CN112283126A - 压气机和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压气机和航空发动机，其中，压气机包括机匣和叶片，叶片安装于所述机匣，所述叶片包括沿其高度方向串联连接的至少两个叶片段，且所述至少两个叶片段的出口气流角度可调。航空发动机包括压气机。本发明通过调节至少两个叶片段的出口气流角度，可以使气流出口角度与压气机运行工况的需求相匹配，减少气流分离，减少气动损失；还可以为实现叶片在叶高方向的不同区段具有不同的出口气流角度提供支持，有利于提高压气机的性能。

Description

压气机和航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种压气机和航空发动机。

背景技术

随着科技的发展，现代航空发动机对经济性和可靠性的要求越来越高，航空发动机各部件的性能遇到了前所未有的挑战。提高航空发动机性能的一个主要途径是改进轴流压缩机的设计。轴流压缩机是航空发动机中最重要的部件之一，由转子和静子组成。转子在发动机轴的带动下高速旋转，带动叶片对空气做功，压缩空气，提高气体压力，同时提高气体的绝对速度；静子由机匣和导流叶片组成，通过叶栅通道的设计，使气流进一步减速，将气体动能转变为气体静压的提高。

轴流压缩机在工作过程中会出现气动不稳定性-旋转失速和喘振问题。气动不稳定性严重制约轴流压缩机的性能。现代航空发动机中的轴流压缩机大多数采用可调静子叶片技术来防止喘振问题。可调静子叶片技术是将轴流压缩机的进口导流叶片和前几级静子叶片做成安装角度是可调的，通过调整静叶的转角，改变其出气角,使得轴流压缩机在非设计工况下仍能保证转子叶片在合适的攻角下工作，改善气流流动分离，扩大喘振边界，保证发动机的性能。

但是实际应用中，即使将导流叶片的安装角度设计为可调，轴流压缩机仍然会出现气流分离和喘振等问题，因此轴流压缩机的结构仍需进一步改进。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明实施例提供一种压气机和航空发动机，可以尽可能地减少气流分离，减少喘振问题的发生。

根据本发明的一个方面，提供一种压气机，包括：

机匣；和

叶片，安装于机匣，叶片包括沿其高度方向串联连接的至少两个叶片段，且至少两个叶片段的出口气流角度可调。

在一些实施例中，至少两个叶片段的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

在一些实施例中，叶片包括沿其高度方向串联连接的第一叶片段、第二叶片段和第三叶片段，第二叶片段设置于第一叶片段和第三叶片段之间，且第一叶片段、第二叶片段和第三叶片段的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

在一些实施例中，叶片还包括第一连接件，第一连接件与第一叶片段连接，第一连接件可转动地安装于机匣。

在一些实施例中，叶片还包括第一转轴，第一叶片段设有第一安装孔，第一连接件设有第二安装孔，第一转轴与第二叶片段连接，第一转轴穿过第一安装孔和第二安装孔并与机匣可转动地连接，且第一转轴的转动轴线与第一连接件相对于机匣转动的轴线共线。

在一些实施例中，压气机还包括内环，叶片还包括第二连接件和第二转轴，第二连接件和第二转轴均与第三叶片段连接，第二连接件可转动地安装于内环，第二叶片段设有第三安装孔，第一转轴设有第四安装孔，第二转轴穿过第三安装孔和第四安装孔并与机匣可转动地连接，且第二连接件相对于内环的转动轴线、第二转轴的转动轴线和第一转轴的转动轴线共线。

在一些实施例中，第一转轴的轴向长度大于第一安装孔和第二安装孔的轴向长度之和，以使第一转轴的远离第二叶片段的一端伸出第一连接件之外；和/或，第二转轴的轴向长度大于第三安装孔和第四安装孔的轴向长度之和，以使第二转轴的远离第三叶片段的一端伸出第一转轴之外。

在一些实施例中，第一叶片段相对于机匣转动的轴线设置于第一叶片段的靠近前缘的一侧；和/或，第二叶片段相对于机匣转动的轴线设置于第二叶片段的靠近前缘的一侧；和/或，第三叶片段相对于机匣转动的轴线设置于第三叶片段的靠近前缘的一侧。

