CN113217418B - 多级轴流压气机气动外形结构 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种多级轴流压气机气动外形结构，包括：多个转子，用于将机械能转化为空气动能，通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能；多个静子，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，同时将气流的方向调整为与所述压气机的轴线方向一致；所述多个转子的各转子与多个静子的各静子各个依次穿插设置；进口可调部，设置于所述多个转子与所述多个静子的进气侧，用于减少第一级转子的叶尖的气动负荷，增加第一级转子的叶根的气动负荷；以及出口整流部，设置于所述多个转子与所述多个静子的出气侧，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，并能够将气流方向调整为与所述压气机的轴线方向一致。

Description

多级轴流压气机气动外形结构

技术领域

本公开涉及透平机械技术领域，尤其涉及一种多级轴流压气机气动外形结构。

背景技术

压气机是燃气涡轮发动机的重要部件之一，它的作用是给燃烧室提供经过压缩的高压、高温气体。由于固有的逆压梯度、高度三维、高度非定常等特点，压气机气动外形的研制难度很大。特别是多级高压压气机气动外形，级间匹配和全工况下性能优化均很困难，尽管设计体系在不断完善，但由于设计指标同时也在不断提高，多级轴流压气机设计仍然是发动机的瓶颈技术之一，我国的多级轴流压气机研制与国外先进发动机公司相比，由于缺少工程实用的设计规范和大量试验数据的支持，更多地依赖个人经验和判断，设计的不确定度更大，尚无公开发布的超过十级的轴流压气机气动外形成果。因此，我国透平机械急需一种高效率多级轴流压气机气动外形。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述问题，本公开提供了一种多级轴流压气机气动外形结构，以缓解现有技术中叶尖泄露等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种多级轴流压气机气动外形结构，包括：

多个转子，用于将机械能转化为空气动能，通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能；

多个静子，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，同时将气流的方向调整为与所述压气机的轴线方向一致；

所述多个转子的各转子与多个静子的各静子各个依次穿插设置；

进口可调部，设置于所述多个转子与所述多个静子的进气侧，用于减少第一级转子的叶尖的气动负荷，增加第一级转子的叶根的气动负荷；以及

出口整流部，设置于所述多个转子与所述多个静子的出气侧，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，并能够将气流方向调整为与所述压气机的轴线方向一致。

在本公开实施例中，所述转子的叶背与所述转子的叶盆是根据四次多项式中弧线加减基本厚度形成；所述转子的叶型通过转子的叶尖、转子的叶中、转子的叶根三个转子截面沿叶高线性生成；

所述三个转子截面都由半径0.3mm的转子的前缘、转子的叶背、0.3mm的转子的后缘和转子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述静子的叶背与所述静子的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度形成；所述单圆弧中弧线前沿与压气机轴线夹角沿叶高逐渐增大，弯角沿叶高逐渐减小。

在本公开实施例中，所述静子的叶型通过静子的叶尖、静子的叶中、静子的叶根三个静子截面沿叶高线性生成；

所述三个静子截面都由半径0.3mm的静子的前缘、所述静子的叶背、0.3mm的所述静子的后缘和所述静子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述静子的叶背、所述静子的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度形成。

在本公开实施例中，所述进口可调部的叶型通过进口可调部的叶片的叶尖、进口可调部的叶片的叶中、进口可调部的叶片的叶根三个进口可调部的叶片截面沿叶高线性生成；

所述三个进口可调部的叶片截面都由半径0.3mm的所述进口可调部的前缘、所述进口可调部的叶背、0.3mm的所述进口可调部的后缘和所述进口可调部的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述进口可调部的叶片的叶背、所述进口可调部的叶片的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度生成。

在本公开实施例中，所述出口整流部的叶型包括：

前排出口整流叶型，通过所述前排出口整流叶型的叶尖、所述前排出口整流叶型的叶中、所述前排出口整流叶型的叶根三个前排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个前排出口整流叶型截面都由半径0.2mm的所述前排出口整流叶型的前缘、所述前排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述前排出口整流叶型的后缘和所述前排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线；以及

后排出口整流叶型，通过所述后排出口整流叶型的叶尖、所述后排出口整流叶型的叶中、所述后排出口整流叶型的叶根三个后排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个后排出口整流叶型截面都由半径0.1mm的所述后排出口整流叶型的后缘、所述后排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述后排出口整流叶型的后缘和所述后排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述多个转子包括十四级转子，所述多个静子部包括十三级静子；所述十三级静子的第一级静子至第十三级静子依次设置于所述十四级转子的第一级转子至第十四级转子依次相邻的两转子之间。

