CN112283162B - 压气机转子叶片及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个目的在于提供一种压气机转子叶片，能够减少小翼结构带来的额外离心力。本发明的另一目的在于提供一种压气机转子叶片的设计方法。为实现前述一个目的的压气机转子叶片包括叶片本体以及设置于叶片本体上的叶尖小翼，叶尖小翼分别设置在叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装叶尖小翼的叶片本体具有第一重心，在叶顶的表面处的叶型截面中，叶尖小翼的起点与叶片本体前缘之间的距离小于5％的叶片本体的弦长，叶尖小翼的终点位于第一重心与叶片本体尾缘之间。其中，第一重心连线成为叶片本体的积叠轴，在转子叶片的子午视图中，积叠轴呈直线或曲线状，并自叶片本体叶根处至叶顶处朝向尾缘倾斜或凸起。

Description

压气机转子叶片及其设计方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种压气机转子叶片及其设计方法。

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。压气机转子叶片和机匣之间存在径向间隙，间隙中存在如图1所示的、由压力面91到吸力面92的泄漏流动93。这不仅会导致叶尖部分截面的效率降低，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。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。目前，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。

叶尖小翼技术能有效抑制叶尖泄漏，改善叶片气动性能，在涡轮领域已有大量应用，如图2示意性示出了现有带小翼结构94的压气机叶片9的示意图。但压气机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。因此，叶尖小翼目前在航空及地面燃气轮机所用的高转速、高温工作的轴流压气机中的实际应用极少。同时，对于叶片上加装叶尖小翼结构，不仅会带来额外的离心力，同时可能导致额外的扭转力矩。因而亟需提供一种构型适用于轴流压气机中具有叶尖小翼的叶片。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种压气机转子叶片，能够减少小翼结构带来的额外离心力。

本发明的另一目的在于提供一种压气机转子叶片的设计方法，其用于设计如前所述的转子叶片。

为实现前述一个目的的压气机转子叶片，包括叶片本体以及设置于所述叶片本体上的叶尖小翼，

所述叶尖小翼分别设置在所述叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装所述叶尖小翼的所述叶片本体具有第一重心，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长，所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；

其中，所述第一重心连线成为所述叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至所述叶顶处朝向所述尾缘倾斜或凸起；

其中，对于每一叶尖小翼，所述起点的弦向位置是C0，所述终点的弦向位置是C1，该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，则有：

0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2；

其中，所述叶尖小翼的宽度为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，该垂线与叶片本体的轮廓之间的交点与该点的距离为对应该点处的叶尖小翼的宽度；所述弦向位置为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，并在弧线上所得到的垂足，该垂足处到前缘处的距离除以弦长即为叶尖小翼上的该点的弦向位置。

在一个或多个实施方式中，在所述子午视图中，所述积叠轴呈曲线状，并具有位于所述叶片本体叶顶处的积叠轴起点以及位于所述叶片本体叶根处的积叠轴终点，自所述积叠轴终点沿垂直水平方向延伸有基准轴；

其中，所述积叠轴中具有相比所述基准轴更加靠近所述尾缘的第一部分，以及相比所述基准轴更加靠近所述前缘的第二部分，所述第一部分与所述基准轴围出的面积总和大于所述第二部分与所述基准轴围出的面积总和。

在一个或多个实施方式中，对应所述叶片本体的前缘处的前缘金属角与对应所述叶片本体的尾缘处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应两侧叶尖小翼联合起点的起始金属角与对应两侧叶尖小翼联合终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第一差值比所述第二差值的40%大；

其中，对应某一点的所述金属角为叶型截面中弧线上对应该点的切线方向与轴向之间形成的小于90度的夹角，所述轴向为压气机转子叶片安装后所在轴流式压气机的轴线方向，所述联合起点为叶片吸力面以及压力面处叶尖小翼的起点之间连线与叶身本体中弧线之间的交点，所述联合终点为叶片吸力面以及压力面处叶尖小翼的终点之间连线与叶身本体中弧线之间的交点。

