CN109209995B - 轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴流压气机，包括静子和转子，其中，所述静子和所述转子交替排列，所述转子固定在鼓筒轴上，所述静子的悬臂固定在机匣上，所述转子的叶片的根部与所述鼓筒轴连接，且所述转子的叶片的根部的前后分别设有转子前缘板和转子后缘板；所述静子的叶片的顶部固定在机匣上，所述静子的叶片的根部的前后分别设有静子前缘板和静子后缘板；所述转子前缘板和所述静子前缘板向下倾斜，所述转子后缘板和所述静子后缘板向上倾斜伸出，使得所述转子前缘板与所述静子后缘板匹配，所述转子后缘板与所述静子前缘板匹配。本发明轴流压气机避免了主流对容腔冲击带来的损失，也减小了前后压差带来的篦齿泄漏损失。

Description

轴流压气机

技术领域

本发明涉及压缩机领域，特别涉及一种轴流压气机。

背景技术

在轴流压气机中，转子叶片的周向固定主要依靠叶片的根部缘板来确定。为了减小悬臂式静子的叶根部位带来的泄漏损失，结构上通常采用篦齿密封的方式来解决。为了避免静子叶根部位的缘板和转子叶根部位的缘板发生碰撞，必须保证一定的轴向间隙。这种间隙带来了轮毂处流道的不完整，无法完成气动的设计要求。

此外，这种密封方式带来了容腔结构形式。由于容腔前后存在压力差，内部会产生容腔泄漏涡流。结构形式设计不合理的缘板，也会使主流冲击进入容腔中，造成较大的损失。

因此，需要一种结构形式较好的前后缘板设计形式，从而避免主流进入容腔中造成气动损失，并且保持容腔泄漏在内部保持较小的水平。

所述根部缘板存在以下问题：一、缘板台阶差带来的气动损失；二、主流对容腔的冲击带来的气动损失和涡流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中转子叶片的根部缘板的结构设计不合理的缺陷，提供一种轴流压气机。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种轴流压气机，包括静子和转子，其特点在于，所述静子和所述转子交替排列，所述转子固定在鼓筒轴上，所述静子的悬臂固定在机匣上，所述转子的叶片的根部与所述鼓筒轴连接，且所述转子的叶片的根部的前后分别设有转子前缘板和转子后缘板；

所述静子的叶片的顶部固定在机匣上，所述静子的叶片的根部的前后分别设有静子前缘板和静子后缘板；

所述转子前缘板和所述静子前缘板向下倾斜，所述转子后缘板和所述静子后缘板向上倾斜伸出，使得所述转子前缘板与所述静子后缘板匹配，所述转子后缘板与所述静子前缘板匹配。

根据本发明的一个实施例，所述转子后缘板和所述静子前缘板之间存在一个轴向的间隙，所述转子前缘板和所述静子后缘板之间也存在一个轴向的间隙。

根据本发明的一个实施例，所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子叶片根部的尾缘点之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。

根据本发明的一个实施例，所述转子叶片根部的尾缘点与所述静子叶片根部的前缘点之间的连线与所述转子后缘板的外侧边缘的交点为第一定位点；

所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子叶片根部的尾缘点之间通过两段圆弧曲线连接；

所述两段圆弧连接点位置距所述转子叶片根部的尾缘点处的距离为0.3-0.5倍的所述转子叶片根部的尾缘点至所述第一定位点的距离。

根据本发明的一个实施例，所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子后缘板的出口位于同一轴向位置。

根据本发明的一个实施例，通过所述转子后缘板的出口最高位置点的圆弧的切线，与所述转子叶片根部的尾缘点至所述第一定位点的连线的夹角范围为20°-30°。

根据本发明的一个实施例，所述静子前缘板的最低点与所述静子叶片根部之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。