在一些实施例中，第一叶片段相对于机匣转动的轴线与第一叶片段的尾缘边线之间的距离为第一叶片段相对于机匣转动的轴线与第一叶片段的前缘边线之间的距离的2~3倍；和/或，第二叶片段相对于机匣转动的轴线与第二叶片段的尾缘边线之间的距离为第二叶片段相对于机匣转动的轴线与第二叶片段的前缘边线之间的距离的2~3倍；和/或，第三叶片段相对于机匣转动的轴线与第三叶片段的尾缘边线之间的距离为第三叶片段相对于机匣转动的轴线与第三叶片段的前缘边线之间的距离的2~3倍。

在一些实施例中，在叶片的高度方向上，第二叶片段的高度大于第一叶片段的高度和第三叶片段的高度。

在一些实施例中，在叶片的高度方向上，第一叶片段的高度和第三叶片段的高度基本相等。

根据本发明的另一个方面，提供一种航空发动机，包括上述的压气机。

基于上述技术方案，本发明实施例中至少两个叶片段的出口气流角度可调，通过调节至少两个叶片段的出口气流角度，可以使气流出口角度与后一级转子叶片的进口气流角度相适应，使得后一级转子叶片能够在与压气机运行工况相匹配的攻角下工作，从而减少气流分离，减少气动损失，提高压气机的性能；而且，至少两个叶片段沿叶片的高度方向串联连接，可以为实现叶片在叶高方向的不同区段具有不同的出口气流角度提供支持，适应叶片流场的三维效应，尽量使得叶片不同叶高处的出口气流角度均能够与后一级转子叶片在对应叶高处的进口气流角度相适应，减少气流分离和喘振现象。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明压气机一个实施例中叶片的结构示意图。

图2为本发明压气机一个实施例中叶片的爆炸图。

图3为本发明压气机一个实施例中叶片的剖视图。

图4为本发明压气机一个实施例中第一叶片段旋转后的出口气流角度的变化图。

图中：

11、第一叶片段；12、第一连接件；13、驱动部；21、第二叶片段；22、第一转轴；31、第三叶片段；32、第二连接件；33、第二转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

针对采用了可调静子叶片后，轴流压缩机在实际工作过程中仍然会出现气流分离和喘振等现象的问题，发明人进行了大量研究，发现出现上述问题的主要原因在于：轴流压缩机的内部流场非常复杂，气流流动三维效应明显，目前相关技术中所设置的可调静子叶片通常是整个叶片整体转动一个角度，转动角度的大小是以叶高某一半径为设计点（例如中径处），转动的角度以改善该设计点处的气流流动情况为目标，因此不能兼顾整个叶片的三维流动情况，在满足设计点要求时，后面一级转子叶片的叶根、叶尖的气流流动仍会出现不匹配的情况，例如在某一工况下，叶片的整体转动角度满足了设计点的要求，但叶尖气流仍处于正攻角进气状态，叶根则处于负攻角进气状态，因此叶片压力面和吸力面仍会发生不同程度的分离，严重时导致轴流压缩机失速或喘振。

基于以上研究结果，发明人对压气机的结构进行了改进。如图1所示，在本发明提供的压气机的一些实施例中，压气机包括机匣和叶片，叶片安装于机匣上，叶片包括沿其高度方向串联连接的至少两个叶片段，且至少两个叶片段的出口气流角度可调。其中，叶片的高度方向为从叶根到叶尖的方向。

在上述实施例中，至少两个叶片段的出口气流角度可调，通过调节至少两个叶片段的出口气流角度，可以使气流出口角度与后一级转子叶片的进口气流角度相适应，使得后一级转子叶片能够在与压气机运行工况相匹配的攻角下工作，从而减少气流分离，减少气动损失，提高压气机的性能；而且，至少两个叶片段沿叶片的高度方向串联连接，可以为实现叶片在叶高方向的不同区段具有不同的出口气流角度提供支持，适应叶片流场的三维效应，尽量使得叶片不同叶高处的出口气流角度均能够与后一级转子叶片在对应叶高处的进口气流角度相适应，减少气流分离和喘振现象。

在一些实施例中，至少两个叶片段的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

每个叶片段可以独立地进行调节，这样就可以使不同的叶片段转动不同的角度，可以使每个叶片段根据压气机运行工况适应性地转动至与运行工况对该叶片段所处位置的需求相匹配的角度，避免由于需求不同而造成的不匹配问题，从根本上解决气流分离和喘振问题，减少气流分离和喘振问题的发生。

