CN110005644A - 带中间机匣的轴流压气机静子 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带中间机匣的轴流压气机静子，所述轴流压气机静子的叶片外机匣和轮毂流道之间设有中间机匣，所述中间机匣呈环形结构，与所述轴流压气机静子叶片连接为一体；所述中间机匣将所述轴流压气机静子处的流动分为多个涵道，所述中间机匣的子午流路的前段接近水平，后段逐渐下压，中间段光滑过渡。本发明通过改善静子根尖端区的流动，降低流动损失，提高压气机的裕度和效率，即主要是实现气动效果，且结构较简单，容易实现。

Description

带中间机匣的轴流压气机静子

技术领域

本发明涉及涡扇发动机叶轮机械领域，特别涉及一种带中间机匣的轴流压气机静子。

背景技术

在涡扇发动机叶轮机械领域中，航空发动机压气机的设计裕度和效率直接影响整台发动机的性能。目前，国际上先进压气机设计朝着高压比、高负荷的方向发展，以减少级数，实现减重和增加结构可靠性。级压比的提高带来叶片弯角的增大，而根尖端区由于存在环壁边界层及其和叶片表面边界层之间的互相阻滞效应，气体流速较低。在大弯角的情况下叶型吸压力面之间静压差较大，气流转弯离心力难以与周向静压梯度平衡，容易产生较严重的二次流和角涡，甚至产生分离。

根据经验，高负荷压气机失速往往发端于静子端区分离，低能流体和分离涡沿径向迅速迁移拓展，造成展向大范围分离失速。因此在叶片设计时，端区往往给定较负的设计攻角，而这会进一步增大叶片弯角，带来矛盾。为了改善压气机的端区流场，国内外学者提出了很多方法，包括弯掠设计、非轴对称端壁设计、边界层抽吸等，这些方法一定程度上可以改善端区的流场问题，但或者结构较为复杂，或者改善效果有限无法满足要求。

轴流压气机是指气流基本平行于旋转叶轮轴线流动的压气机。静子是指风扇增压级/压气机中不旋转的且具有导流作用的叶片。中间机匣是指位于静子叶片外机匣与轮毂流道之间的一层环形结构，与一圈静子叶片连结成一体。对于负荷较高的压气机，静子的根尖端区通常弯角较大，扩散因子(D因子)较高，且由于环壁边界层和叶片表面边界层之间的相互阻滞作用，端区二次流较严重，低能流体径向迁移产生角涡甚至流动分离，流动损失较高，进而导致压气机裕度和效率降低，静子端区的气流分离往往是导致压气机失速的主要原因。

有鉴于此，本领域技术人员亟待研制一种新型的能克服上述缺陷的轴流压气机静子。

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轴流压气机的静子结构复杂，轴流端区的流场改善有限的缺陷，提供一种带中间机匣的轴流压气机静子。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种带中间机匣的轴流压气机静子，其特点在于，所述轴流压气机静子的叶片外机匣和轮毂流道之间设有中间机匣，所述中间机匣呈环形结构，与所述轴流压气机静子叶片连接为一体；

所述中间机匣将所述轴流压气机静子处的流动分为多个涵道，所述中间机匣的子午流路的前段接近水平，后段逐渐下压，中间段光滑过渡。

根据本发明的一个实施例，所述中间机匣的截面形状为叶片造型。

根据本发明的一个实施例，所述中间机匣的截面前缘采用非对称的椭圆形状。

根据本发明的一个实施例，所述中间机匣的截面进口攻角为0°。

根据本发明的一个实施例，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路为水平状。

根据本发明的一个实施例，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路为倾斜上抬状。

根据本发明的一个实施例，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路的前段为平直状，后段为倾斜上抬状。

根据本发明的一个实施例，所述中间机匣的子午流路设置在靠近所述轴流压气机静子的根部区域和/或尖部区域。

根据本发明的一个实施例，所述中间机匣的子午流路的子午转角小于等于30°。

本发明的积极进步效果在于：

本发明带中间机匣的轴流压气机静子使用一种静子间的中间机匣结构，通过合理设计中间机匣的位置和流路，将静子处流动分为两个或是三个涵道，改变气流子午速度径向分布，提高静子端区流动子午速度，从而减小扩散因子(D因子)，并抑制端区低能流体径向迁移，改善端区流场。所述轴流压气机静子通过改善静子根尖端区的流动，降低流动损失，提高压气机的裕度和效率，即主要是实现气动效果，且结构较简单，容易实现。

