CN108425887A - 超宽弦三角函数波形叶片 - Google Patents

Abstract

本发明属流体机械领域，涉及一种超宽弦三角函数波形叶片，叶片叶型的压力面设计为三角函数正切或者余切波形曲线结构，是从正切或者余切波形曲线一个周期的中间部位开始向两端截取的截取段。本发明用正切或余切波形曲线作为叶型型面，可以使流道内气流的压缩更加平顺、更加高效，既可以设计出亚音速工况下的叶片结构，也可以设计出超音速工况下的叶片结构，特别是在超音速工况下，可有效避免压气机流道内出现强激波和由此带来的较大流动损失。本发明所提供的叶片可广泛应用于轴流、斜流和离心压缩机中，正切或余切波形曲线可应用到冲压发动机进气道(扩压器)、航空发动机超音速进气道的型面设计中。

Description

超宽弦三角函数波形叶片

技术领域

本发明属流体机械领域，涉及一种叶轮式压气机的叶片，具体是一种超宽弦三角函数波形叶片。

背景技术

叶轮式压气机按照工质流动的方向通常分为径流式(即离心式)与轴流式两种类型。离心式压气机体积小，叶轮转速高，单级压比高但效率稍低，通常适用于中小流量场合，广泛应用于航空、船舶等领域的动力系统。轴流式压气机结构紧凑，便于安装较多的级数，单级压比较低，整体效率较高，通常适用于流量大的场合。

叶轮式压气机的叶片通常分为动叶和静叶，其中动叶随叶轮一起旋转，动叶对气体工质做功使气体工质的压力上升，静叶是静止的，对气体工质不做功，通常对气流工质起降速、扩压、导向作用。无论是动叶还是静叶，其叶片型面设计对压气机的效率具有重要影响，目前的轴流压气机叶片的叶型通常是圆弧形，这种叶型的叶片通常只适合工作在亚音速和跨音速，随着工质气流马赫数上升，流道内附面层分离等各种流动损失快速增加，效率通常会快速下降，从而限制了单级压比的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽弦三角函数波形叶片，这种叶片的叶型的压力面是三角函数正切或者余切波形曲线的一个截取段，这种叶型的弦长比普通轴流压气机叶型长很多，是一种超宽弦叶型，用这种叶型构建的叶片属于超宽弦叶片。截取波形曲线不同的部位，既可以设计出工作在亚音速工况下的亚音速叶型结构，也可以设计出工作在较高马赫数工况下的超音速叶型结构，当然工作在亚音速工况下的叶型和超音速工况下的叶型的形状会有所不同，通常亚音速叶型厚度变化不大，超音速叶型厚度变化较大。

本发明采用三角函数正切或余切波形曲线型面替代传统的圆弧型面，可以获得较高的压缩效率，这种型面的轴流压气机叶片可以明显提高单级的压缩比，将这种型面应用到离心式压气机的动叶和扩压器叶片设计中，可有效提高压缩效率，具有广泛的应用前景。

由于叶型是构建叶片的基础，叶片可以看作是由叶型堆叠而成的，下面我们先从叶片的叶型进行阐述，后面再阐述如何由叶型构建叶片。

本发明所采用的技术方案：

一种超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于，叶片叶型的压力面设计为三角函数正切或者余切波形曲线结构，具体是用正切还是余切取决于叶型的倾斜方向，右倾的叶型用余切波形曲线，左倾的叶型用正切波形曲线，由于正切或者余切波形曲线是无限长的，而叶型的长度是有限的，因此通常根据需要，截取波形曲线的一段作为叶型的压力面；正切或者余切波形是周期性的，每个周期的中间部分是弯曲的弧线，两边的弧度逐步减小并逐渐逼近直线。通常从正切或者余切波形曲线一个周期的中间部位开始向两端截取，两端截取的长度通常是不一样的，具体要根据设计需要进行截取，一般而言，来流马赫数越高，曲线前端保留段越长；曲线后端保留段越长，出口气流的平顺性更好，效率一般会有所提高，但后端保留段越长，入口气流到出口气流的折转角度会变小，做功能力会减小，因此后端保留段的长度需要在做功能力和效率之间取得平衡。

除了上述叶型两端截取波形曲线的长度不同，亚音速来流工况下的叶型和超音速来流工况下的叶型的形状也有所不同。亚音速来流工况下的叶型一般比较细长，叶型厚度变化通常不大，吸力面跟压力面的波形很相似甚至相同，通常叶型前缘的厚度比后缘略厚，前缘一般设计成小圆角结构，后缘一般设计成尖的结构；超音速来流工况下工作的叶型的厚度变化较大，叶型前半段较长并且设计成尖锐的楔形结构，这种设计可以减小激波损失，叶型从前缘到中部，叶型的厚度逐步增大，当厚度增大到需要的厚度后，再往后叶型的厚度一般会比较快速地减小。