在一个或多个实施方式中，所述第一差值比所述第二差值的60%大。

在一个或多个实施方式中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于2％的所述叶片本体的弦长。

在一个或多个实施方式中，所述叶尖小翼的宽度具有自所述起点至所述终点呈先增大后减小平滑变化趋势。

在一个或多个实施方式中，在同一弦向位置，设置在所述叶片本体的吸力面的所述叶尖小翼的宽度是设置在所述叶片本体的压力面的所述叶尖小翼的宽度的0至1倍。

在一个或多个实施方式中，对于每一所述叶尖小翼，所述叶尖小翼的最大宽度为对应该最大宽度处同一弦向位置的所述叶片本体厚度的0.25至1.5倍。

在一个或多个实施方式中，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，具有第一弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第一叶型轮廓内接圆，所述第一叶型轮廓内接圆具有第一圆心，所述第一圆心至所述前缘之间的距离除以所述第一弦长得到第一比值；

在所述叶片本体叶根处的叶型截面中，具有第二弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第二叶型轮廓内接圆，所述第二叶型轮廓内接圆具有第二圆心，所述第二圆心至所述前缘之间的距离除以所述第二弦长得到第二比值；

其中，所述第一比值大于0.6，所述第二比值小于0.4。

为实现前述另一目的的压气机转子叶片的设计方法，包括：

提供初始叶片模型，在每一叶型截面中，所述初始叶片模型具有第一重心，所述第一重心连线成为叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，设计所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至叶顶处朝向尾缘倾斜；

在所述初始叶片模型的吸力面和压力面分别设计叶尖小翼的位置，包括：

设计所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长；

设计所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；

其中，对于每一叶尖小翼，所述起点的弦向位置是C0，所述终点的弦向位置是C1，该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，则有：

0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2；

其中，所述叶尖小翼的宽度为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，该垂线与叶片本体的轮廓之间的交点与该点的距离为对应该点处的叶尖小翼的宽度；所述弦向位置为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，并在弧线上所得到的垂足，该垂足处到前缘处的距离除以弦长即为叶尖小翼上的该点的弦向位置。

在一个或多个实施方式中，设计所述初始叶片模型的叶高大于30mm。

本发明的进步效果包括以下之一或组合：

1）本发明通过将叶尖小翼设置于转子叶片顶面的部分区域，而非覆盖整个转子叶片，并对叶尖小翼在叶片顶面的具体布置位置进行限定，以使本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，使得叶尖小翼容易在压气机叶片中安全应用，从而能够缓解轴流压气机后面级叶片最关注的叶尖失速问题；

2）通过对叶片本体的积叠轴结构进行变化设计，使得叶片本体与叶尖小翼的离心力相对于叶根处第一重心的力矩相互抵消，降低了因额外的离心力以及因额外的离心力所导致的额外的扭转力矩所导致的叶片安全问题。

3）通过将积叠轴形状设计为整体后掠而叶尖局部前掠，保证了叶尖区域的气动性能。

4）通过定制叶片顶面中弧线的弯曲规律，使得小翼覆盖区域承担了较多的做功量，而无小翼覆盖区域的做功量较小，从而使得同样面积下的叶尖小翼对气动性能的改善作用能够被发挥到最大；且无小翼覆盖的部分泄漏不至于过强。

附图说明

本发明的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得更加明显，其中：

图1示出了现有压气机转子叶片的示意图；

图2示出了现有带小翼结构的压气机叶片的示意图；

图3示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的示意图；

图4为图3沿俯视角度视得的示意图；

图5示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的子午视图；

图6示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的轴向视图；

图7示出了标识出金属角的本压气机转子叶片一个实施方式下的叶顶处示意图；

图8示出了标识出叶型轮廓内接圆的叶顶处叶型截面的示意图；

图9示出了标识出叶型轮廓内接圆的叶根处叶型截面的示意图；

图10示出了图3中以A-A方向剖切所视得的局部剖视示意图；

图11示出了图3中的C部局部放大示意图；

图12示出了图3中的D部局部放大示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。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，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。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和第二元件间接地相连或彼此结合。

