CN107191412A - 一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多级轴流压气机，公开了一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，包括前面级静子叶片、转子叶片、后面级静子叶片、机匣及位于其内部的引气管结构；前面级静子叶片固定在机匣上游并带有射流槽结构，转子叶片位于前面级静子叶片与后面级静子叶片间，后面级静子叶片具有抽吸槽结构且与前面级静子叶片的射流槽间通过位于机匣内部的引气管相联通。根据多级压气机逐级加压的特点，在前后级静子叶片通道的压差作用下形成自适应的抽吸、射流，有效抑制多级压气机静子端区三维角区分离流动的同时避免了失速的过早发生，拓宽了压气机有效工作工况范围，改善了多级压气机叶片通道流通能力，降低了静子叶片三维角区分离及由此导致的损失。

Description

一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机

技术领域

本发明涉及多级轴流压气机领域，尤其涉及一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机。

背景技术

压气机是航空燃气涡轮发动机的核心组成部件，由多级转子和静子顺序交错排列组成，其功用是提高气体压升。

在压气机内部的流动中，大的逆压梯度所造成的叶片及端壁角区二次流是一种固有且复杂的流动现象，因此产生的损失是压气机内部流动的主要损失源；三维角区分离/失速所造成的流动拥堵使得压气机性能急剧下降，对压气机的压比、效率、裕度等性能有着至关重要的影响；现代航空发动机的发展对压气机性能提出了更高要求，尤其是单级负荷需求的增大以及更宽的有效工作范围；然而随着压气机负荷的增大，三维角区分离程度急剧增大，有效工作攻角范围急剧缩减；通过引入合理流动控制手段，改善流场结构，是现代高性能压气机发展的重要方向。

经过几十年的研究，众多科研工作者们已经对压气机三维角区流动机理有了较深的认识，但是由于其流动结构的复杂性，以及实验测量、数值模拟的局限性、可靠性，目前还未能很好地根据已有机理研究结果实现压气机三维角区分离流动的准确预测及可靠控制；对压气机三维角区分离流动机理、流动预测以及流动控制的研究，始终是高性能压气机设计所关注的重点问题。

目前，针对压气机静叶角区分离与失速的流动控制技术，从是否额外引入能量，主要可以分为主动控制技术和被动控制技术两大类：主动控制技术主要有等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等；被动控制技术主要有旋涡发生器、翼刀、端壁造型等；主动控制技术中附面层抽吸技术具有适应范围广，收益明显的特点，但需要额外引入能量，不易于工程实现；现有的传统被动控制技术，不具有自适应性，有效工作的工况范围往往有限，未能解决工程上下一代高负荷压气机角区分离的问题。

研究手段的进步使得现代研究者们对压气机内部流动机理及性能特征的认识逐渐提升，其设计思路也对应发生了重大变化；压气机的研究出现了由局部单排甚至单个叶片/叶型的研究向全局多排叶片研究的转变，由孤立关注单排叶片设计工况性能到关注全局匹配后有效工况及性能特点的转变；因此，充分利用压气机不同叶排间的流动特点，实现不同叶排间的自适应流场调控，是改善压气机流场结构，提升新一代高负荷压气机性能的一大策略。

发明内容

(一)待解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，在后面级静子叶片端壁及叶片吸力面布置有组合抽吸槽，在前面级静子叶片吸力面端区布置有切向射流槽，并将两者通过布置在机匣内的引气管连接起来；在不同流动工况下，利用多级压气机逐级加压的特点，靠自身压差形成自适应的抽吸、射流，解决传统附面层抽吸、射流控制所需要额外引入能量问题，将主动控制化为被动控制；在非设计工况，后面级静子角区抽吸量与前面级静子角区射流流量可通过抽吸槽、射流槽当地的压力实现自适应调节，在改善多级压气机静子端区三维角区分离的同时，避免了失速等的过早发生，拓宽了压气机的有效工作工况范围。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，包括前面级静子叶片、转子叶片、后面级静子叶片、机匣及位于机匣内部的引气管结构，所述前面级静子叶片固定在机匣沿来流方向的上游并带有射流槽结构；所述转子叶片位于前面级静子叶片下游，其与机匣间具有叶顶间隙；所述后面级静子叶片位于转子叶片下游，并带有抽吸槽结构；所述后面级静子叶片的抽吸槽与所述前面级静子叶片的射流槽间通过位于机匣内部的引气管相联通。

