CN113309737B - 压气机三段式可调串列叶片 - Google Patents

Abstract

一种压气机三段式可调串列叶片，包括第一段叶片、第二段叶片和第三段叶片，并由该第一段叶片构成了压气机三段式可调串列叶片的前缘，由该第三段叶片构成了压气机三段式可调串列叶片的后缘，并且该前缘顶点至后缘顶点之间连线的长度为总弦长。本发明减少或防止了叶栅通道气流分离，提高级负荷，改善压气机的气动性能，进一步提高叶片的抗附面层分离能力。与现有技术相比较，本发明能够承受更高的负荷，满足了气流在较大气流偏转角的情况下的扩压减速的作用，克服了现有技术中操作的采用常规压气机叶片在变工况下会产生附面层分离，从而降低压气机气动性能，采用常规的两段式的串列叶片亦不能有效提高叶片的抗分离能力的不足。

Description

压气机三段式可调串列叶片

技术领域

本发明涉及压气机领域，具体是一种压气机三段式可调串列叶片设计方法。

背景技术

轴流式压气机的内部流动易产生基于较大逆压梯度所造成的叶片三维角区流动分离的现象。该现象极大的影响压气机压比、效率和裕度等压气机性能相关参数，阻碍了整个航空发动机推重比的提升。

基于对压气机三维角区流动机理认识的深入，压气机叶片三维角区流动分离控制现今发展出了依靠主动控制的等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等技术；依靠被动控制的有旋涡发生器、翼刀、端壁造型和串联叶片等技术。其中串列叶片的应用对被动控制叶片吸力面流动分离的效果较高。

串列叶片的概念最早来源于飞机的机翼。20世纪20年代初,阿尔伯特·贝茨(Albert Betz)提出采用开缝式机翼来取代传统机翼,使气流偏转由原先一个完整的机翼来承担改由机翼的几个部分来实现,从而使机翼表面的边界层流动分离推迟，很大程度上增加了机翼的升力。考虑到开缝式机翼在外流中表现出优异的性能，串列叶片被引入到压气机的设计中。

机翼设计需考虑其开阔流场的小转折角工况，所以开缝式翼型设计所开设的缝隙较大，且设计的前缘缝翼及尾缘襟翼对整体机翼长度占比更大。而在轴流式压气机的叶片设计需要考虑在发动机机匣狭小的空间对流体进行主动做功的设计需求。因此，在对压气机叶片设计时需要对调整叶片构型以及前后叶片间间距以保证其能在机匣内能正常工作并达到设计目标。并且在压气机中，多组叶片共同工作对流体进行做功。在叶片设计中同样需要基于叶片相互影响作用调整叶片叶型以及多段式叶片的间隙，以便在基于达到预期串列叶片设计目标基础上该叶型对相邻叶片工作影响降低至最小。

由于附面层会在串列叶片后叶排重新生成，因此，串列叶片能够在增大负荷时不会产生大的流动分离。并且因为串列叶片可以在较大负荷时控制流动分离，所以串联叶片通过增大气流转折角来增大压气机的级负荷并保证其正常工作。同时增大叶片气流角也减小压气机的轴向距离，增加发动机的推重比。

美国的Liu等通过比较单叶片结构和串列叶片结构得到了高转角串列叶片的设计方法，合理的设计能使串列叶片在实现高转角、高压比的同时，获得比单叶片结构更高的效率。1972年，NASA的Donald等对某跨音速串列转子进行了一系列试验，该转子在设计点的效率可以达到0.88，总压升为1.77。1972年，Weber设计了1:2形式的跨音速串列叶栅并进行了优化与分析，该设计降低叶栅的损失。Hergt等在总结现有跨音速串列叶栅的基础上，设计并优化一种新型跨音速串列叶栅，并做了实验研究。结果表明利用现代设计方法有可能实现高负荷、高效率的跨音速串列叶栅的设计，同时提出串列叶栅中的三维流动和二维流动效应应该成为未来的研究重点。

虽然串列叶片能实现更高的级负荷，但仍有角区分离存在，并且会存在与一般叶栅不同的泄漏流结构。McGlumphy等在研究中提到在串列转子前叶排和后叶排的端壁/吸力面角区存在回流，会限制串列转子效率的提升。Zhang等在串列叶栅耦合端壁抽吸的研究中发现在串列叶栅前叶片通道中会有严重的角区失速。Kumar等在对串列转子的试验研究中发现串列转子会在前叶排和后叶排分别形成一个泄漏涡，并且会在下游汇合成一个更大的涡。Han等发现跨音速串列转子的失速主要与叶尖泄漏流和靠近叶尖的间隙喷射有关，且前叶排的间隙大小是影响串列转子失速的主要因素。目前针对串列叶栅角区分离与叶尖泄漏流的研究较少，对其流动机理认识还不清楚，需要进一步的研究。