在本公开实施例中，所述的多级轴流压气机气动外形结构，还包括流道，通过机匣环面和轮毂环面组成，两环面同轴；所述流道的进口外径为868mm、所述流道的进口内径为330mm、所述流道的出口外径为762mm、所述流道的出口内径为677.8mm及所述压气机总长为1588mm。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开多级轴流压气机气动外形结构至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)采用大展弦比叶型，虽然增加压气机级数，但是具有叶尖泄露小，三维流动效应小等气动优势；

(2)因气动角度、叶型选择合理和叶型沿叶高变化平缓，带来高效率，环境适应性强的优点；以及

(3)叶型变化平缓具有振动特性好加工简单的特点，为压气机研制打下可靠性高、加工成本低的基础。可实现对入射粒子的精确二维位置分辨。

附图说明

图1为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形S1流面示意图。

图2为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形纵剖面示意图。

图3为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形的正视图。

图4为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形的前视图。

图5为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形的后视图。

图6为本公开实施例多级轴流压气机气动外形结构的压气机气动外形的斜视图。

具体实施方式

本公开提供了一种多级轴流压气机气动外形结构，所述多级轴流压气机气动外形结构可实现为燃烧室提供高压、高温空气。叶尖泄露小，三维流动效应小，效率高，振动特性好，易于加工等特点。在地面燃气轮机或航空发动机，以及各种透平机械等领域将会具有重要的应用价值，可克服现有的压气机气动外形结构的主要缺点和不足之处。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种多级轴流压气机气动外形结构，如图1至6所示，所述多级轴流压气机气动外形结构，包括：

多个转子，用于将机械能转化为空气动能，并通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能；

多个静子，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能；

所述多个转子的各转子与多个静子的各静子各个依次穿插设置；

进口可调部，设置于所述多个转子与所述多个静子的进气侧，用于减少第一级转子的叶尖的气动负荷，增加第一级转子的叶根的气动负荷；以及

出口整流部，设置于所述多个转子与所述多个静子的出气侧，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，并能够将气流方向调整为与所述压气机的轴线方向一致。

在本公开实施例中，所述转子的叶型通过转子的叶尖、转子的叶中、转子的叶根三个转子截面沿叶高线性生成；

所述三个转子截面都由半径0.3mm的转子的前缘、转子的叶背、0.3mm的转子的后缘和转子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述静子的叶背与所述静子的叶盆是根据四次多项式中弧线加减基本厚度形成；所述四次多项式中弧线前沿与压气机轴线夹角沿叶高逐渐增大，弯角沿叶高逐渐减小；

其中，四次多项式为y＝ax4+bx3+dx，其中x为轴向坐标，y为周向坐标，以中弧线第一点为原点，a、b、d为系数。

在本公开实施例中，所述静子的叶型通过静子的叶尖、静子的叶中、静子的叶根三个静子截面沿叶高线性生成；

所述三个静子截面都由半径0.3mm的静子的前缘、所述静子的叶背、0.3mm的所述静子的后缘和所述静子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述静子的叶背、所述静子的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度形成。

在本公开实施例中，所述进口可调部的叶型通过进口可调部的叶片的叶尖、进口可调部的叶片的叶中、进口可调部的叶片的叶根三个进口可调部的叶片截面沿叶高线性生成；

所述三个进口可调部的叶片截面都由半径0.3mm的所述进口可调部的前缘、所述进口可调部的叶背、0.3mm的所述进口可调部的后缘和所述进口可调部的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述进口可调部的叶片的叶背、所述进口可调部的叶片的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度生成。

在本公开实施例中，所述出口整流部的叶型包括：

前排出口整流叶型，通过所述前排出口整流叶型的叶尖、所述前排出口整流叶型的叶中、所述前排出口整流叶型的叶根三个前排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个前排出口整流叶型截面都由半径0.2mm的所述前排出口整流叶型的前缘、所述前排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述前排出口整流叶型的后缘和所述前排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线；以及