需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

后文中一个或多个术语解释如下：

轴流压气机（Axial Compressor）：气流流动方向与工作轮旋转轴心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-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；相邻静子、转子叶片的组合被称为一级。

气动性能(Aerodynamic Performance)：压气机(或压气机级、压气机转子叶片，下同)的气动性能主要由四项指标组成，分别为进口换算流量（进口条件换算到标准大气条件下的空气流量，单位为kg/s）、压比（出口总压与进口总压之比，无量纲）、效率（压气机将机械功转化为气体压力能的程度比例，通过进口总温总压、出口总温总压思想参数进行计算，无量纲）、喘振裕度（衡量压气机能够稳定工作的范围大小，由压气机在设计点的换算流量、压比及近喘点的流量、压比计算得到，无量纲）。

叶尖泄漏(blade tip leakage)：因压气机转子叶尖与机匣之间存在间隙，导致压气机运行时气体沿着该间隙从压力面流向吸力面的现象。和无叶尖泄漏的理想情况相比，存在叶尖泄漏会导致转子叶片效率、裕度降低。

叶尖小翼(blade tip alula)：位于叶片或机翼尖部的一块薄壁板状结构，其表面与叶片或机翼的展向大致垂直。它能抑制叶片的叶尖泄漏现象。多用于涡轮叶片，和转速很低的轴流式通风机叶片。

可以理解的是，后文所采用的附图标记与背景技术中采用的附图标记为相互独立的附图标记系统。

为解决现有技术中存在的一个或多个问题，本发明的一个方面提供了一种压气机转子叶片，如图3示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的示意图，图4为图3沿俯视角度视得的示意图。

压气机转子叶片包括叶片本体1以及设置在叶片本体1上的叶尖小翼2。如图中所示，叶尖小翼2分别设置于叶片本体1的吸力面11以及压力面12的叶顶10处，可以理解的是，由于图4为图3沿俯视角度视得的示意图，其所视得的部位即为叶片本体1的叶顶10处的表面。

压气机转子叶片具有多个横截面，每一横截面为压气机转子叶片的叶型截面。在每一叶型截面中，对于未加装叶尖小翼2的叶片本体1具有第一重心，亦即，对于如图3所示的压气机转子叶片，除去叶尖小翼2后，叶片本体1在每一叶型截面中具有第一重心，该第一重心表示除去叶尖小翼2后，叶片本体1在每一叶型截面中的横截面所具有的重心，如在图4所示的叶片本体1的叶顶10处的叶型截面中，叶片本体1具有第一重心13。此外，如图4所示的叶型截面中，叶片本体1还具有弦长H，该弦长H表示在该叶型截面中，叶片本体1的前缘1a至尾缘1b之间的直线距离。

其中，叶尖小翼2在叶片本体1中的位置满足以下关系：

1）叶尖小翼2的起点20与叶片本体1的前缘1a之间的距离小于5％的叶片本体1的弦长H；

2）叶尖小翼2的终点21位于第一重心13与叶片本体1的尾缘1b之间。

其中，位于吸力面11处叶尖小翼2的起点20是指叶尖小翼2的轮廓与吸力面11的两个交点中靠近前缘的一方，终点21则为叶尖小翼2的轮廓与吸力面11的两个交点中靠近尾缘的一方。对应地，位于压力面12处叶尖小翼2的起点20是指叶尖小翼2的轮廓与压力面12的两个交点中靠近前缘的一方，终点21则为叶尖小翼2的轮廓与压力面12的两个交点中靠近尾缘的一方。

通过上述设置，使得叶尖小翼2被设置于压气机转子叶片的前缘处。由于轴流压气机转子叶片的叶身薄、刚度低，难以采用传统涡轮叶片中将叶尖小翼2全包于叶片叶顶处的设计，需要基于对强度以及气动两方面的综合考虑来合理设计叶尖小翼以及叶片本体的结构形式。经验证，通过将叶尖小翼2设置于压气机转子叶片的前缘处，并在布置上满足前述1-2点的关系，能够以较低的强度负荷换取较高的气动收益，使得叶尖小翼2容易在压气机叶片中安全应用，从而能够缓解轴流压气机后面级叶片最关注的叶尖失速问题。