相邻叶型的压力面和吸力面会构成流道，工作在亚音速工况下和超音速工况下的叶型的形状有所不同，因此流道也会有所不同；亚音速工况下，流道常设计成扩张型结构，而超音速工况下，流道入口是超音速气流，流道的前半段需要设计成收敛型的结构，利用收敛型流道将超音速气流扩压降速，当来流速度降为音速后，流道后半段设计成扩张型的结构，可使气流速度进一步降低，静压进一步升高，因此，超音速工况下的流道是先收敛后扩张，是收敛扩张型流道，流道中流通面积最小的部分通常称为喉部，需要说明的是，这种收敛扩张型流道主要靠改变叶型的厚度实现，因此，叶片的高度可以保持不变，或者变化不大。

设计亚音速工况下的叶型结构相对比较简单，因为叶型厚度变化不大，叶片的吸力面和压力面波形曲线很相似甚至相同。但设计超音速工况下的叶型结构时，需要构建收敛扩张型流道，这种流道主要通过叶型的厚度变化来实现，因此吸力面和压力面会有所不同，吸力面设计时要考虑以下几个因素：来流马赫数越高，叶型前段的尖锐楔形就越长，收敛段流道的长度应足以将超音速来流的速度在喉部降为音速；流道的后半段是扩张型流道，但扩张的角度需要大小适度，防止扩张角度太大而出现附面层分离，当然扩张角也不宜太小，这样会影响扩压效果；再就是吸力面需要保持光滑平顺，避免出现过大的曲率而导致附面层分离。只要能满足设计要求，通常超音速工况下叶型的吸力面设计方案不是唯一的，可以有多种不同的型面方案，通常是由多段直线和弧线组合而成的一条光滑曲线。

叶型的压力面是叶型的主要工作面，其型面是影响叶型效率的主要因素，吸力面对效率影响不太大，可以有多种方案供选择。由于本发明中叶型的压力面采用三角函数正切或者余切波形曲线，使气流的压缩过程更加平顺，因而可以设计出亚音速下效率很高的叶型结构；在超音速工况下，这种波形曲线型面可避免前段收缩型流道中出现强激波，有效减少激波诱导分离、涡流、紊流等负面因素，因而也可以设计出超音速工况下效率很高的叶型结构；由于是超宽弦叶型，弦长通常比现有的轴流压气机叶型长很多，并且可以工作在较高马赫数的超音速工况下，做功能力可大幅增加，因此可以大幅提高轴流压气机的单级压缩比。

作为本发明的进一步改进，叶型的吸力面采用跟压力面相同类型的另一个正切或余切波形曲线。这个波形的周期比压力面波形周期长，并且跟压力面波形之间有一定的间距，如果需要，其倾斜的角度也可以和压力面波形的倾斜角度不同，吸力面的波形与压力面波形在叶型的前缘和后缘两处相交。这种用两个波形相交得到叶型的设计方法可大大降低叶型吸力面设计的复杂度，设计出的叶型通常效率较高。

将叶型从叶根到叶尖方向进行堆叠即可构成叶片。由于叶片不同叶高处的线速度是不一样的，速度三角形会有差异，因此，不同叶高处的叶型的安装角通常不同，叶型也可以不同，因此，叶片的形状通常是扭曲的。

将叶型从叶根向叶尖方向堆叠，一种方法是进行直线堆叠，这种堆叠方法比较简单，叶片的前沿是一条直线。另一种方法是曲线堆叠，即不同叶型层之间在圆周方向有一定的偏移，叶片的前沿是一条曲线。

作为本发明的进一步改进，将叶型堆叠成叶片时，采用曲线堆叠，具体来说，这种曲线是三角函数正弦或者余弦波形曲线。从叶根到叶尖通常堆叠成正弦或余弦一个完整的波动周期，考虑到叶片结构强度，波幅通常不宜太大。这种正弦或者余弦波形叶片结构有利于将叶片通道内工质中径向高频波的能量转化为工质的静压，避免各种高频径向波在通道顶部和底部壁面间多次反射而转化为热能，进而可以提高叶片的压缩效率。

利用叶型堆叠构建超音速叶片时，从叶根开始，将上一层叶型的前缘相对于下一层叶型向后有一个偏移，这样堆叠而成的叶片前沿类似于鱼鳍的刀口，这种后掠型叶片设计可以有效减小叶片前沿的激波损失，同时可以改善叶片强度和振动方面的性能。

