CN112065737B - 一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机 - Google Patents

一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，包括内机匣、外机匣、静叶和动叶，静叶和/或动叶为双圆弧叶型结构，其前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/20～1/50，其后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/8～1/15，以及静叶和/或动叶的展弦比为2.8～3.5。本发明提供的基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，其所采用的叶型结构设计，形状简单、易于加工，曲率变化连续，有着很宽的低损失工作范围，在高来流马赫数情况下几乎不减小气流弯角；且采用该叶型结构设计的超高压比单级轴流压气机，可以得到显著的高压比，同时也有着较高的效率。

Description

一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机
技术领域
本发明属于航空燃气轮机技术领域，涉及一种轴流压气机，尤其涉及一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机。
背景技术
轴流压气机广泛应用工业生产中，随着科技进步和现代工业的发展，传统工业用轴流压气机的压比和流量渐显不足，市场对高压比大流量压气机提出需求。同时，随着国家燃气轮机事业的发展，作为燃气轮机的重要组成部分，高压比大流量轴流压气机的研制也成为制约燃气轮机国产化的一项关键技术。压气机为了实现对空气的压缩，在压气机气转子和气缸上，交替依次布置动叶和静叶，一列动叶和一列静叶构成压气机的一级，多级动静叶串联构成压气机通流部分。
目前，典型的单级轴流压气机结构如图1所示。主要由静叶、动叶和内外机匣组成。展弦比(aspectratio)是压气机设计中，表征基元叶型几何特征的重要无量纲参数之一。在不考虑叶尖间隙时，展弦比指的是叶片展高与其弦长的比值，因此展弦比可以表示为：
Figure BDA0002673193360000011
其中，Dh为叶片展高；c为几何弦长，指的是基元叶型施加前后小圆后，中弧线前后缘切线与前后小圆交点的连线，如图2所示。
虽然在近现代设计中，小展弦比的设计，可以有效地降低边界层对性能的影响，提升一定的压气机的效率。但对于超高压比的单级轴流压气机(压比＞1.8)，由于压比要求非常大，因此在常规的展弦比设计范围(1.5～2.5)内时，无法满足所需的单位轮缘功要求。
发明内容
本发明所要解决是技术问题是：针对现有技术中的上述缺陷，针对高压比的需求，提出一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，包括内机匣、外机匣、静叶和动叶，所述静叶和/或所述动叶为双圆弧叶型结构，其前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/20～1/50，其后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/8～1/15，以及所述静叶和/或所述动叶的展弦比为2.8～3.5。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和/或所述动叶的最大挠度为0.8～1mm，位于40％～50％弦长处。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和/或所述动叶的最大相对厚度为1.5～1.8mm，最大厚度相对位置位于55％～65％弦长处。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和采用大前掠静叶结构。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述动叶采用后掠转子结构。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述动叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和/或所述动叶的前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/15～1/10。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和/或所述动叶的后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/12～1/8。
进一步地，在所述的超高压比单级轴流压气机上，所述静叶和/或所述动叶的展弦比为3。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明提供的基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，采用双圆弧叶型设计，选取超大展弦比，将叶型前缘小圆设计为较小半径，后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/10左右，使得在较大的来流马赫数和迎角变化范围内，叶型的损失得以降低且变化平稳，满足高声速下的叶型设计需求，降低出气边对叶栅气动性能的影响，且同时满足性能和工艺的要求；这种叶型结构设计，形状简单、易于加工，曲率变化连续，有着很宽的低损失工作范围，在高来流马赫数情况下几乎不减小气流弯角；采用该叶型结构设计的超高压比单级轴流压气机，可以得到显著的高压比，同时也有着较高的效率。
附图说明
图1为现有单级轴流压气机的结构示意图；
图2为现有压气机基元级中几何弦长c的示意图；
图3a为本发明基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机中静叶的双圆弧型叶型的结构示意图；
图3b为本发明基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机中动叶的双圆弧型叶型的结构示意图；
图4a为现有动叶和静叶的布置结构示意图；
图4b为本发明基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机中分流叶型的结构示意图.