对于三段式翼型结构而言，其叶型通过简单缩放设计无法满足压气机多叶片在机匣中高负荷工作的需求。专利号为CN104978449A的专利中公开了一种二维三段翼型的前缘缝翼及尾缘襟翼位置的气动优化方法。该专利开发了一种方法适用于民用客机机翼增升装置的任一顺气流剖面的前缘缝翼及尾缘单缝襟翼的位置优化。该方法适用于对大尺度的开阔流场优化，并且该方法没有将在狭小机匣内多叶片干涉流动考虑在内。

而对于压气机叶片的串联叶片的研究多为两段叶片的设计，且对大攻角工况下角区流动分离的控制效果有限。专利号CN105840551A中公开了一种多工况点高负荷压气机叶片的气动实现方法，该发明创造中通过两段的双圆弧型面串列叶片增大了压气机静子通道的扩压能力，但在大攻角下仍会产生流动分离。

专利号为CN106401990A的专利中公开了一种有串列与分流叶片的叶轮与串列叶栅扩压器的压气机，其中的离心叶轮采用分流叶片与串列叶片相结合的结构，同时，扩压器也采用串列叶栅结构，起到了防止或推迟附面层的分离，增大喘振裕度的作用。但在大攻角下，该设计依然存在流动分离。对于如何进一步提升串联叶片在大攻角工况下角区分离，传统的串联叶片设计无法满足该需求，串联叶片的设计需要被进行进一步研究。

发明内容

为克服现有技术中存在的三段式翼型设计不能满足压气机内流场工作需求以及两段式串联叶片在高负荷大转角下任然产生较大流动分离的不足，本发明提出了一种压气机三段式可调串列叶片。

本发明包括第一段叶片、第二段叶片和第三段叶片，并由该第一段叶片构成了所述压气机三段式可调串列叶片的前缘，由该第三段叶片构成了所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘。

所述压气机三段式可调串列叶片的前缘顶点至尾缘顶点之间连线的长度为总弦长，总弦长为b_Z。

所述第一段叶片的前缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的前缘顶点。该第一段叶片的尾缘顶点位于第二段叶片弦线上，并与所述第二段叶片的前缘顶点之间的间距为z₁。

所述第二段叶片的尾缘顶点与第三段叶片弦线的延长线相交，并与所述第三段叶片的前缘顶点之间的间距为z₂。

所述第一段叶片的弦线和第三段叶片的弦线之间的夹角为总弯角θ_Z。所述总弦长为b_Z＝277.9mm，所述总弯角θ_Z＝99.4°。

所述第三段叶片的尾缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘顶点。

所述第一段叶片的弦长b₁为25.7mm；最大叶片厚度c_max,1为9.8mm，所述c_max,1距离前缘位置e₁为0.5mm；最大扰度f_max,1为10.1mm，所述f_max,1与前缘位置a₁之间的距离为2.5mm，叶型前缘角χ_1,1为113.1°，尾缘角χ_2,1为31.0°，叶型弯角θ₁为144.1°。

所述第一段叶片的凸面为吸力面；该吸力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在XY坐标系中的分布见表1：

表1第一段叶片吸力面数据坐标点

该第一段叶片的凹面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表2：

表2第一段叶片压力面数据坐标点

所述第二段叶片的原始弦长b₂为196.9mm，最大叶片厚度c _max,2为27.3mm，其距离前缘位置e₂为49.8mm，最大扰度f_max,2为0.9mm，其距离前缘位置a₂为113.5mm，叶型前缘角χ_1,2为0.6°，尾缘角χ_2,2为2.7°，叶型弯角θ₂为4.9°。在该原始叶型压力面的尾缘处加工有凹面，该凹面的起点距离该第二段叶片前缘顶点的距离m为148.2mm，深度n为11.7mm，弦向长度为38.6mm。

所述第二段叶片的上表面为吸力面。该吸力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表3：

表3第二段叶片吸力面数据坐标点

所述第二段叶片的下表面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至所述凹槽起点处在该XY坐标系中的数据坐标点见表4：