其中，所述前面级静子叶片与所述后面级静子叶片间的转子叶片排可以有一个或者多个。

其中，所述机匣内部的引气管严格密封且具有环向阵列结构，其数目等同于前面级静子叶片的数目。

其中，所述后面级静子叶片机匣侧、轮毂侧吸力面均沿展向布置有多个抽吸槽，每个抽吸槽的宽度为叶片弦长的2％，高度不超过叶片展向高度的20％，所述后面级静子叶片机匣端壁、轮毂端壁在靠近吸力面侧沿流向自25％轴向弦长自尾缘处布置有单个抽吸槽，槽宽为2％到5％倍的叶片弦长值。

其中，所述后面级静子叶片轮毂侧端壁抽吸槽由轮毂侧端壁抽吸槽导管I、轮毂侧端壁抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽由轮毂侧吸力面抽吸槽导管I、轮毂侧吸力面抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片机匣侧端壁抽吸槽由机匣侧端壁抽吸槽导管I、机匣侧端壁抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽由机匣侧吸力面抽吸槽导管I、机匣侧吸力面抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子内部气流导管II连接。

其中，所述后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连通位于机匣中的抽吸气体稳压腔；所述稳压腔为全环通腔结构，且连接有主引气管；所述主引气管通过所述引气支管分流隔分为引气支管I、引气支管II，分别与前面级静子叶片机匣侧射流槽、前面级静子叶片轮毂侧射流槽连接。

其中，所述前面级静子叶片机匣侧射流槽位于前面级静子叶片机匣侧端区，展向起始位置为前面级静子叶片吸力面与机匣端壁交接处，展向高度不大于前面级静子叶片全叶片高度的20％；所述前面级静子叶片机匣侧射流槽出口处沿流向与前面级静子叶片吸力面采用大曲率圆弧光滑过渡，且流向起始位置位于前面级静子叶片吸力面根部分离区(约25％轴向弦长)前；所述前面级静子叶片机匣侧射流槽出口处宽度与出口处用于和前面级静子叶片吸力面过渡的圆弧半径的比值不大于0.05，以满足科恩达条件，形成自适应的附壁射流；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽位于前面级静子叶片轮毂侧端区，展向起始位置为前面级静子叶片吸力面与轮毂端壁交接处，展向高度不大于前面级静子叶片全叶片高度的20％；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽出口处沿流向与前面级静子叶片吸力面采用大曲率圆弧光滑过渡，且流向起始位置位于前面级静子叶片吸力面根部分离区(约25％轴向弦长)前；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽出口处宽度与出口处用于和前面级静子叶片吸力面过渡的圆弧半径的比值不大于0.05，以满足科恩达效应条件，形成自适应的附壁射流。

(三)有益效果

本发明提供的多级轴流压气机，具有以下有益效果：

(1)设置前后级静子吹吸气的自循环多级轴流压气机，利用多级压气机逐级加压的特点，通过前面级、后面级静子叶片通道的压差作用形成自适应的抽吸、射流，避免了传统压气机静子叶片三维角区流动主动控制中附面层抽吸控制、射流控制需要额外引入能量问题，将主动控制转变为被动控制。

(2)设置前后级静子吹吸气的自循环多级轴流压气机，通过布置在机匣内的引气管连接后面级静子叶片抽吸气体稳压腔与前面级静子叶片机匣侧、轮毂侧射流槽，使得后面级静子叶片角区的抽吸量与前面级静子叶片角区射流流量可通过抽吸槽、射流槽当地的压力差实现自适应调节，在有效抑制多级压气机静子端区三维角区分离流动的同时，避免了失速等的过早发生，拓宽了压气机的有效工作工况范围，避免了传统的针对单级静子叶片设计的被动流动控制方法非全工况适用所导致的有效工作的工况范围有限的问题。