根据本发明的一个实施例，所述转子叶片根部的尾缘点与所述静子叶片根部的前缘点之间的连线与所述静子前缘板的外侧边缘的延长线的交点为第二定位点；

所述静子前缘板的进口边缘最高点与所述静子叶片根部的前缘点之间通过两段圆弧曲线连接；

所述两段圆弧连接点位置距所述静子叶片根部的前缘点处的距离为0.3-0.5倍的所述静子叶片根部的前缘点至所述第二定位点的距离。

根据本发明的一个实施例，所述静子前缘板的进口边缘最高点与所述静子前缘板的进口位于同一轴向位置。

根据本发明的一个实施例，通过所述静子前缘板的进口边缘最高点的圆弧的切线，与所述静子叶片根部的前缘点至所述第二定位点连线的夹角范围为20°-30°。

本发明的积极进步效果在于：

本发明轴流压气机采用了叶片根部缘板上型面的多段圆弧定义方法，弥补了气动流道设计过程中的不足，对结构设计提供了参考规范。多段圆弧曲线定义流道符合气动性能的要求，且前后缘的型面之间考虑了流动过程中的重力带来的影响，尽量减小了台阶差带来的气动损失。此外，缘板下型面保持在同一高度上，避免了主流对容腔冲击带来的损失，也减小了前后压差带来的篦齿泄漏损失。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明轴流压气机的根部缘板的结构示意图。

图2为本发明轴流压气机中转子后缘板和静子前缘板配合的结构示意图。

图3为现有技术中轴流压气机的容腔泄漏和缘板台阶的损失情况示意图。

图4为本发明轴流压气机的容腔泄漏和缘板台阶的损失情况示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明轴流压气机的根部缘板的结构示意图。图2为本发明轴流压气机中转子后缘板和静子前缘板配合的结构示意图。图3为现有技术中轴流压气机的容腔泄漏和缘板台阶的损失情况示意图。图4为本发明轴流压气机的容腔泄漏和缘板台阶的损失情况示意图。

本发明轴流压气机中出现的术语具体解释如下：

轴流压气机：是指气流在子午面的流动方向基本平行于转子轴线的压气机，由一系列静子-转子交替排列构成，用于气体输送、压缩，常用于航空发动机高压压气机。

叶根：对于轴流压气机中的转子叶片，与轴相连的部分为叶根。对于静子部件，尤其是采用篦齿密封方式的静子部件，与转动轴密封位置接近的为叶根。

缘板：对于轴流压缩机转子叶片以及悬臂式静子叶片，在叶根部位为实现流道形状而沿着流道延伸的部分。为防止转静子碰磨，转子和静子的缘板之间存在间隙。缘板对叶根部位的气体有引流的作用，是减小间隙内容腔泄漏的重要手段。

容腔泄漏：对于使用悬臂式、篦齿密封方式的静子叶片结构的轴流式压气机，容腔泄漏主要由静子叶片前后的缘板间隙处的压力差引起。不同的缘板形状和篦齿密封方式容腔泄漏量有很大影响。形状设计合理的缘板可以起到引流的作用，减小缘板间的间隙带来的流动损失。

如图1至图4所示，本发明公开了一种轴流压气机，包括静子20和转子10。其中，静子20和转子10交替排列，将转子10固定在鼓筒轴30上，静子20的悬臂固定在机匣40上，转子10的叶片的根部与鼓筒轴30连接，且转子10的叶片的根部的前后分别设有转子前缘板11和转子后缘板12。

将静子20的叶片的顶部固定在机匣40上，静子20的叶片的根部的前后分别设有静子前缘板13和静子后缘板14。

优选地，此处转子前缘板11和静子前缘板13向下倾斜，转子后缘板12和静子后缘板14向上倾斜伸出，使得转子前缘板11与静子后缘板14匹配，转子后缘板12与静子前缘板13匹配。