如图5示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的子午视图，其中，如前文中所述，对于除去叶尖小翼2后的叶片本体1，其在每一叶型截面中具有第一重心，该多个第一重心连线后成为如图5中所示的叶片本体的积叠轴14，该积叠轴14能够表示除去叶尖小翼2后的叶片本体1每一截面重心的变化趋势。其中，该积叠轴14可以是如图5中所示出的、呈曲线状，并自叶片本体叶根15处至叶顶10处整体朝向尾缘1b呈凸起状。在其他一些与图示不同的实施方式中，该积叠轴14也可以是与图5中所示不同、自叶片本体叶根15处至叶顶10处朝向尾缘1b倾斜。可以理解的是，如图5所示的积叠轴14是大致呈劣弧状，在其他一些合适的实施方式中，积叠轴14是自由曲线，可以呈S形或蛇形等曲线形状，但积叠轴14的整体均满足自叶片本体叶根15处至叶顶10处朝向尾缘1b呈凸起状。

可以理解的是，因叶尖小翼2是设置于叶片本体1的前缘部分，若不针对性对叶片本体1的构型进行调整，直接增加叶尖小翼2将会导致设置叶尖小翼2后的叶片整体在实际工况下增加了额外的离心力以及可能带来的额外的扭转力矩。如图5中所示，在一个工况中，叶尖小翼2的离心力矩相对于叶根处第一重心13的具有方向a，通过将叶片本体2的积叠轴14设计为自叶片本体叶根15处至叶顶10处整体朝向尾缘1b呈凸起状的曲线或是朝向尾缘1b倾斜的直线，使得叶片本体1的离心力矩相对于叶根处第一重心13的具有与方向a相反的方向b，从而使得叶片本体1与叶尖小翼2的离心力相对于叶根处第一重心13的力矩相互抵消，降低了额外的离心力以及因额外的离心力可能带来的额外的扭转力矩所导致的叶片安全问题。

请继续参见图5，在压气机转子叶片的一个实施方式中，积叠轴14呈曲线状，并具有位于叶片本体1叶顶10处的积叠轴起点14a以及位于叶片本体1叶根15处的积叠轴终点14b，可以理解的是，这里的积叠轴终点14b即为叶片本体1叶根15处的第一重心13。其中，积叠轴终点14b沿垂直水平的方向延伸有基准轴3。在积叠轴14中具有相比该基准轴3更加靠近尾缘1b的第一部分141，以及相比基准轴3更加靠近前缘1a的第二部分142，第一部分141与基准轴3之间围出的面积总和3a大于第二部分142与基准轴3之间围出的面积总和3b。如此设置，能够进一步保证叶片本体1与叶尖小翼2的离心力相对于叶根处第一重心13的力矩相互抵消。可以理解的是，在如图5所示的实施例中，第一部分141以及第二部分142均为连续曲线段，在其他一些与图示不同的实施方式中，第一部分141和/或第二部分142可以包括多段不连续的曲线段，从而与基准轴3之间围出一个或多个区域，但第一部分141与基准轴3之间围出的面积总和3a与第二部分142与基准轴3之间围出的面积总和3b之间依旧满足3a>3b的关系。在一个实施方式中，如图5所示，积叠轴14在靠近叶顶10处的局部朝向前缘1a前伸凸起，从而使得叶片本体局部前掠，以提升气动性能。

如图6示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的轴向视图，在叶片的轴向视图中，积叠轴14与基准轴3之间的相对位置关系仍满足在子午视图中所视得的位置关系，在此不再赘述。

在压气机转子叶片的一个实施方式中，优选地，叶尖小翼2在叶片本体1中的位置满足以下关系：叶尖小翼2的起点20与叶片本体1的前缘1a之间的距离小于2％的叶片本体1的弦长H，以获得相对更高的气动收益。