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为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图一。

图2为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图二。

图3为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图三。

图4为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图四。

图5为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路的主要设计参数示意图。

图6为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的结构示意图。

图7为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的局部放大图。

图8为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的中间机匣截面形状示意图。

图9a为轴流压气机静子未带中间机匣时，对根部端区二次流和分离的抑制作用示意图。

图9b为轴流压气机静子带有中间机匣时，对根部端区二次流和分离的抑制作用示意图。

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为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图一。图2为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图二。图3为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图三。图4为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路示意图四。

本发明公开了一种带中间机匣的轴流压气机静子，通常带中间机匣的静子子午流路具有四种典型的结构。如图1所示，静子机匣流路1a和静子轮毂流路2a均为水平，中间机匣子午流路3a的位置靠近根部端区，水平虚线4a沿中间机匣子午流路3a的前段相切。

如图2所示，静子机匣流路1b和静子轮毂流路2b均为水平，中间机匣子午流路3b的位置靠近尖部端区，水平虚线4b沿中间机匣子午流路3b的前段相切。

如图3所示，静子机匣流路1c为水平，静子轮毂流路2c倾斜上抬，中间机匣子午流路3c的位置靠近根部端区，虚线4c与轮毂流路2c平行，并沿中间机匣子午流路3c的前段相切。

如图4所示，静子机匣流路1d为水平，静子轮毂流路2d前段平直，后段倾斜上抬，中间机匣子午流路3d的位置靠近根部端区，水平虚线4d沿中间机匣子午流路3d的前段相切。

当然，除上述几种结构示意之外，所述中间机匣的子午流路也可以同时设置在靠近所述轴流压气机静子的根部区域和尖部区域，或其他原理类似的变换构型。

图5为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的子午流路的主要设计参数示意图。

如图5所示，本发明中的中间机匣设计首先从子午流路设计开始，中间机匣子午流路A设计为前段近似水平，后段逐渐下压，中间光滑过渡的形式，可按压气机叶片叶型中弧线形状设计。其中，由于进口气流子午流动方向为水平，因此前段进口设计为近似水平以迎合气流方向，使中间机匣截面进口攻角接近0°。然而，如图3中静子轮毂流路2d的后段倾斜上抬，使得根部进口气流子午流动方向也倾斜向上。因此，前段进口也设计为倾斜向上的方向以顺应气流。

根据压气机中表征叶片负荷的扩散因子(D因子)定义：

其中ω₁为叶片进口平均速度，ω₂为叶片出口平均速度，ω_max为叶片吸力面表面最大速度，中间机匣子午流路设计为前段保持一段近似水平长度p，设该处的子午弦长为L，前段比例p/L值取为叶型最大表面马赫数相对位置或叶型最大弯度相对位置。

目前的先进航空发动机压气机大多采用前加载叶型设计，叶型最大表面马赫数相对位置比较靠前(一般为0.15～0.4)。因此，水平段p值可以相对较短，由于气流在水平段子午流通面积基本不变。因此子午速度基本不变，则叶型吸力面表面最大速度ω_max基本不变。

中间机匣后段流路下压，使根部端区后段气流子午流通面积收缩，气流子午速度上升，则出口平均速度ω₂上升，而叶型进口平均速度ω₁不变，因此D因子下降，叶片根部端区负荷降低，有利于裕度和效率提升。

中间机匣可与根部轮毂流路结合设计带来更优的效果，如图4所示，根部轮毂流路前段采用平直设计或轮廓(contour)下压设计，后段上抬，使端区出口平均速度ω₂上升更多，从而D因子下降更多。

