CN112283161A - 轴流压气机及其压气机转子叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压气机转子叶片，包括具有前缘点、尾缘点、吸力面和压力面的叶片本体，还包括分别加装在叶片本体的吸力面和压力面的双侧叶尖小翼，在叶顶表面上，单侧叶尖小翼的起点与前缘点之间的前端距离大于叶片本体的弦长的10%，单侧叶尖小翼的终点与尾缘点之间的尾端距离大于叶片本体的弦长的10%，并且，前缘点处的前缘金属角与尾缘点处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应双侧叶尖小翼的起点的起始金属角与对应双侧叶尖小翼的终点的终止金属角之间具有第二差值，第二差值大于第一差值的50%。本发明还提供一种包括上述压气机转子叶片的轴流压气机。上述压气机转子叶片能够以较低的强度负荷换取较高的气动收益。

Description

轴流压气机及其压气机转子叶片

技术领域

本发明涉及一种轴流压气机，特别地，涉及一种压气机转子叶片。

背景技术

在航空发动机或燃气轮机的设计、试验验证、工作服役等的过程中，轴流压气机气动性能是一组极其重要的参数指标，通过这一组参数指标可以评价压气机设计方案的优劣、监测压气机的工作状态是否正常、分析压气机工作过程中出现的故障问题等。

轴流压气机气动性能由各级的气动性能共同决定。其中，在高转速下，后面级的性能尤为重要。如图8所示，轴流压气机100c中，压气机转子叶片10c和机匣20c之间存在径向间隙，该径向间隙中存在由压力面14c到吸力面13c的泄漏流动。这不仅会导致叶尖部分的效率降低，还会降低其做功量，进而导致流量下降，正攻角增大，从而容易失速。径向间隙相比于叶高的比例越大，泄漏越严重，对性能的影响越大。随着气体的逐级压缩，轴流压气机的叶高总是逐级降低的，但各级在工作状态下的叶尖间隙却相差不大。因此处于越下游的级，叶尖泄漏问题越严重。现役航空轴流压气机的末级叶高大多在20mm以下，压气机转子叶片的叶尖泄漏已成为制约后面级性能的最主要因素之一。

叶尖小翼技术可以有效抑制叶尖泄漏，改善叶片气动性能，在涡轮领域已有大量应用。图9示出了在叶片主体201上加装了叶尖小翼结构202的涡轮叶片200。然而，压气机转子叶片远比涡轮叶片更薄，使用同样的叶尖小翼会给叶片带来大得多的应力和应变，从而带来一系列强度隐患。

在轴流压气机转子叶片由于叶身薄、刚度低，导致难以使用叶尖小翼来改善性能的大前提下，需要基于对强度、气动两方面的综合考虑，合理设计叶尖小翼和叶片本体的结构形式，从而以较低的强度负荷换取较高的气动收益，使其容易在压气机叶片中安全应用，以缓解轴流压气机后面级叶片最关注的叶尖失速问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种压气机转子叶片，能够以较低的强度负荷换取较高的气动收益。

本发明提供一种压气机转子叶片，包括具有前缘点、尾缘点、吸力面和压力面的叶片本体，还包括分别加装在所述叶片本体的吸力面和压力面的双侧叶尖小翼，在叶顶表面上，单侧叶尖小翼的起点与所述前缘点之间的前端距离大于所述叶片本体的弦长的10%，单侧叶尖小翼的终点与所述尾缘点之间的尾端距离大于所述叶片本体的弦长的10%；并且，所述前缘点处的前缘金属角与所述尾缘点处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应双侧叶尖小翼的起点的起始金属角与对应双侧叶尖小翼的终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第二差值大于所述第一差值的50%。

在一个实施方式中，所述压气机转子叶片的整个叶顶表面具有第一重心，所述叶片本体的叶顶表面部分具有第二重心，所述第一重心与所述第二重心的连线垂直于所述叶片本体的弦向。

在一个实施方式中，所述第一重心与所述第二重心重合。

在一个实施方式中，在同一弦向位置，加装在所述吸力面的吸力侧叶尖小翼的宽度是所述加装在所述压力面的压力侧叶尖小翼的宽度的0.5~1倍。

在一个实施方式中，单侧叶尖小翼的起点的弦向位置是C0，该单侧叶尖小翼的宽度最大的位点的弦向位置是Cm，该单侧叶尖小翼的终点的弦向位置是C1，则：0.8*(C0+C1)/2≤Cm≤1.2*(C0+C1)/2。