冲压发动机进气道(扩压器)、航空发动机超音速进气道和叶轮式压气机叶轮上相邻叶片构成的流道是类似的，因此，超音速进气道的型面设计完全可以借鉴本发明中的型面设计方法，比如在设计矩形进气道的型面结构时，可用两个正切或余切波形曲线来作为超音速进气道上下两个型面，通过改变两个波形的周期或者改变两个波形曲线之间的距离和相位差，可以改变入口和喉部的面积，进而可以适应不同来流马赫数的要求。

实际的叶片型面设计过程中，除了考虑做功能力、效率等因素，还要综合考虑附面层影响、不同气体工质的特性、流道半径的变化等多种因素，允许以标准的正切或者余切波形曲线为基准，对波形曲线做适当的调整和变化，这些变化也应当视为本发明的保护范围。

本发明的有益效果主要体现在：

1、超宽弦三角函数波形叶片压缩效率较高，在轴流和斜流压气机中应用这种叶片，可明显提高单级压比，减少压气机级数。

2、超宽弦三角函数波形叶片可以作为离心式压气机的动叶和扩压器叶片，有利于提升离心式压气机的效率。

3、本发明所采用的正切或者余切波形曲线型面不仅可以应用到叶轮式压气机中，也可以应用到冲压发动机进气道(扩压器)、航空发动机超音速进气道的型面设计中。

附图说明

图1是本发明的一种叶片叶型的结构示意图。

图2是本发明的一种叶栅的结构示意图。

图中：1、叶型前缘；2、叶型压力面；3、叶型吸力面；4、叶型后缘；5、气流方向；6、流道前半段；7、喉部；8、流道后半段。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

在图1所示的结构中，提供了一种可以在超音速来流工况下工作的叶片的叶型，这种叶型压力面2和叶型吸力面3是两个三角函数余切波形曲线的截取段，叶型压力面2波形的周期比叶型吸力面3波形的周期要长，两个余切波形之间有一定的间距，两者都是向右倾斜，两个波形曲线相交于叶型前缘1和叶型后缘4；由图中可以看出，压力面2和吸力面3前部截取保留的部分较长，两者构成尖锐的楔形，这种楔形结构可以减小超音速气流激波造成的损失，适合在超音速工况下工作。

图2所示的是由多个图1中的叶型排成的叶栅结构，图中，由相邻叶型的压力面和吸力面构成了流道，流道包括流道前半段6、喉部7、流道后半段8三个部分，其中流道前半段6是收敛型的，即流道的流通面积逐步较小，喉部7是流道流通面积最小的部分，流道后半段8是扩张型的，即流通面积逐步扩大，流道前半段6、喉部7、流道后半段8构成了收敛扩张型流道。

在正常工作状态下，叶型的压力面会对气体工质做功，使气体工质的总压升高。超音速气体工质流经流道前半段6的过程中，气体工质会受到收缩型流道压力面和吸力面的挤压而被压缩，超音速气流工质在收敛型流道中通常会经过多道弱激波(理想情况是利用无数道弱激波对气流工质进行等熵压缩)，流速逐步降低，静压逐步升高，在喉部7速度降为音速，然后进入流道后半段8，在流道后半段8中，流速进一步降低，静压进一步升高。

用叶型堆叠叶片时，根据设计工况的需要，设计出不同叶高处的叶型，然后将这些叶型从叶根到叶尖进行曲线堆叠，堆叠成正弦波形，由于是超音速叶片，叶片前沿堆叠成后掠型结构，叶片的高度逐步增大，以减小叶片前沿的激波损失。叶片堆叠完成后，从叶片前沿是后掠的，从轴向看，叶片的压力面和吸力面是余切波形，从径向看，叶片是正弦波形。对于叶片后半段，由于叶片较厚，为减轻重量，在保证叶片压力面和吸力面强度的情况下，将叶片较厚处内部掏空。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于：叶片叶型的压力面设计为三角函数正切或者余切波形曲线结构。

2.根据权利要求1所述的超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于：所述叶片叶型的压力面的波形是三角函数正切或者余切波形曲线的截取段，所述截取段是从正切或者余切波形曲线一个周期的中间部位开始向两端截取。

3.根据权利要求1所述的超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于：叶片叶型的吸力面是与压力面相同或相似的正切或者余切波形曲线截取段。

4.根据权利要求1所述的超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于：叶型的吸力面是与压力面是同类型的正切或者余切波形，但吸力面波形的周期比压力面周期长，两个波形相交于叶型的前缘和后缘两点。

5.根据权利要求1所述的超宽弦三角函数波形叶片，其特征在于：将叶型堆叠成叶片时，采用曲线堆叠，具体来说，这种曲线是三角函数正弦或者余弦曲线，从叶根到叶尖通常堆叠成正弦或余弦一个完整的波动周期。