附图说明

图1为一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机的剖视图；

图2为图1中A-A截面示意图；

图3为图1中D-D或E-E截面示意图；

图4为图1中B-B截面示意图；

图5为图1中C-C截面示意图；

图中，1：转子轮盘；2：后面级静子叶片轮毂；3：后面级静子叶片轮毂端壁抽吸槽；4：后面级静子叶片尾缘；5：后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽；6：后面级静子叶片轮毂端壁；7：后面级静子叶片内部气流导管I；8：后面级静子叶片内部气流导管II；9：后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽；10：后面级静子叶片机匣端壁抽吸槽；11：抽吸气体稳压腔；12：机匣；13：主引气管；14：后面级静子叶片压力面；15：后面级静子叶片机匣端壁；16：后面级静子叶片；17：后面级静子叶片前缘；18：转子叶片；19：引气支管分流隔；20：引气支管I；21：引气支管II；22：前面级静子叶片机匣侧端壁；23：前面级静子叶片；24：前面级静子叶片机匣侧射流槽；25：前面级静子叶片前缘；26：前面级静子叶片轮毂侧射流槽；27：前面级静子叶片轮毂侧端壁；28：前面级静子叶片轮毂；29：前面级静子叶片压力面；30：前面级静子叶片尾缘；31：后面级静子叶片吸力面；32：前面级静子叶片吸力面；33：后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽导管I；34：后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽导管II；35：后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽导管I；36：后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽导管II；37：后面级静子叶片机匣侧端壁抽吸槽导管I；38：后面级静子叶片机匣侧端壁面抽吸槽导管II；39：后面级静子叶片轮毂侧端壁面抽吸槽导管I；40：后面级静子叶片轮毂侧端壁面抽吸槽导管II。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明的多级轴流压气机，包括前面级静子叶片23、转子叶片18、后面级静子叶片16、机匣12及位于机匣12内部的引气管13，20，21结构；前面级静子叶片23一侧连接有机匣12，并具有机匣侧端壁22，另一侧连接有轮毂28，并具有轮毂侧端壁27；转子叶片18位于前面级静子叶片23下游，通过转子轮盘1与发动机轴连接，转子叶片18与机匣12间具有叶顶间隙；后面级静子叶片16位于转子叶片18下游，其16一侧与机匣12无缝连接，并具有机匣侧端壁15，另一侧连接有轮毂2，并具有轮毂侧端壁6。

在前面级静子叶片吸力面32侧沿流向25％轴向弦长位置布置有前面级静子叶片机匣侧射流槽24和前面级静子叶片轮毂侧射流槽26，其截面几何分别如图4、图5所示；射流槽24，25出口具有较小的槽道宽度，射流槽24，25出口与静子叶片吸力面32间采用一定曲率的圆弧过渡，且射流槽24，25出口槽道宽度与过渡的圆弧半径的比值不大于0.05，以保证槽道24，25出口的射流满足科恩达条件，具有较好的附壁流动效果；引气支管I20中的气体在从前面级静子叶片机匣侧射流槽24出口流出前，在射流槽24中沿流向发展了一段距离，在射流槽24的导向作用下，沿切向出流；同样，在前面级静子叶片轮毂侧射流槽26的导向作用下，来自引气支管II21的气体在前面级静子叶片轮毂侧射流槽26出口处也具有切向出流的特性。