在一个实施方式中，单侧叶尖小翼的宽度从起点到终点先增加后降低。

在一个实施方式中，所述前端距离大于所述弦长的20%，所述尾端距离大于所述弦长的20%；和/或，所述第二差值大于所述第一差值的70%。

在一个实施方式中，单侧叶尖小翼的最大宽度是所述叶片本体的当地厚度的0.25~1.5倍。

在一个实施方式中，所述叶片本体的叶型厚度大于1.2mm。

本发明还提供一种轴流压气机，包括前述的压气机转子叶片。

上述压气机转子叶片中，对叶尖小翼的位置和叶片本体的叶型加载方式进行了综合设计。叶尖小翼的起点和终点分别相对于前缘点和尾缘点距离一定长度，可以减轻叶尖小翼的整体重量，使其对强度的影响较低；而且，叶片本体对应叶尖小翼的部分金属角的变化较大，从而能保持叶尖小翼带来的气动收益。总之，能够以较低的强度负荷换取较高的气动收益。

上述压气机转子叶片中，进一步改进叶尖小翼的布置，从而进一步增强同样面积的叶尖小翼对气动性能的改善作用。

附图说明

本发明的上述及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是示出根据本发明的压气机转子叶片的子午面的示意图。

图2是在叶顶表面上标示出金属角的示意图。

图3是在叶顶表面上标示出弦线的示意图。

图4是在叶顶表面上标示出吸力侧叶尖小翼的宽度的示意图。

图5是沿着图1中线B-B截取的截面图。

图6是示出图1中M1处的放大图。

图7是示出图1中M2处的放大图。

图8是现有技术中压气机转子叶片的叶尖泄漏的示意图。

图9是现有技术中加装叶尖小翼结构的涡轮叶片的示意图。

图10是示出两种叶片的压力分布的对比结果的示意图。

图11是示出两种叶片的效率分布的对比结果的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。

图1示出了压气机转子叶片10的子午面，图2至图4均是图1的F向视图，示出了压气机转子叶片10的叶顶表面5。压气机转子叶片10可以用于轴流压气机。轴流压气机是气流流动方向与工作轮旋转的轴线方向一致或近乎一致的多级压缩设备，由根尖流道及一系列静子叶片和转子叶片相应交替排列构成，常用于航空发动机或燃气轮机。需要理解，附图均仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

首先结合图1至图4，压气机转子叶片10包括叶片本体1。叶片本体1具有前缘点11、尾缘点12、吸力面13和压力面14，如图2所示。压气机转子叶片10还包括双侧叶尖小翼2，也即两个单侧叶尖小翼，分别加装在叶片本体1的吸力面13和压力面14。文中，加装在叶片本体1的吸力面13的单侧叶尖小翼称之为吸力侧叶尖小翼3，加装在叶片本体1的压力面14的单侧叶尖小翼称之为压力侧叶尖小翼4，不作区分描述时，可以均称为单侧叶尖小翼，表示吸力侧叶尖小翼3和压力侧叶尖小翼4均适用该描述。

可以理解，“加装”并不要求双侧叶尖小翼2与叶片本体1分离设置而双侧叶尖小翼2后期再安装到叶片本体1上，而仅是为了方便描述清楚该构造，双侧叶尖小翼2与叶片本体1可以是一体的。图2至图4中，叶片本体1的吸力面13上加装有吸力侧叶尖小翼3的部分标示为吸力面部分131，叶片本体1的压力面14上加装有压力侧叶尖小翼4的部分标示为压力面部分141，吸力面部分131和压力面部分141在压气机转子叶片10的叶顶表面5上的轮廓线均以虚线示出。