如图7示出了标识出金属角的本压气机转子叶片一个实施方式下的叶顶处示意图，在压气机转子叶片的一个实施方式中，在图7所示的叶顶10处叶型截面中，对应叶片本体1前缘1a处的前缘金属角W1与对应叶片本体1尾缘1b处的尾缘金属角W2之间具有第一差值，对应两侧叶尖小翼2联合起点22的起始金属角W3，以及对应两侧叶尖小翼2联合终点23的终止金属角W4之间具有第二差值。其中，联合起点22是指吸力面11以及压力面12处叶尖小翼2的起点20之间连线与叶身本体1中弧线16之间的交点；联合终点23是指吸力面11以及压力面12处叶尖小翼2的终点21之间连线与叶身本体1中弧线16之间的交点。其中，第一差值与第二差值之间满足：第一差值>40％第二差值。如此设置保证了小翼的构型能够覆盖并承担较多的做功量，从而能够进一步提高设置叶尖小翼2的收益，使得同样面积下的叶尖小翼2对气动性能的改善作用能够被发挥到最大。

其中，如图所示，中弧线16上任意一点的切线方向与轴向c之间形成的小于90度的夹角即为该点处的金属角，该轴向c是指压气机转子叶片安装后所在轴流式压气机的轴线方向。

在压气机转子叶片的一个实施方式中，优选地，第一差值与第二差值之间满足：第一差值>60％第二差值，以进一步提升叶尖小翼2对气动性能的改善作用。

请继续参见图4，为进一步解释后文所述的一个或多个术语，以下以一个示例性的方式来说明文中所指的宽度以及弦向位置概念。如图中所示，在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点X朝向对应该叶型截面的中弧线16作垂线4，其在弧线16上具有垂足X1，该垂线4与叶片本体1的轮廓之间具有交点X2，其中，自点X2至点X的距离即为对应该点处的叶尖小翼2的宽度d，垂足X1处到前缘1a处的距离除以弦长即为叶尖小翼2上的该点X的弦向位置。

其中，在压气机转子叶片的一个实施方式中，对于吸力面11或压力面12任一侧的叶尖小翼2，其宽度d具有第起点20至终点21呈先增大后减小平滑变化趋势，将叶尖小翼2设计为自中间向边缘逐渐减薄的形式，不仅降低了因设置叶尖小翼2而带来的重量增加，同时减轻了叶尖小翼2所带来的额外气动阻力，进一步提高了压气机转子叶片的性能。

在压气机转子叶片的一个实施方式中，在同一弦向位置，设置在叶片本体1吸力面11的叶尖小翼2宽度d是设置在叶片本体的压力面12的叶尖小翼2的宽度d的0到1倍。即可以理解的是，设置在1吸力面11的叶尖小翼2要比设置在压力面12的叶尖小翼2具有更宽的宽度，或是在一个实施方式中，也可以仅在吸力面11处设置叶尖小翼2而不在压力面12处额外设置叶尖小翼2。从而在保证了气动性能的前提下，能够进一步减轻叶尖小翼2所带来的重量增加。

压气机转子叶片的一个实施方式中，对于位于吸力面11和/或压力面12处的叶尖小翼的最大宽度为对应该最大宽度处同一弦向位置的叶片本体厚度的0.25至1.5倍。经验证，如此设置能够进一步提升叶尖小翼2对气动性能的改善作用。

压气机转子叶片的一个实施方式中，对于位于吸力面11和/或压力面12处的叶尖小翼2，起点20处的弦向位置记为C0，终点21处的弦向位置记为C1，对应该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置记为Cm，其中C0、C1、Cm之间满足关系：0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2。经验证，如此设置能够进一步提升叶尖小翼2对气动性能的改善作用。

如图8示出了标识出叶型轮廓内接圆的叶顶处叶型截面的示意图，图9示出了标识出叶型轮廓内接圆的叶根处叶型截面的示意图。压气机转子叶片的一个实施方式中，在如图8所示的叶顶的表面处的叶型截面中，具有第一弦长H1，在该叶型截面的最大厚度处具有第一叶型轮廓内接圆5a，该第一叶型轮廓内接圆5a具有第一圆心50a，其中，第一圆心50a至前缘1a处的距离除以第一弦长H1能够得到第一比值。