进一步地，在转子后缘板12和静子前缘板13之间存在一个轴向的间隙50，转子前缘板11和静子后缘板14之间也存在一个轴向的间隙50。这样可以防止叶片前后窜动导致转静子在叶根部位发生碰磨。一排转子10的叶片根部位尾缘的缘板、静子20的叶片叶根前后的缘板、以及后一排转子10的叶片前缘的缘板，共形成四类不同方向的缘板(即转子前缘板11、转子后缘板12、静子前缘板13和静子后缘板14)。四个缘板与转动轴、密封篦齿、静子叶根构成密封的容腔50，此容腔与流道相同的两个间隙处存在压力差，驱动容腔内流体流动。

如图2所示，转子后缘板12的出口最高位置点A与转子叶片根部的尾缘点B之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。为了减少工艺复杂性，本实施例优选转子后缘板12的出口最高位置点A与转子叶片根部的尾缘点B之间通过两段圆弧曲线连接。

特别地，转子叶片根部的尾缘点B与静子叶片根部的前缘点B’之间的连线与转子后缘板12的外侧边缘的交点为第一定位点C。所述两段圆弧连接点的位置距转子叶片根部的尾缘点B处的距离为0.3-0.5倍的转子叶片根部的尾缘点B至第一定位点C的距离。

转子后缘板12的出口最高位置点A与转子后缘板12的出口位于同一轴向位置。并且，通过转子后缘板12的出口最高位置点的圆弧的切线，与转子叶片根部的尾缘点B处至第一定位点C的连线的夹角范围为20°-30°。

静子前缘板13的外侧最高点A’与静子叶片根部的前缘点B’之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。为了减少工艺复杂性，本实施例优选静子前缘板13的外侧最高点A’与静子叶片根部的前缘点B’之间通过两段圆弧曲线连接。

特别地，转子叶片根部的尾缘点B与静子叶片根部的前缘点B’之间的连线与静子前缘板13的外侧边缘的延长线的交点为第二定位点C’。所述两段圆弧连接点位置距静子叶片根部的前缘点B’处的距离为0.3-0.5倍的静子叶片根部的前缘点B’至第二定位点C’的距离。

静子前缘板13的外侧最高点A’与静子前缘板13的进口位于同一轴向位置。并且，通过静子前缘板13的外侧最高点A’的圆弧的切线，与静子叶片根部的前缘点B＇至第二定位点C’连线的夹角范围为20°-30°。

根据上述结构，静子后缘板14的处理方式与转子后缘板12的处理方式类似，同理转子前缘板11的处理方式与静子前缘板13的处理方式类似。

转子后缘板12的出口最高位置点A的径向尺寸等于或大于后一进口第一定位点C处的径向尺寸，叶根点到此出口位置使用多段圆弧曲线拟合光滑连接。对于转子后缘板12和静子前缘板13，其静子前缘板13的径向尺寸等于或小于前一出口第一定位点C处的径向尺寸，叶根点到此进口位置使用多段圆弧曲线拟合光滑连接。

此处，转子后缘板12和静子前缘板13的底部位于同一半径，转子前缘板11和静子后缘板14的底部位于同一半径，以减小容腔的泄漏损失。

如图3所示，在现有技术中，转子后缘板的尾缘和静子后缘板的尾缘主流会产生向容腔的射流，会增强径向流动掺混，在一定程度上增加了掺混损失。同时，所述射流会导致容腔内的流动始终处于不稳定状态，也会在一定程度上增加损失。

如果后排叶片的前缘板径向位置高于前排叶片后缘板的径向位置，则通过后排容腔倒流至前排容腔的气流能够较为容易进入流道内，这会增加附面层的掺混损失。

如图4所示，本发明轴流压气机要求的前后缘板的底部处于同一径向高度，这就使得前后容腔内的倒流进入流道内的能力大大减弱，从而有效减小附面层掺混损失。由此可见，本发明设计的缘板形式能有效减弱或消除射流，因此可以有效减小附面层的掺混损失。