参见图3，在叶顶表面5上，单侧叶尖小翼的起点与叶片本体1的前缘点11之间的前端距离D1大于叶片本体1的弦长DX的10%，单侧叶尖小翼的终点与叶片本体1的尾缘点12之间的尾端距离D2大于叶片本体1的弦长DX的10%。如前所述，这里未作区分描述，意指吸力侧叶尖小翼3和压力侧叶尖小翼4均适用该描述。以加装在吸力面13的吸力侧叶尖小翼3为例，单侧叶尖小翼的起点P31与前缘点11之间的前端距离D1大于弦长DX的10%，单侧叶尖小翼的终点P32与尾缘点12之间的尾端距离D2大于弦长DX的10%。也即，D1≥10%*DX，且D2≥10%*DX。“弦长DX”意指图3中示出的弦线LX的长度，弦线LX也即前缘点11与尾缘点12的连线。进一步优选地，前端距离D1大于弦长DX的20%，尾端距离D2大于弦长DX的20%。也即，D1≥20%*DX，且D2≥20%*DX。继续以加装在吸力面13的吸力侧叶尖小翼3为例，吸力侧叶尖小翼3的外轮廓S3与叶片本体1的吸力面13的外轮廓具有两个交点，其中，距离前缘点11较近的交点即吸力侧叶尖小翼3的起点P31，而距离尾缘点12较近的交点即吸力侧叶尖小翼3的终点P32。该定义同样适用于压力侧叶尖小翼4，此处不作赘述。

参见图2，叶片本体1的前缘点11处的前缘金属角a1与叶片本体1的尾缘点12处的尾缘金属角a2之间具有第一差值a12。对于压气机亚音速转子叶片而言，总是满足a1＞a2，也即，a12=a1-a2。需要理解，叶片本体1在叶顶表面5上具有中弧线LC，图2至图4中以点划线示出。中弧线LC上任意一点的切线方向与轴向X0之间形成的小于90度的夹角即为该点处的金属角。“叶片本体1的前缘点11处的前缘金属角a1”意指中弧线LC在前缘点11处的切线方向与轴向X0之间形成的小于90度的夹角。“叶片本体1的尾缘点12处的尾缘金属角a2”意指中弧线LC在尾缘点12处的切线方向与轴向X0之间形成的小于90度的夹角。“轴向X0”在图2中示出为上下方向，指代安装有压气机转子叶片10的轴流压气机的轴线方向，大致与进气方向一致。图4中还示出了轴流压气机的周向Z0。

对应双侧叶尖小翼2的起点的起始金属角a3与对应双侧叶尖小翼2的终点的终止金属角a4之间具有第二差值a34，也即，a34=a3-a4。“对应双侧叶尖小翼2的起点的起始金属角a31”意指中弧线LC在起始对应点P3处的切线方向与轴向X0之间形成的小于90度的夹角，其中，起始对应点P3是双侧叶尖小翼2的起点的连线L3与中弧线LC的交点，“双侧叶尖小翼2的起点的连线L3”也即吸力侧叶尖小翼3的起点P31和压力侧叶尖小翼4的起点P41的连线L3。“对应双侧叶尖小翼的终点的终止金属角a4”意指中弧线LC在终止对应点P4处的切线方向与轴向X0之间形成的小于90度的夹角，其中，终止对应点P4是双侧叶尖小翼2的终点的连线L4与中弧线LC的交点，“双侧叶尖小翼2的终点的连线L4”也即吸力侧叶尖小翼3的终点P32和压力侧叶尖小翼4的终点P42的连线L4。

第二差值a34大于第一差值a12的50%。也即，a34≥50%*a12。进一步优选地，第二差值a34大于第一差值a12的70%。也即，a34≥70%* a12。

上述压气机转子叶片10中，叶片主体1提供基元叶型。对于特定的基元叶型而言，不同弦向位置的气流角、表面静压、边界层形状因子等气动参数是不同的。因此在叶顶区域（或者叶尖区域），对应不同弦向位置的叶尖泄漏对性能的影响是不同的。

根据仿真计算，D1≥10%*DX，D2≥10%*DX，使得双侧叶尖小翼2可以位于压气机转子叶片10的叶顶表面5的中部位置，配合a34≥50%*a12，实现叶片主体1提供的基元叶型在双侧叶尖小翼2的对应位置弯曲得更多，可以使得叶尖小翼结构加装在对叶片气动性能影响最大的部分，保证压气机转子叶片10在双侧叶尖小翼2覆盖的部分承担较多的做功量，以提高使用双侧叶尖小翼2的收益。

图10示意性地示出了根据仿真计算得到的均在中部加装有双侧叶尖小翼的两种叶片的压力分布的对比结果，具体地，示出了两种叶片在叶顶表面附近的气流压力沿叶型轮廓的分布，横坐标表示弦向位置，纵坐标表示压力。其中，点划线对应根据本发明设计的压气机转子叶片10的压力分布，其中，D1≥10%*DX、D2≥10%*DX且a34≥50%*a12；实线对应D1≥10%*DX、D2≥10%*DX而a34＜50%*a12的参考压气机转子叶片的压力分布。同种线型位于上侧的线为对应压力面的压力分布，而位于下侧的线为对应吸力面的压力分布。根据叶片的基本做功原理，压力面和吸力面之间的压差越大，说明此处做功越多。因此，从图10可知，根据本发明设计的压气机转子叶片10可以将更多的做功量放到双侧叶尖小翼覆盖的、泄漏少、效率高的叶片中部，从而提升叶片的效率。