后排出口整流叶型，通过所述后排出口整流叶型的叶尖、所述后排出口整流叶型的叶中、所述后排出口整流叶型的叶根三个后排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个后排出口整流叶型截面都由半径0.1mm的所述后排出口整流叶型的后缘、所述后排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述后排出口整流叶型的后缘和所述后排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

在本公开实施例中，所述多个转子包括十四级转子，所诉多个静子部包括十三级静子；所述十三级静子的第一级静子至第十三级静子依次设置于所述十四级转子的第一级转子至第十四级转子依次相邻的两转子之间。

在本公开实施例中，所述的多级轴流压气机气动外形结构，还包括流道，通过机匣环面和轮毂环面组成，两环面同轴；所述流道的进口外径为868mm、所述流道的进口内径为330mm、所述流道的出口外径为762mm、所述流道的出口内径为677.8mm及所述压气机总长为1588mm。

具体地，在本公开实施例中，提供一种多级轴流压气机气动外形结构，如图1至6所示，由进口可调叶型、第一到十四级叶栅和出口整流叶型串列组成，其中每级叶栅由一级转子叶型和一级静子叶型串列而成。进口可调叶型为第一级转子叶型提供预旋，第一到十四级叶栅将机械能转换成空气内能，出口整流叶型将气流调整为轴向出气。

在本公开实施例中，进口可调叶型绕压气机轴线旋转整列26片；所述叶型由叶尖、叶中、叶根三个截面沿叶高线性生成；其中所述截面都由半径0.3mm的前缘、叶背、0.3mm的后缘和叶盆光滑相切连成的封闭曲线；所述叶背、叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度得到；所述单圆弧中弧线前沿与压气机轴线夹角沿叶高都为零，后沿与压气机轴线夹角沿叶高变大，以减少第一级转子叶尖气动负荷，增加第一级转子叶根气动负荷；所述压气机轴线为流道旋转中心线；所述基本厚度沿压气机轴线方向有18个值；沿叶高所述基本厚度与弦长的比值相等。

在本公开实施例中，转子叶型绕压气机轴线旋转整列；所述叶型由第一～第十四级转子叶型共14级组成；所述叶型将机械能转化为空气的动能，并通过改变气流的方向将通过的空气动能1/2转化为势能；所述叶型由叶尖、叶中、叶根三个转子截面沿叶高线性生成；其中所述转子截面都由半径0.3mm的前缘、叶背、0.3mm的后缘和叶盆光滑相切连成的封闭曲线；所述叶背、叶盆是根据四次多项式中弧线加减基本厚度生成；所述四次多项式中弧线前沿与压气机轴线夹角沿叶高变大，弯角变小，通过增大中弧线后半段切线与压气机轴线的夹角，该增加值沿弦长线性减小，抑制叶背尾缘的气流分离趋势；所述基本厚度沿压气机轴线方向有18个值；沿叶高所述基本厚度与弦长的比值相等。

在本公开实施例中，静子叶型绕压气机轴线旋转整列；所述叶型由第一至第十三级静子叶型共13级组成；所述叶型通过改变气流的方向将通过的空气动能1/2转化为势能，并将气流方向调整为与压气机轴线方向基本一致，但沿叶高小幅增大，以减少下一级转子叶尖气动负荷，增加第一级转子叶根气动负荷；其中所述截面都由半径0.3mm的前缘、叶背、0.3mm的后缘和叶盆光滑相切连成的封闭曲线；所述叶背、叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度生成；所述基本厚度沿压气机轴线方向有18个值；沿叶高所述基本厚度与弦长的比值相等。

在本公开实施例中，出口整流叶型绕压气机轴线旋转整列79片；所述叶型由前后串列2排叶片叶型组成；所述叶型通过改变气流的方向将通过的空气动能1/2转化为势能，并将气流方向调整为与压气机轴线方向基本一致；其中前排叶片叶型各截面都由半径0.2mm的前缘、叶背、0.15mm的后缘和叶盆光滑相切连成的封闭曲线；其中后排叶片叶型各截面都由半径0.1mm的前缘、叶背半径0.15mm的后缘和叶盆光滑相切连成的封闭曲线；所述叶背、叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度生成；所述基本厚度沿压气机轴线方向有18个值；沿叶高所述基本厚度与弦长的比值相等。

