种半串列叶片设计方法，其特征在于，包括如下：

1)根据原型纯单列叶片确定其设计点产生分离的叶高，在该部分叶高将原单列叶片断开并加以调整，形成串列叶片，其余部分保持为原来的单列叶片；

2)单列叶片在未分离叶高即提前分叉，向串列叶片过渡，整个叶片构成连通的整体；

3)串列叶片部分相比单列叶片的断开位置应保证前后叶片载荷分配合理，使前后叶片总损失最低；

4)串列叶片部分后排叶片的叶片角应加以调整，以适应前排叶片由落后角造成的攻角变化，使得后排叶片处于低损失状态；

5)串列叶片部分在同时考虑气动和强度的前提下，通过优化轴向间隙和周向位置，使前后叶片通过相互的耦合影响，抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果；

6)当用于转子叶片时，前叶片离心力作用截面，PP＜1-2F_ad_a/F_cs时，不会增加危险截面应力水平，大于该值时，则需进行强度校核，保证转子叶片叶根应力在安全范围内。

7.根据权利要求6所述的半串列叶片设计方法，其特征在于，所述的轴向间隙的取值范围为-0.2～0.2，周向位置的取值范围为0.5～0.95。