图11则示意性地示出了根据仿真计算得到的上述两种叶片的效率分布的对比结果，其中，横坐标是效率，纵坐标是叶高。同样地，点划线对应根据本发明设计的压气机转子叶片10，实线对应参考压气机转子叶片。从图11可知，相比于中部加装有双侧叶尖小翼但金属角在中部变化较小的参考压气机转子叶片，在85%叶高以上，根据本发明设计的压气机转子叶片10通过金属角在中部变化较大来配合中部加装的双侧叶尖小翼可以得到更高的效率。

参见图3，压气机转子叶片10的整个叶顶表面5具有第一重心O1，也即，压气机转子叶片10的带双侧叶尖小翼2的叶顶表面5的重心称之为第一重心O1。叶片本体1的叶顶表面部分51具有第二重心O2，也即，压气机转子叶片10的不带双侧叶尖小翼2而仅考虑叶片本体1的叶顶表面部分51的重心称之为第二重心O2。第一重心O1与第二重心O2的连线L1垂直于叶片本体1的弦向。“叶片本体1的弦向”意指叶片本体1的弦线LX的延伸方向。这样使得加装的双侧叶尖小翼2仅会带来离心力负荷，而不会给压气机转子叶片10增加离心力矩负荷，离心力矩也即离心力相对于叶根重心的力矩。进一步优选地，第一重心O1可以与第二重心O2重合。

优选地，在同一弦向位置，加装在吸力面13的吸力侧叶尖小翼3的宽度w3是加装在压力面14的压力侧叶尖小翼4的宽度w4的0.5~1倍。也即，0.5*w4≤w3≤1*w4。如图4所示，以吸力侧叶尖小翼3为例，从吸力侧叶尖小翼3的外轮廓S3中的任一点P30向叶片本体1的中弧线LC作垂线，垂足记作PT，该垂线与叶片本体1的吸力面部分131的交点记作P301，则点P30和点P301之间的直线距离称为对应点P30的“吸力侧叶尖小翼3的宽度w3”。类似地，压力侧叶尖小翼4中，从压力侧叶尖小翼4的外轮廓中的任一点向叶片本体1的中弧线LC作垂线，该垂线与叶片本体1的压力面部分141具有交点，则压力侧叶尖小翼4的外轮廓上的点和该交点之间的直线距离称为对应该外轮廓上的点的“压力侧叶尖小翼4的宽度w4”。另外，以吸力侧叶尖小翼3为例，吸力侧叶尖小翼3的外轮廓S3中的任一点P30与叶片本体1的前缘点11的直线距离除以叶片本体1的弦长DX的结果称为该点P30的弦向位置C。因此，C=0对应前缘点11，C=1对应尾缘点12。

单侧叶尖小翼的起点的弦向位置是C0，该单侧叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，该单侧叶尖小翼的终点的弦向位置是C1，则：0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2。

继续参见图2至图4，单侧叶尖小翼的宽度从起点到终点先增加后降低。换言之，单侧叶尖小翼呈现向外侧膨胀的形状。对于吸力侧叶尖小翼3和压力侧叶尖小翼4均适用。以吸力侧叶尖小翼3为例，吸力侧叶尖小翼3的宽度从起点P31到终点P32先增加后降低。

单侧叶尖小翼的最大宽度是叶片本体1的当地厚度的0.25~1.5倍。对于吸力侧叶尖小翼3和压力侧叶尖小翼4均适用。“叶片本体1的当地厚度”意指叶片本体1在相应点处的厚度，该相应点与单侧叶尖小翼的最大宽度所在的位点处在同一弦向位置。从叶片本体1的轮廓线上的任意一点向弦线LX引垂线，该垂线延伸到与叶片本体1的吸力面13和压力面14均相交，分别形成两个交点，这两个交点之间的距离即叶片本体1在该点处的厚度。