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
在一些实施例中，如图1、3a和3b所示，提供一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，包括内机匣3、外机匣4、静叶1和动叶2，所述静叶1和/或所述动叶2为双圆弧叶型结构，采用双圆弧叶型结构设计的静叶1和/或所述动叶2，形状简单、易于加工，曲率变化连续，有着很宽的低损失工作范围，在高来流马赫数情况下几乎不减小气流弯角；所述静叶和/或所述动叶的展弦比为2.8～3.5，优选地，展弦比为3，该超大展弦比的双圆弧叶型结构设计，形状简单、易于加工，曲率变化连续，有着很宽的低损失工作范围，在高来流马赫数情况下几乎不减小气流弯角；采用该于超大展弦比的的超高压比单级轴流压气机，可以得到显著的高压比，同时也有着较高的效率。
在其中的一个实施例中，如图3a和3b所示，所述静叶1和/或所述动叶2的前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/15～1/10；优选地，所述静叶和/或所述动叶的前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/14～1/11；较为优选地，所述静叶和/或所述动叶的前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/13～1/12。前缘小圆采用适宜的0.12～0.18mm的小半径结构设计，使得在较大的来流马赫数和迎角变化范围内，叶型的损失得以降低且变化平稳，满足高声速下的叶型设计需求。
在其中的一个实施例中，如图3a和3b所示，所述静叶1和/或所述动叶2的后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/12～1/8；优选地，所述静叶1和/或所述动叶2的后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/11～1/9；较为优选地，所述静叶1和/或所述动叶2的后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/10。设计适宜的0.15～0.20mm后缘小圆半径，可降低出气边对叶栅气动性能的影响，并且同时满足性能和工艺的要求；采用了较大的最大挠度相对位置，使得单级轴流压气机的临界马赫数增高，做功能力增强。
在其中的一个实施例中，为提高压气机的做功能力，设计所述静叶和/或所述动叶的最大挠度为0.8～1mm，位于40％～50％弦长处，采用了较大的最大挠度相对位置，可使得单级轴流压气机的临界马赫数增高，做功能力增强。
在其中的一个实施例中，所述静叶和/或所述动叶的最大相对厚度为1.5～1.8mm，最大厚度相对位置位于55％～65％弦长处，通过严格控制叶型的最大相对厚度及最大厚度相对位置，保证临界马赫数和堵塞马赫数不会过低。
在其中的一个实施例中，所述静叶和采用大前掠静叶结构，有效降低了静叶根部的马赫数，避免了前缘产生的激波以及由其引起的流动分离，同时达到了提高流通能力和降低损失的效果，且明显提升了喘振裕度。
在其中的一个实施例中，所述动叶采用后掠转子结构，采用后掠设计的转子动叶，可有效消除了激波的影响，提高了整级的效率。
在其中的一个实施例中，如图4a和图4b所示，所述静叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置；和/或所述动叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置。通过采用分流叶型设计，把小弦长的叶型依次相间地放置在大弦长、大弯度的叶型中间，增加了稠度，加大了气动弯角，大大提高了做功能力和喘振裕度。
性能测试：
基于常规展弦比设计的叶栅和基于本发明超大展弦比设计的叶型，进行了三维仿真模型计算分析，结果如下表1所示。
表1叶型计算结果比较
单位 常规展弦比叶型 超大展弦比叶型 差值
展弦比 — 2 3 +1
转速 rpm 39000 39000 0
压比 — 1.75 2.25 +28.57％
效率 — 0.86 0.91 +0.05
流量 kg/s 3.79 3.6 -5.01％
由上述表1所示计算结果可知，结果表明，在转速一定的条件下，两者流量相差约5％，但相比普通的叶栅设计，超大展弦比叶型有着更高的压比(+28.57％)和更好的效率(+5％)。本发明提供的基于超大展弦比的单级轴流压气机设计，可以得到显著的高压比，同时也有着较高的效率。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种基于超大展弦比的超高压比单级轴流压气机，包括内机匣、外机匣、静叶和动叶，其特征在于，所述静叶和/或所述动叶为双圆弧叶型结构，其前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/20～1/50，其后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/8～1/15，以及所述静叶和/或所述动叶的展弦比为2.8～3.5。
2.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于所述静叶和/或所述动叶的最大挠度为0.8～1mm，位于40％～50％弦长处。
3.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于，所述静叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置。
4.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于，所述动叶采用分流叶型结构，其由小弦长的叶型和大弦长、大弯度的叶型依次间隔布置。
5.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于，所述静叶和/或所述动叶的前缘小圆设计半径为叶型最大厚度的1/20～1/50。
6.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于，所述静叶和/或所述动叶的后缘小圆半径控制在叶型最大厚度的1/8～1/15。
7.根据权利要求1所述的超高压比单级轴流压气机，其特征在于，所述静叶和/或所述动叶的展弦比为3。
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