表4第二段叶片压力面数据坐标点

所述第二段叶片中凹槽在该XY坐标系中的数据坐标点见表5。

表5第二段叶片中凹槽数据坐标点

所述第三段叶片的弦长b₃为68.8mm；最大厚度c_max,3为10.3mm，并且该最大厚度处与该第三段叶片前缘顶点之间的距离为e₃，e₃＝12.2mm；最大扰度f_max,3为4.0mm，该最大扰度f_max,3距离所述第三段叶片前缘顶点之间的距离为a₃，a₃＝40.5mm；叶型前缘角χ_1,3为17.0°，尾缘角χ_2,3为12.7°，叶型弯角θ₃为29.6°。

所述第三段叶片的凸面为吸力面。该吸力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至前缘顶点在该坐标系中的位置点见表6所示。

表6第三段叶片吸力面数据坐标点

所述第三段叶片的凹面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至尾缘顶点在该坐标系中的位置点见表7所示。

表7第二段叶片压力面数据坐标点

现有技术中，常规压气机叶片在变工况下会产生附面层分离，从而降低压气机气动性能，串列叶片虽然可以提高叶片的抗分离能力，但常规的两段式的串列叶片提升的程度有限。本发明提出了压气机三段式可调串列叶片，以减少或防止叶栅通道气流分离，提高级负荷，改善压气机的气动性能，进一步提高叶片的抗附面层分离能力。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果表现在以下各方面：

1、在推迟大弯度叶片附面层分离方面：其一，将现有的两段串列叶栅进一步分为三段串列叶栅，将叶片的气动负荷分给3段叶片分别承担，叶片吸力面的附面层在每个叶片上重新发展，推迟了叶片吸力面附面层分离的发生；其二，叶片与叶片之间形成了收缩型的气流通道，叶片压力面的流体由收缩型的气动通道流向叶片吸力面，气流加速了大弯度叶片吸力面的流动，抑制了气流分离。因而，三段式可调串列静子叶片能够承受更高的负荷。

2、在对压气机变工况的适应方面：其一，第1段叶片能够通过以叶片尾缘设计圆弧时的圆心为旋转中心转动调节该叶片进口气流角，如图1所示，使得叶片对变攻角工况的适应性更强，不易产生叶片前缘分离；其二，第3段叶片能够通过以叶片前缘设计圆弧时的圆心为旋转中心转动调节该叶片进口气流角，如图2所示，可调整该串列叶片出口的气流角度。

由图3展示了通过本发明设计方法设计的三段式可调串联压气机分别在来流气流角在45°和50°工况下流场情况。由图可见，三段式可调串列压气机静子叶片中第一段和第二段叶片吸力面无明显流动分离，仅在第三段叶片吸力面存在流动分离的情况，因此该设计叶片满足了气流在较大的气流偏转角的情况下实现了扩压减速的作用。

附图说明

图1第一段叶片转动示意图；

图2第三段叶片转动示意图；

图3是在气流速度为0～150m/s时的数值计算效果；其中，图3a是在安装角为30°、来流气流角为45°时的数值计算效果，图3b是在安装角为30°、来流气流角为50°时的数值计算效果。

图4三段式压气机串列叶片的结构示意图；

图5压气机三段式可调串列叶片数据点示意图；

图6三段式压气机串列叶片整体叶型图；

图7第一段叶型参数图；

图8第二段叶型参数图；

图9第三段叶型参数图；

图中：1.第一段叶片；2.第二段叶片；3.第三段叶片。

具体实施方式

本发明是一种压气机三段式可调串列叶片，包括第一段叶片1、第二段叶片2和第三段叶片3，并由该第一段叶片构成了所述压气机三段式可调串列叶片的前缘，由该第三段叶片构成了所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘，如图4所示。

本发明将所述压气机三段式可调串列叶片置于二维的XY坐标系中，并以该叶片的前缘顶点为所述XY坐标系的原点，如图5所示。

所述压气机三段式可调串列叶片前缘顶点至该压气机三段式可调串列叶片尾缘顶点之间连线的长度为总弦长，总弦长为b_Z。如图6所示。

该压气机三段式可调串列叶片中，第一段叶片的弦线和第三段叶片的弦线之间的夹角为总弯角θ_Z，如图6所示。

本实施例中，总弦长为b_Z＝277.9mm，总弯角θ_Z＝99.4°。

在该压气机三段式可调串列叶片中：

所述第一段叶片的前缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的前缘顶点。该第一段叶片的尾缘顶点位于第二段叶片2弦线上，并与所述第二段叶片2的前缘顶点之间的间距为z₁。