在一些实施例中，叶片包括沿其高度方向串联连接的两个叶片段；在另一些实施例中，叶片包括沿其高度方向串联连接的三个叶片段。在其他实施例中，叶片也可以包括沿其高度方向串联连接的四个或更多个叶片段。

在如图1~3所示的一些实施例中，叶片包括沿其高度方向串联连接的第一叶片段11、第二叶片段21和第三叶片段31，第二叶片段21设置于第一叶片段11和第三叶片段31之间，且第一叶片段11、第二叶片段21和第三叶片段31的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

在一些实施例中，叶片还包括第一连接件12，第一连接件12与第一叶片段11连接，第一连接件12可转动地安装于机匣。

通过设置第一连接件12，可以将第一叶片段11可转动地安装于机匣上。第一连接件12与第一叶片段11可以固定连接或者一体成型。

在一些实施例中，叶片还包括驱动部13，驱动部13与第一连接件12连接，通过对驱动部13进行驱动操作，可以带动第一连接件12以及第一叶片段11一起相对于机匣转动，实现对第一叶片段11的出口气流角度的调节。

在一些实施例中，叶片还包括第一驱动装置，第一驱动装置与驱动部13驱动连接。通过第一驱动装置驱动驱动部13转动，可以进一步带动第一连接件12以及第一叶片段11一起相对于机匣转动，实现对第一叶片段11的出口气流角度的调节。

驱动部13连接于第一连接件12的周向侧面，便于对驱动部13进行操作。

在一些实施例中，第一连接件12与机匣之间设有第一轴承，通过设置第一轴承，可以对第一连接件12与机匣之间的相对转动进行支撑。

在一些实施例中，叶片还包括第一转轴22，第一叶片段11设有第一安装孔，第一连接件12设有第二安装孔，第一转轴22与第二叶片段21连接，第一转轴22穿过第一安装孔和第二安装孔并与机匣可转动地连接，且第一转轴22的转动轴线与第一连接件12相对于机匣转动的轴线共线。

第一转轴22与第二叶片段21固定连接或一体成型，第一转轴22相对于机匣转动以带动第二叶片段21相对于机匣转动，实现对第二叶片段21的出口气流角度的调节。

第一安装孔和第二安装孔的孔径均大于第一转轴22的轴径，在第一转轴22和第二叶片段21相对于机匣转动时，第一连接件12和第一叶片段11不受影响，仍相对于机匣保持不动。

如图1和图3所示，在一些实施例中，第一转轴22的轴向长度大于第一安装孔和第二安装孔的轴向长度之和，以使第一转轴22的远离第二叶片段21的一端伸出第一连接件12之外。第一转轴22通过其露出第一连接件12的第二安装孔之外的部分与机匣转动连接，以避免与第一连接件12和机匣之间的转动连接发生干涉。

在一些实施例中，第一连接件12呈圆柱体形状，第一连接件12连接于第一叶片段11的远离第二叶片段21的一侧。

在一些实施例中，压气机还包括内环，叶片还包括第二连接件32和第二转轴33，第二连接件32和第二转轴33均与第三叶片段31连接，第二连接件32可转动地安装于内环，第二叶片段21设有第三安装孔，第一转轴22设有第四安装孔，第二转轴33穿过第三安装孔和第四安装孔并与机匣可转动地连接，且第二连接件32相对于内环的转动轴线、第二转轴33相对于机匣的转动轴线与第一转轴22相对于机匣的转动轴线共线。

第二连接件32连接于第三叶片段31的靠近内环的一端，第二转轴33连接于第三叶片段31的远离内环的一端。第三叶片段31、第二连接件32和第二转轴33可以固定连接，也可以一体成型。

机匣和内环相对固定，第二转轴33相对于机匣转动时，带动第三叶片段31和第二连接件32相对于机匣和内环转动，从而实现对第三叶片段31的出口气流角度的调节。

第三安装孔和第四安装孔的孔径均大于第二转轴33的轴径，在第二转轴33和第三叶片段31相对于机匣转动时，第一转轴22和第二叶片段21不受影响，仍相对于机匣保持不动。