在如图9所示的叶根处的叶型截面中，具有第二弦长H2，在该叶型截面的最大厚度处具有第二叶型轮廓内接圆5b，该第二叶型轮廓内接圆5b具有第二圆心50b，其中，第二圆心50b至前缘1a处的距离除以第二弦长H2能够得到第二比值。其中，第一比值大于0.6，第二比值小于0.4。如此设置以使在积叠轴14形状相同的前提下，能够让叶尖部前缘更加前掠、前弯，使得叶尖无小翼遮盖部分的泄漏不至于过强，从而进一步提高气动性能。

如图10示出了图3中以A-A方向剖切所视得的局部剖视示意图，其中，叶尖小翼2与叶片本体1之间通过倒圆结构18平滑过渡，以提高连接后的叶尖小翼2与叶片本体1的气动性能。

在前述一个或多个压气机转子叶片的实施方式中，叶尖小翼2与叶片本体1之间采用同一种材料制成。如在一些实施方式中，叶尖小翼2与叶片本体1之间采用GH4169或GH4169D或GH4720Li或其他合适的高温合金材料制备而成。

在前述一个或多个压气机转子叶片的实施方式中，压气机转子叶片的叶高大于30mm。因加装叶尖小翼2会导致原有叶片本体1的积叠轴形状发生变化，采用具有较高叶高的压气机转子叶片能够使得在积叠轴倾斜角度不大的情况下即可确保离心力矩的平衡。其中，叶高是指叶片本体1在叶顶10处的第一重心与缘板之间的距离。

如图11示出了图3中的C部局部放大示意图，图12示出了图3中的D部局部放大示意图，如图11至图12所示，叶尖小翼2的厚度自前缘1a至尾缘1b处呈先增大后减小的变化趋势，从而进一步提高气动性能。

本发明的另一方面还提供了一种压气机转子叶片的设计方法，其包括如下步骤：

首先，提供初始叶片模型。该初始叶片模型满足：在每一叶型截面中，初始叶片模型具有第一重心，多个第一重心连线成为该叶片本体的积叠轴，在转子叶片的子午视图中，设计该积叠轴呈曲线状，并整体朝向所述尾缘呈凸起状。

随后，在该初始叶片模型的吸力面和压力面分别设计所欲增设的叶尖小翼的位置，其中包括：

设计该叶尖小翼的起点与叶片本体前缘之间的距离小于5％的该叶片本体的弦长；以及

设计该叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间。

由于本发明一个方面所提供的压气机转子叶片不适用于在现有的叶片构型上增加小翼结构，因而通过前述设计方法，能够在设计阶段完成满足要求且具有小翼结构的叶片构型，从而以成型如前所述一个或多个实施方式中的压气机转子叶片。

在压气机转子叶片的设计方法的一个实施方式中，还包括：设计该初始叶片模型的叶高大于30mm。

本发明的进步效果包括以下之一或组合：

1）本发明通过将叶尖小翼设置于转子叶片顶面的部分区域，而非覆盖整个转子叶片，并对叶尖小翼在叶片顶面的具体布置位置进行限定，以使本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，使得叶尖小翼容易在压气机叶片中安全应用，从而能够缓解轴流压气机后面级叶片最关注的叶尖失速问题；

2）通过对叶片本体的积叠轴结构进行变化设计，使得叶片本体与叶尖小翼的离心力相对于叶根处第一重心的力矩相互抵消，降低了因额外的离心力以及因额外的离心力所导致的额外的扭转力矩所导致的叶片安全问题。

3）通过将积叠轴形状设计为整体后掠而叶尖局部前掠，保证了叶尖区域的气动性能。

4）通过定制叶片顶面中弧线的弯曲规律，使得小翼覆盖区域承担了较多的做功量，而无小翼覆盖区域的做功量较小，从而使得同样面积下的叶尖小翼对气动性能的改善作用能够被发挥到最大；且无小翼覆盖的部分泄漏不至于过强。

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。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 (11)

1.一种压气机转子叶片，包括叶片本体以及设置于所述叶片本体上的叶尖小翼，其特征在于：

所述叶尖小翼分别设置在所述叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装所述叶尖小翼的所述叶片本体具有第一重心，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长，所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；