如图3所示，在后面级静子叶片的吸力面31机匣侧端区、轮毂侧端区及机匣端壁15、轮毂端壁6布置有组合抽吸槽结构；位于后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽9有多个，均位于后面级静子叶片吸力面31机匣侧角区，以一定的轴向弦长间隔均匀分布，其9宽度取为2％的静子叶片16中径处弦长，其9展向高度不超过静子叶片16总高度的20％；位于后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽5有多个，均位于后面级静子叶片吸力面31轮毂侧角区，以一定的轴向弦长间隔均匀分布，其宽度取为2％的叶片中径处弦长，其展向高度不超过后面级静子叶片总高度的20％；位于后面级静子叶片机匣侧吸力面的抽吸槽9与位于后面级静子叶片轮毂侧吸力面的抽吸槽5可具有不同的展向高度。在后面级静子叶片机匣端壁15靠近后面级静子叶片吸力面31处具有后面级静子叶片机匣端壁抽吸槽10结构，抽吸槽10的宽度取为后面级静子叶片16中径处叶片弦长的2％，抽吸槽10的流向位置起始于角区分离点前(约25％轴向弦长位置之前)，终止于后面级静子叶片尾缘4处；在后面级静子叶片轮毂端壁6靠近后面级静子叶片吸力面31处同样具有后面级静子叶片轮毂端壁抽吸槽3结构，抽吸槽3的宽度取为后面级静子叶片16中径处叶片弦长的2％，抽吸槽3的流向位置起始于角区分离点前(约25％轴向弦长位置之前)，终止于后面级静子叶片尾缘4处。后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽9通过机匣侧吸力面抽吸槽导管I33和机匣侧吸力面抽吸槽导管II34分别与后面级静子叶片内部气流导管I7、后面级静子叶片内部气流导管II8连接；后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽5通过轮毂侧吸力面抽吸槽导管I35和轮毂侧吸力面抽吸槽导管II36分别与后面级静子叶片内部气流导管I7、后面级静子叶片内部气流导管II8连接；后面级静子叶片机匣端壁抽吸槽10通过机匣侧端壁抽吸槽导管I37、机匣侧端壁面抽吸槽导管II38分别与后面级静子叶片内部气流导管I7、后面级静子叶片内部气流导管II8连接；后面级静子叶片轮毂端壁抽吸槽3通过轮毂侧端壁抽吸槽导管I39、轮毂侧端壁面抽吸槽导管II40分别与后面级静子叶片内部气流导管I7、后面级静子叶片内部气流导管II8连接；如图1所示，后面级静子叶片内部气流导管I7、气流导管II8与机匣12内部的抽吸气体稳压腔11连接，如图2所示，机匣12内部的抽吸气体稳压腔11为全环通腔结构。

如图2所示，主引气管13位于机匣12内部，用于连接后面级转子抽吸气体稳压腔11和与前面级静子机匣侧射流槽24、轮毂侧射流槽26相连的引气支管20，21；引气管13及引气支管20，21严格密封且具有环向阵列结构，主引气管13数目与前面级静子叶片23的数目相等。如图1所示，主引气管13通过引气支管分流隔19分为引气支管I20和引气支管II21，分别与前面级静子叶片机匣侧射流槽24、前面级静子叶片轮毂侧射流槽26连接。

在多级轴流压气机工作时，来自于前面级静子叶片23上游转子出口的气流作用于前面级静子叶片23通道，通过叶片23扩压与调整气流方向后由转子叶片18进一步增压，从转子叶片18通道流出后，流入后面级静子叶片16通道。由于多级轴流压气机逐级增压的特点，后面级叶片通道具有比前面级叶片通道更大的静压，因此在后面级静子叶片16通道与前面级静子叶片23通道压差的作用下，位于后面级的抽吸气体稳压腔11具有比前面级的引气支管20，21出口处更大的压力。压差的作用使得后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽9、轮毂侧吸力面抽吸槽5，后面级静子叶片机匣端壁抽吸槽10、轮毂端壁抽吸槽3吸入后面级静子叶片16角区低能的附面层流体，进而抑制后面级静子叶片16通道的三维角区分离流动，减弱因此造成的流动堵塞及损失，增大后面级静子叶片16的扩压能力。该部分高压流体通过抽吸槽导管33-40进入后面级静子叶片内部气流导管7，8，汇聚到抽吸气体稳压腔11中，通过主引气管13传递给连接前面级静子叶片机匣侧射流槽24的引气支管I20、连接前面级静子叶片轮毂侧射流槽26的引气支管II21，并在射流槽24，26的导流作用下在前面级静子叶片吸力面32的端区切向射出，吹除堆积在角区的低能流体，改善前面级静子叶片23通道的流通能力，降低角区分离程度，减小总压损失，提升前面级静子叶片23的性能。在不同工况下，后面级静子叶片16端区的抽吸量与前面级静子叶片23端区的射流量可根据引气管13与抽吸气体稳压腔11的压力差进行自适应调节，具有广阔的工况适应性。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于前面级静子与后面级静子间具有多个转静子级。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于：包括前面级静子叶片、转子叶片、后面级静子叶片、机匣及位于机匣内部的引气管结构，所述前面级静子叶片固定在机匣沿来流方向的上游并带有射流槽结构；所述转子叶片位于前面级静子叶片下游，其与机匣间具有叶顶间隙；所述后面级静子叶片位于转子叶片下游，并带有抽吸槽结构；所述后面级静子叶片的抽吸槽与所述前面级静子叶片的射流槽间通过位于机匣内部的引气管相联通。