所述轴流压气机通过消除射流，以及抑制容腔间的倒流进入流道，会在容腔内形成一个较为稳定的流场，从而使得整个压气机的流场更加稳定，能在一定程度上提高压气机的裕度。

因此，相较于现有技术中轴流压气机的结构形式的根部流道，前后缘板间台阶带来的损失，篦齿泄漏的损失和容腔泄漏损失都有所减小，对气动性能带来有利的影响。通过多段圆弧曲线定义前后缘板的流道型面，规定前后缘板的下型面位置，减小容腔内压差，降低容腔泄漏损失。

综上所述，本发明轴流压气机采用了叶片根部缘板上型面的多段圆弧定义方法，弥补了气动流道设计过程中的不足，对结构设计提供了参考规范。多段圆弧曲线定义流道符合气动性能的要求，且前后缘的型面之间考虑了流动过程中的重力带来的影响，尽量减小了台阶差带来的气动损失。此外，缘板下型面保持在同一高度上，避免了主流对容腔冲击带来的损失，也减小了前后压差带来的篦齿泄漏损失。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轴流压气机，包括静子和转子，其特征在于，所述静子和所述转子交替排列，所述转子固定在鼓筒轴上，所述静子的悬臂固定在机匣上，所述转子的叶片的根部与所述鼓筒轴连接，且所述转子的叶片的根部的前后分别设有转子前缘板和转子后缘板；

所述静子的叶片的顶部固定在机匣上，所述静子的叶片的根部的前后分别设有静子前缘板和静子后缘板；

所述转子前缘板和所述静子前缘板向下倾斜，所述转子后缘板和所述静子后缘板向上倾斜伸出，使得所述转子前缘板与所述静子后缘板匹配，所述转子后缘板与所述静子前缘板匹配；

所述转子叶片根部的尾缘点与所述静子叶片根部的前缘点之间的连线与所述转子后缘板的外侧边缘的交点为第一定位点；

所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子叶片根部的尾缘点之间通过圆弧连接，通过所述转子后缘板的出口最高位置点的圆弧的切线，与所述转子叶片根部的尾缘点至所述第一定位点的连线的夹角范围为20°-30°。

2.如权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述转子后缘板和所述静子前缘板之间存在一个轴向的间隙，所述转子前缘板和所述静子后缘板之间也存在一个轴向的间隙。

3.如权利要求2所述的轴流压气机，其特征在于，所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子叶片根部的尾缘点之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。

4.如权利要求3所述的轴流压气机，其特征在于，所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子叶片根部的尾缘点之间通过两段圆弧曲线连接；

所述两段圆弧连接点位置距所述转子叶片根部的尾缘点处的距离为0.3-0.5倍的所述转子叶片根部的尾缘点至所述第一定位点的距离。

5.如权利要求4所述的轴流压气机，其特征在于，所述转子后缘板的出口最高位置点与所述转子后缘板的出口位于同一轴向位置。

6.如权利要求2所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子前缘板的外侧最高点与所述静子叶片根部的前缘点之间通过两段圆弧曲线至三段圆弧曲线连接。

7.如权利要求6所述的轴流压气机，其特征在于，所述转子叶片根部的尾缘点与所述静子叶片根部的前缘点之间的连线与所述静子前缘板的外侧边缘的延长线的交点为第二定位点；

所述静子前缘板的进口边缘最高点与所述静子叶片根部的前缘点之间通过两段圆弧曲线连接；

所述两段圆弧连接点位置距所述静子叶片根部的前缘点处的距离为0.3-0.5倍的所述静子叶片根部的前缘点至所述第二定位点的距离。

8.如权利要求7所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子前缘板的进口边缘最高点与所述静子前缘板的进口位于同一轴向位置。

9.如权利要求8所述的轴流压气机，其特征在于，通过所述静子前缘板的进口边缘最高点的圆弧的切线，与所述静子叶片根部的前缘点至所述第二定位点连线的夹角范围为20°-30°。

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