其中，所述第一重心连线成为所述叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至所述叶顶处朝向所述尾缘倾斜或凸起；

其中，对于每一叶尖小翼，所述起点的弦向位置是C0，所述终点的弦向位置是C1，该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，则有：

0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2；

其中，所述叶尖小翼的宽度为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，该垂线与叶片本体的轮廓之间的交点与该点的距离为对应该点处的叶尖小翼的宽度；所述弦向位置为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，并在弧线上所得到的垂足，该垂足处到前缘处的距离除以弦长即为叶尖小翼上的该点的弦向位置。

2.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，在所述子午视图中，所述积叠轴呈曲线状，并具有位于所述叶片本体叶顶处的积叠轴起点以及位于所述叶片本体叶根处的积叠轴终点，自所述积叠轴终点沿垂直水平方向延伸有基准轴；

其中，所述积叠轴中具有相比所述基准轴更加靠近所述尾缘的第一部分，以及相比所述基准轴更加靠近所述前缘的第二部分，所述第一部分与所述基准轴围出的面积总和大于所述第二部分与所述基准轴围出的面积总和。

3.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，对应所述叶片本体的前缘处的前缘金属角与对应所述叶片本体的尾缘处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应两侧叶尖小翼联合起点的起始金属角与对应两侧叶尖小翼联合终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第一差值比所述第二差值的40%大；

其中，对应某一点的所述金属角为叶型截面中弧线上对应该点的切线方向与轴向之间形成的小于90度的夹角，所述轴向为压气机转子叶片安装后所在轴流式压气机的轴线方向，所述联合起点为叶片吸力面以及压力面处叶尖小翼的起点之间连线与叶身本体中弧线之间的交点，所述联合终点为叶片吸力面以及压力面处叶尖小翼的终点之间连线与叶身本体中弧线之间的交点。

4.如权利要求3所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述第一差值比所述第二差值的60%大。

5.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于2％的所述叶片本体的弦长。

6.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述叶尖小翼的宽度具有自所述起点至所述终点呈先增大后减小平滑变化趋势。

7.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，设置在所述叶片本体的吸力面的所述叶尖小翼的宽度是设置在所述叶片本体的压力面的所述叶尖小翼的宽度的0至1倍。

8.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，对于每一所述叶尖小翼，所述叶尖小翼的最大宽度为对应该最大宽度处同一弦向位置的所述叶片本体厚度的0.25至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，

在所述叶顶的表面处的叶型截面中，具有第一弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第一叶型轮廓内接圆，所述第一叶型轮廓内接圆具有第一圆心，所述第一圆心至所述前缘之间的距离除以所述第一弦长得到第一比值；

在所述叶片本体叶根处的叶型截面中，具有第二弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第二叶型轮廓内接圆，所述第二叶型轮廓内接圆具有第二圆心，所述第二圆心至所述前缘之间的距离除以所述第二弦长得到第二比值；

其中，所述第一比值大于0.6，所述第二比值小于0.4。

10.一种压气机转子叶片的设计方法，其特征在于，

提供初始叶片模型，在每一叶型截面中，所述初始叶片模型具有第一重心，所述第一重心连线成为叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，设计所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至叶顶处朝向尾缘倾斜；

在所述初始叶片模型的吸力面和压力面分别设计叶尖小翼的位置，包括：

设计所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长；

设计所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；

其中，对于每一叶尖小翼，所述起点的弦向位置是C0，所述终点的弦向位置是C1，该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，则有：

0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2；

其中，所述叶尖小翼的宽度为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，该垂线与叶片本体的轮廓之间的交点与该点的距离为对应该点处的叶尖小翼的宽度；所述弦向位置为在叶型截面中，从叶尖小翼边缘的任意一点朝向对应该叶型截面的中弧线作垂线，并在弧线上所得到的垂足，该垂足处到前缘处的距离除以弦长即为叶尖小翼上的该点的弦向位置。

11.如权利要求10所述的压气机转子叶片的设计方法，其特征在于，

设计所述初始叶片模型的叶高大于30mm。

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