2.如权利要求1所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述前面级静子叶片与所述后面级静子叶片间的转子叶片排可以有一个或者多个。

3.如权利要求1所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述机匣内部的引气管严格密封且具有环向阵列结构，其数目等同于前面级静子叶片的数目。

4.如权利要求1至3所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述后面级静子叶片机匣侧、轮毂侧吸力面均沿展向布置有多个抽吸槽，每个抽吸槽的宽度为叶片弦长的2％，高度不超过叶片展向高度的20％，所述后面级静子叶片机匣端壁、轮毂端壁在靠近吸力面侧沿流向自25％轴向弦长自尾缘处布置有单个抽吸槽，槽宽为2％到5％倍的叶片弦长值。

5.如权利要求1至4所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述后面级静子叶片轮毂侧端壁抽吸槽由轮毂侧端壁抽吸槽导管I、轮毂侧端壁抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽由轮毂侧吸力面抽吸槽导管I、轮毂侧吸力面抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片机匣侧端壁抽吸槽由机匣侧端壁抽吸槽导管I、机匣侧端壁抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连接；所述后面级静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽由机匣侧吸力面抽吸槽导管I、机匣侧吸力面抽吸槽导管II分别与后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子内部气流导管II连接。

6.如权利要求1至5所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述后面级静子叶片内部气流导管I、后面级静子叶片内部气流导管II连通位于机匣中的抽吸气体稳压腔；所述稳压腔为全环通腔结构，且连接有主引气管；所述主引气管通过所述引气支管分流隔分为引气支管I、引气支管II，分别与前面级静子叶片机匣侧射流槽、前面级静子叶片轮毂侧射流槽连接。

7.如权利要求1至6任一项所述的一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机，其特征在于，所述前面级静子叶片机匣侧射流槽位于前面级静子叶片机匣侧端区，展向起始位置为前面级静子叶片吸力面与机匣端壁交接处，展向高度不大于前面级静子叶片全叶片高度的20％；所述前面级静子叶片机匣侧射流槽出口处沿流向与前面级静子叶片吸力面采用大曲率圆弧光滑过渡，且流向起始位置位于前面级静子叶片吸力面根部分离区(约25％轴向弦长)前；所述前面级静子叶片机匣侧射流槽出口处宽度与出口处用于和前面级静子叶片吸力面过渡的圆弧半径的比值不大于0.05，以满足科恩达条件，形成自适应的附壁射流；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽位于前面级静子叶片轮毂侧端区，展向起始位置为前面级静子叶片吸力面与轮毂端壁交接处，展向高度不大于前面级静子叶片全叶片高度的20％；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽出口处沿流向与前面级静子叶片吸力面采用大曲率圆弧光滑过渡，且流向起始位置位于前面级静子叶片吸力面根部分离区(约25％轴向弦长)前；所述前面级静子叶片轮毂侧射流槽出口处宽度与出口处用于和前面级静子叶片吸力面过渡的圆弧半径的比值不大于0.05，以满足科恩达效应条件，形成自适应的附壁射流。