在本公开实施例中，如图3至5所示，近似等外径流道；所述流道由机匣环面和轮毂环面组成，两环面同轴；所述流道的进口外径为868mm、所述流道的进口内径为330mm、所述流道的出口外径为762mm、所述流道的出口内径为677.8mm及所述压气机总长为1588mm。所述流道与上述所述叶型形成1个效率0.87、流量97kg/s、总压比12.38的轴流式压气机气动外形。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开多级轴流压气机气动外形结构有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种多级轴流压气机气动外形结构，该多级轴流压气机气动外形结构采用大展弦比叶型，虽然增加压气机级数，但是具有叶尖泄露小，三维流动效应小等气动优势；因气动角度、叶型选择合理和叶型沿叶高变化平缓，带来高效率，环境适应性强的优点；以及叶型变化平缓具有振动特性好加工简单的特点，为压气机研制打下可靠性高、加工成本低的基础。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多级轴流压气机气动外形结构，包括：

多个转子，用于将机械能转化为空气动能，通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能；

多个静子，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，同时将气流的方向调整为与所述压气机的轴线方向一致；

所述多个转子的各转子与多个静子的各静子各个依次穿插设置；

进口可调部，设置于所述多个转子与所述多个静子的进气侧，用于减少第一级转子的叶尖的气动负荷，增加第一级转子的叶根的气动负荷；以及

出口整流部，设置于所述多个转子与所述多个静子的出气侧，用于通过改变气流的方向将通过的空气动能转化为势能，并能够将气流方向调整为与所述压气机的轴线方向一致；

其中，所述出口整流部的叶型包括：

前排出口整流叶型，通过所述前排出口整流叶型的叶尖、所述前排出口整流叶型的叶中、所述前排出口整流叶型的叶根三个前排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个前排出口整流叶型截面都由半径0.2mm的所述前排出口整流叶型的前缘、所述前排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述前排出口整流叶型的后缘和所述前排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线；以及

后排出口整流叶型，通过所述后排出口整流叶型的叶尖、所述后排出口整流叶型的叶中、所述后排出口整流叶型的叶根三个后排出口整流叶型截面沿叶高线性生成；所述三个后排出口整流叶型截面都由半径0.1mm的所述后排出口整流叶型的后缘、所述后排出口整流叶型的叶背、半径0.15mm的所述后排出口整流叶型的后缘和所述后排出口整流叶型的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

2.根据权利要求1所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述转子的叶背与所述转子的叶盆是根据四次多项式中弧线加减基本厚度形成；所述转子的叶型通过转子的叶尖、转子的叶中、转子的叶根三个转子截面沿叶高线性生成；

所述三个转子截面都由半径0.3mm的转子的前缘、转子的叶背、0.3mm的转子的后缘和转子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

3.根据权利要求2所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述静子的叶背与所述静子的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度形成；所述单圆弧中弧线前沿与压气机轴线夹角沿叶高逐渐增大，弯角沿叶高逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述静子的叶型通过静子的叶尖、静子的叶中、静子的叶根三个静子截面沿叶高线性生成；

所述三个静子截面都由半径0.3mm的静子的前缘、所述静子的叶背、0.3mm的所述静子的后缘和所述静子的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

5.根据权利要求4所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述静子的叶背、所述静子的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度形成。

6.根据权利要求1所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述进口可调部的叶型通过进口可调部的叶片的叶尖、进口可调部的叶片的叶中、进口可调部的叶片的叶根三个进口可调部的叶片截面沿叶高线性生成；

所述三个进口可调部的叶片截面都由半径0.3mm的所述进口可调部的前缘、所述进口可调部的叶背、0.3mm的所述进口可调部的后缘和所述进口可调部的叶盆光滑相切连成的封闭曲线。

7.根据权利要求6所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述进口可调部的叶片的叶背、所述进口可调部的叶片的叶盆是根据单圆弧中弧线加减基本厚度生成。

8.根据权利要求1所述的多级轴流压气机气动外形结构，其中，所述多个转子包括十四级转子，所述多个静子部包括十三级静子；所述十三级静子的第一级静子至第十三级静子依次设置于所述十四级转子的第一级转子至第十四级转子依次相邻的两转子之间。

9.根据权利要求1所述的多级轴流压气机气动外形结构，还包括流道，通过机匣环面和轮毂环面组成，两环面同轴；所述流道的进口外径为868mm、所述流道的进口内径为330mm、所述流道的出口外径为762mm、所述流道的出口内径为677.8mm及所述压气机总长为1588mm。

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