在一些实施例中，第二转轴33的轴向长度大于第三安装孔和第四安装孔的轴向长度之和，以使第二转轴33的远离第三叶片段31的一端伸出第一转轴22之外。第二转轴33通过其露出第一转轴22的第四安装孔之外的部分与机匣转动连接，以避免与第一转轴22和机匣之间的转动连接发生干涉。

在一些实施例中，第一叶片段11和第二叶片段21之间以及第二叶片段21和第三叶片段31之间具有微小间隙，以避免第一叶片段11、第二叶片段21和第三叶片段31在相对于机匣转动时彼此之间发生碰磨，减小对各个叶片段的寿命的影响。

在一些实施例中，第一叶片段11相对于机匣转动的轴线设置于第一叶片段11的靠近前缘的一侧。第二叶片段21相对于机匣转动的轴线设置于第二叶片段21的靠近前缘的一侧。第三叶片段31相对于机匣转动的轴线设置于第三叶片段31的靠近前缘的一侧。这样设置的好处，一是叶片前缘的半径比尾缘的半径大，便于第一转轴22和第二转轴33的安装和布置，同时可以使第一转轴22和第二转轴33的轴径更大，提高转动平稳性；二是转轴远离气流出口，在调节出口气流角度时单位气流角度对应的弧长更大，更容易实现精度调节。

在一些实施例中，第一叶片段11相对于机匣转动的轴线与第一叶片段11的尾缘边线之间的距离为第一叶片段11相对于机匣转动的轴线与第一叶片段11的前缘边线之间的距离的2~3倍，比如2倍、2.5倍和3倍。

第二叶片段21相对于机匣转动的轴线与第二叶片段21的尾缘边线之间的距离为第二叶片段21相对于机匣转动的轴线与第二叶片段21的前缘边线之间的距离的2~3倍，比如2倍、2.5倍和3倍。

第三叶片段31相对于机匣转动的轴线与第三叶片段31的尾缘边线之间的距离为第三叶片段31相对于机匣转动的轴线与第三叶片段31的前缘边线之间的距离的2~3倍，比如2倍、2.5倍和3倍。

前缘边线为叶片的压力面与吸力面在叶片前端的交线，尾缘边线为叶片的压力面与吸力面在叶片尾端的交线。前缘边线和尾缘边线均自叶根延伸到叶尖。

第三叶片段31相对于机匣转动的轴线与第三叶片段31的前缘边线之间的距离太大，会影响出口气流角度的调节精度；第三叶片段31相对于机匣转动的轴线与第三叶片段31的前缘边线之间的距离太小，会影响第一转轴22和第二转轴33的安装和布置。

在一些实施例中，在叶片的高度方向上，第二叶片段21的长度大于第一叶片段11的高度，也大于第三叶片段31的高度。这样可以与气流在叶高方向上的变化情况相匹配，更有利于使叶片整体的出口气流角度与压气机运行工况的需求相匹配，有效减少各个区段的气流分离。

在一些实施例中，在叶片的高度方向上，第一叶片段11的高度和第三叶片段31的高度基本相等。这与气流在叶根和叶尖的变化情况相近相匹配。

如图4所示，以第一叶片段11为例，在A状态时，第一叶片段11的出口气流角度（第一叶片段11的尾缘点的切线方向和压气机的转子轴的轴线方向之间的夹角）为β1；当压气机的转速从其设计值往下降时，可以将第一叶片段11沿顺时针转动至B状态，此时第一叶片段11的出口气流角度为β2（β2<β1）；当压气机的转速增加时，可以将第一叶片段11沿逆时针转动至C状态，此时第一叶片段11的出口气流角度为β3（β3>β1）。通过调节第一叶片段11的出口气流角度，可以调节空气流到后面的转子叶片上的角度，以适应后级转子进口气流角的变化。

各个叶片段的旋转角度可以独立控制，以实现不同的叶片旋转角度，即产生不同的出口气流角度。各个叶片段各自的旋转角度方向及大小根据后级转子所需的气流进气角度决定。通过各段选取合适的旋转角度，保证后级叶片在全叶高方向上均具有合适的进口气流角度，防止叶片根部的进气角过大、尖部的进气角过小的不匹配现象发生，尽可能地消除气流分离，减少喘振现象的发生，减少气流流动损失，提高压气机的整体性能。