另外，由于中间机匣的存在，阻隔了端区低能流体沿径向迁移，将近喘点的流动分离与径向迁移限制在端区，保障了主流区的流动，同样有利于裕度提升。

中间机匣的起始相对高度h_in/打根据设计点和近喘点端区径向迁移和分离的范围大小来选择，端区子午进出口面积比h_out/h_in决定了出口平均速度ω₂上升程度，可由子午转角θ来控制，而θ的取值需考虑来流子午马赫数Ma_m、静子叶片本身静压比π以及该处叶片子午弦长L，若Ma_m相对较大、π值相对较高，或子午展弦比H/L较高，则需取较小的θ值(建议不超过30°)，否则中间机匣背侧可能会发生分离。

另外，由于中间机匣的加入改变了端区子午流线的形状，建议对静子叶片本身叶型尤其是端区叶型重新进行通流造型设计，以获得最优的气动效果。

图6为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的结构示意图。图7为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的局部放大图。图8为本发明带中间机匣的轴流压气机静子的中间机匣截面形状示意图。

如图6至图8所示，本发明公开的带中间机匣的轴流压气机静子，其中，轴流压气机静子10的叶片外机匣和轮毂流道之间设有中间机匣11，中间机匣11呈环形结构，与轴流压气机静子叶片12连接为一体。中间机匣11将轴流压气机静子10处的流动分为多个涵道，中间机匣11的子午流路的前段接近水平，后段逐渐下压，中间段光滑过渡。

优选地，此处中间机匣11的截面形状为叶片造型。中间机匣11的截面前缘采用非对称的椭圆形状，并且中间机匣的截面进口攻角为0°，也可以设置为接近0°。

在完成中间机匣子午流路设计后，即开展中间机匣截面形状设计，将子午流路作为中弧线，利用叶片造型程序将其设计为叶片形状，叶型前缘采用非对称椭圆前缘造型，消除前缘表面马赫数尖峰(spike)，增加攻角适应性，获得较优气动外形。

另外由于其为静子件，强度问题较小，因此截面厚度可以设计的很薄，尽量降低中间机匣本身带来的堵塞和流动损失。当然，若强度问题可以克服，也可将该中间机匣结构应用于压气机转子叶片。

图9a为轴流压气机静子未带中间机匣时，对根部端区二次流和分离的抑制作用示意图。图9b为轴流压气机静子带有中间机匣时，对根部端区二次流和分离的抑制作用示意图。

如图9a和图9b所示，图中给出了无中间机匣和有中间机匣时相同背压下的近喘点静子叶片吸力面表面极限流线对比，可以看到中间机匣通过消除静子端区分离涡，将其转化为小范围的端区迁移，从而能够改善端区流场，拓展裕度。

综上所述，本发明带中间机匣的轴流压气机静子使用一种静子间的中间机匣结构，通过合理设计中间机匣的位置和流路，将静子处流动分为两个或是三个涵道，改变气流子午速度径向分布，提高静子端区流动子午速度，从而减小扩散因子(D因子)，并抑制端区低能流体径向迁移，改善端区流场。所述轴流压气机静子通过改善静子根尖端区的流动，降低流动损失，提高压气机的裕度和效率，即主要是实现气动效果，且结构较简单，容易实现。

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)

1.一种带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述轴流压气机静子的叶片外机匣和轮毂流道之间设有中间机匣，所述中间机匣呈环形结构，与所述轴流压气机静子叶片连接为一体；

所述中间机匣将所述轴流压气机静子处的流动分为多个涵道，所述中间机匣的子午流路的前段接近水平，后段逐渐下压，中间段光滑过渡。

2.如权利要求1所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述中间机匣的截面形状为叶片造型。

3.如权利要求2所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述中间机匣的截面前缘采用非对称的椭圆形状。

4.如权利要求3所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述中间机匣的截面进口攻角为0°。

5.如权利要求1所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路为水平状。

6.如权利要求1所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路为倾斜上抬状。

7.如权利要求1所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述轴流压气机静子的静子机匣流路为水平状，所述轴流压气机静子的静子轮毂流路的前段为平直状，后段为倾斜上抬状。

8.如权利要求1所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述中间机匣的子午流路设置在靠近所述轴流压气机静子的根部区域和/或尖部区域。

9.如权利要求1-8任意一项所述的带中间机匣的轴流压气机静子，其特征在于，所述中间机匣的子午流路的子午转角小于等于30°。