双侧叶尖小翼2的叶顶表面部分与叶片本体1的叶顶表面部分51平齐，共同构成压气机转子叶片10的整个叶顶表面5。双侧叶尖小翼2可以与叶片本体1采用同一种材料，例如，都采用高温合金材料，诸如GH4169、GH4169D、GH4720Li等。

优选地，叶片本体1的叶型厚度大于1.2mm。“叶片本体1的叶型厚度”意指叶片本体1的轮廓线上任意一点均对应一个厚度，而这所有厚度中的最大厚度称为“叶片本体1的叶型厚度”。发明人分析认为，由于双侧小翼结构本身会带来额外的阻力，而当叶片本体1较薄时，这种额外的阻力在叶片总流动阻力中所占的比例就会比较大。因此，本发明设计的压气机转子叶片10适用于叶片本体1相对较厚的情况，特别适用于以这种叶型厚度大于1.2mm的叶片本体1作为基元叶型再加装双侧小翼结构为原型来进行叶片设计的情况。

压气机转子叶片10的叶高H0小于25mm，也即，H0≤25mm。进一步优选地，H0≤25mm。更进一步优选地，H0≤16mm。压气机转子叶片10的叶高H0意指叶片本体1的叶顶表面部分51的重心位置与叶片缘板（未图示）之间沿着轴流压气机的径向的距离。

图5是图1中沿着线B-B截取的部分截面图。参见图5，单侧叶尖小翼可以与叶片本体1之间以倒圆TR平滑过渡，且单侧叶尖小翼从叶片本体1向外逐渐减薄。换言之，双侧叶尖小翼2从中间向两侧边缘逐渐减薄。将双侧叶尖小翼2设计为从中间向边缘逐渐减薄的形式，不仅可以降低叶尖小翼结构的重量，还可以减轻叶尖小翼结构带来的额外气动阻力，提高压气机转子叶片10的性能。

图6和图7分别是图1中M1和M2指示的方框内的部分的放大图，其中，图6示出了作为单侧叶尖小翼示例的吸力侧叶尖小翼3的起点P31附近的示意图，而图7示出了作为单侧叶尖小翼示例的吸力侧叶尖小翼3的终点P32附近的示意图。结合图1至图7，单侧叶尖小翼在起点和终点处的厚度均比起点和终点之间的中间位置偏薄，且厚度分别从起点、终点朝向中间位置平滑地增加。

上述压气机转子叶片通过针对性地设置叶尖小翼结构的位置和形状，从而能够以可接受的强度负担换取最大的气动收益，使同样面积的叶尖小翼结构对气动性能的改善作用发挥到最大。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压气机转子叶片，包括具有前缘点、尾缘点、吸力面和压力面的叶片本体，还包括分别加装在所述叶片本体的吸力面和压力面的双侧叶尖小翼，其特征在于，

在叶顶表面上，单侧叶尖小翼的起点与所述前缘点之间的前端距离大于所述叶片本体的弦长的10%，单侧叶尖小翼的终点与所述尾缘点之间的尾端距离大于所述叶片本体的弦长的10%；并且

所述前缘点处的前缘金属角与所述尾缘点处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应双侧叶尖小翼的起点的起始金属角与对应双侧叶尖小翼的终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第二差值大于所述第一差值的50%。

2.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

所述压气机转子叶片的整个叶顶表面具有第一重心，所述叶片本体的叶顶表面部分具有第二重心，所述第一重心与所述第二重心的连线垂直于所述叶片本体的弦向。

3.如权利要求2所述的压气机转子叶片，其特征在于，

所述第一重心与所述第二重心重合。

4.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

在同一弦向位置，加装在所述吸力面的吸力侧叶尖小翼的宽度是所述加装在所述压力面的压力侧叶尖小翼的宽度的0.5~1倍。

5.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

单侧叶尖小翼的起点的弦向位置是C0，该单侧叶尖小翼的宽度最大的位点的弦向位置是Cm，该单侧叶尖小翼的终点的弦向位置是C1，则：

0.8*(C0+C1)/2≤Cm≤1.2*(C0+C1)/2。

6.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

单侧叶尖小翼的宽度从起点到终点先增加后降低。

7.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

所述前端距离大于所述弦长的20%，所述尾端距离大于所述弦长的20%；和/或

所述第二差值大于所述第一差值的70%。

8.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

单侧叶尖小翼的最大宽度是所述叶片本体的当地厚度的0.25~1.5倍。

9.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，

所述叶片本体的叶型厚度大于1.2mm。

10.一种轴流压气机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的压气机转子叶片。

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