在上述各个实施例中，压气机可以为轴流压缩机。

基于上述的压气机，本发明还提出一种航空发动机，该航空发动机包括上述的压气机。

上述各个实施例中压气机所具有的积极技术效果同样适用于航空发动机，这里不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，这些修改和等同替换均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (12)

1.一种压气机，其特征在于，包括：

机匣；和

叶片，安装于所述机匣，所述叶片包括沿其高度方向串联连接的至少两个叶片段，且所述至少两个叶片段的出口气流角度可调。

2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述至少两个叶片段的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

3.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述叶片包括沿其高度方向串联连接的第一叶片段（11）、第二叶片段（21）和第三叶片段（31），所述第二叶片段（21）设置于所述第一叶片段（11）和所述第三叶片段（31）之间，且所述第一叶片段（11）、所述第二叶片段（21）和所述第三叶片段（31）的出口气流角度被配置为能够分别独立地进行调节。

4.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，所述叶片还包括第一连接件（12），所述第一连接件（12）与所述第一叶片段（11）连接，所述第一连接件（12）可转动地安装于所述机匣。

5.根据权利要求4所述的压气机，其特征在于，所述叶片还包括第一转轴（22），所述第一叶片段（11）设有第一安装孔，所述第一连接件（12）设有第二安装孔，所述第一转轴（22）与所述第二叶片段（21）连接，所述第一转轴（22）穿过所述第一安装孔和所述第二安装孔并与所述机匣可转动地连接，且所述第一转轴（22）的转动轴线与所述第一连接件（12）相对于所述机匣转动的轴线共线。

6.根据权利要求5所述的压气机，其特征在于，还包括内环，所述叶片还包括第二连接件（32）和第二转轴（33），所述第二连接件（32）和所述第二转轴（33）均与所述第三叶片段（31）连接，所述第二连接件（32）可转动地安装于所述内环，所述第二叶片段（21）设有第三安装孔，所述第一转轴（22）设有第四安装孔，所述第二转轴（33）穿过所述第三安装孔和所述第四安装孔并与所述机匣可转动地连接，且所述第二连接件（32）相对于所述内环的转动轴线、所述第二转轴（33）的转动轴线和所述第一转轴（22）的转动轴线共线。

7.根据权利要求6所述的压气机，其特征在于，所述第一转轴（22）的轴向长度大于所述第一安装孔和所述第二安装孔的轴向长度之和，以使所述第一转轴（22）的远离所述第二叶片段（21）的一端伸出所述第一连接件（12）之外；和/或，所述第二转轴（33）的轴向长度大于所述第三安装孔和所述第四安装孔的轴向长度之和，以使所述第二转轴（33）的远离所述第三叶片段（31）的一端伸出所述第一转轴（22）之外。

8.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，所述第一叶片段（11）相对于所述机匣转动的轴线设置于所述第一叶片段（11）的靠近前缘的一侧；和/或，所述第二叶片段（21）相对于所述机匣转动的轴线设置于所述第二叶片段（21）的靠近前缘的一侧；和/或，所述第三叶片段（31）相对于所述机匣转动的轴线设置于所述第三叶片段（31）的靠近前缘的一侧。

9.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，所述第一叶片段（11）相对于所述机匣转动的轴线与所述第一叶片段（11）的尾缘边线之间的距离为所述第一叶片段（11）相对于所述机匣转动的轴线与所述第一叶片段（11）的前缘边线之间的距离的2~3倍；和/或，所述第二叶片段（21）相对于所述机匣转动的轴线与所述第二叶片段（21）的尾缘边线之间的距离为所述第二叶片段（21）相对于所述机匣转动的轴线与所述第二叶片段（21）的前缘边线之间的距离的2~3倍；和/或，所述第三叶片段（31）相对于所述机匣转动的轴线与所述第三叶片段（31）的尾缘边线之间的距离为所述第三叶片段（31）相对于所述机匣转动的轴线与所述第三叶片段（31）的前缘边线之间的距离的2~3倍。

10.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，在所述叶片的高度方向上，所述第二叶片段（21）的高度大于所述第一叶片段（11）的高度和所述第三叶片段（31）的高度。

11.根据权利要求3所述的压气机，其特征在于，在所述叶片的高度方向上，所述第一叶片段（11）的高度和所述第三叶片段（31）的高度基本相等。

12.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1~11任一项所述的压气机。

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