所述第二段叶片的尾缘顶点与第三段叶片2弦线的延长线相交，并与所述第三段叶片3的前缘顶点之间的间距为z₂。

所述第三段叶片的尾缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘顶点。

根据《航空叶片机原理》(西北工业大学出版社)中关于叶片中各参数的定义，所述第一段叶片的弦长b₁为25.7mm，最大叶片厚度c_max,1为9.8mm，其距离前缘位置e₁为0.5mm，最大扰度f_max,1为10.1mm，其距离前缘位置a₁为2.5mm，叶型前缘角χ_1,1为113.1°，尾缘角χ_2,1为31.0°，叶型弯角θ₁为144.1°。如图7所示。

该第一段叶片的凸面为吸力面。该吸力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表1：

表1第一段叶片吸力面数据坐标点

该第一段叶片的凹面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表2：

表2第一段叶片压力面数据坐标点

根据《航空叶片机原理》(西北工业大学出版社)中关于叶片中各参数的定义，所述第二段叶片的原始弦长b₂为196.9mm，最大叶片厚度c_max,2为27.3mm，其距离前缘位置e₂为49.8mm，最大扰度f_max,2为0.9mm，其距离前缘位置a₂为113.5mm，叶型前缘角χ_1,2为0.6°，尾缘角χ_2,2为2.7°，叶型弯角θ₂为4.9°。在该原始叶型压力面的尾缘处加工有凹面，该凹面的起点距离该第二段叶片前缘顶点的距离m为148.2mm，深度n为11.7mm，弦向长度为38.6mm。如图8所示。

所述第二段叶片的上表面为吸力面。该吸力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表3：

表3第二段叶片吸力面的数据坐标点

所述第二段叶片的下表面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至所述凹槽起点处在该XY坐标系中的数据坐标点见表4：

表4第二段叶片吸力面在该XY坐标系中的数据坐标点：

/>

所述第二段叶片中凹槽在该XY坐标系中的数据坐标点见表5

表5第二段叶片中凹槽在该XY坐标系中的数据坐标点

根据《航空叶片机原理》(西北工业大学出版社)中关于叶片中各参数的定义，所述第三段叶片的弦长b₃为68.8mm；最大厚度c_max,3为10.3mm，并且该最大厚度处与该第三段叶片前缘顶点之间的距离为e₃，e₃＝12.2mm；最大扰度f_max,3为4.0mm，该最大扰度f_max,3距离所述第三段叶片前缘顶点之间的距离为a₃，a₃＝40.5mm；叶型前缘角χ_1,3为17.0°，尾缘角χ_2,3为12.7°，叶型弯角θ₃为29.6°。

所述第三段叶片的凸面为吸力面。该吸力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至前缘顶点在该坐标系中的位置点见表6所示。如图9所示。

表6第三段叶片吸力面的数据坐标点

所述第三段叶片的凹面为压力面。该压力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至尾缘顶点在该坐标系中的位置点见表7所示。

表7第三段叶片压力面的数据坐标点

/>

/>

Claims (5)

1.一种压气机三段式可调串列叶片,其特征在于，包括第一段叶片、第二段叶片和第三段叶片，并由该第一段叶片的构成了所述压气机三段式可调串列叶片的前缘，由该第三段叶片构成了所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘；

所述压气机三段式可调串列叶片的前缘顶点至尾缘顶点之间连线的长度为总弦长，总弦长为b_Z；

所述第一段叶片的前缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的前缘顶点；该第一段叶片的尾缘顶点位于第二段叶片弦线上，并与所述第二段叶片的前缘顶点之间的间距为z₁；

所述第二段叶片的尾缘顶点与第三段叶片弦线的延长线相交，并与所述第三段叶片的前缘顶点之间的间距为z₂；

所述第一段叶片的弦线和第三段叶片的弦线之间的夹角为总弯角θ_Z；

所述第三段叶片的尾缘顶点亦为所述压气机三段式可调串列叶片的尾缘顶点；

所述总弦长为b_Z＝277.9mm，所述总弯角θ_Z＝99.4°；

所述第一段叶片的弦长b₁为25.7mm；最大叶片厚度c_max,1为9.8mm，所述c_max,1距离前缘位置e₁为0.5mm；最大扰度f_max,1为10.1mm，所述f_max,1与前缘位置a₁之间的距离为2.5mm，叶型前缘角χ_1,1为113.1°，尾缘角χ_2,1为31.0°，叶型弯角θ₁为144.1°；

所述第二段叶片的原始弦长b₂为196.9mm，最大叶片厚度c_max,2为27.3mm，其距离前缘位置e₂为49.8mm，最大扰度f_max,2为0.9mm，其距离前缘位置a₂为113.5mm，叶型前缘角χ_1,2为0.6°，尾缘角χ_2,2为2.7°，叶型弯角θ₂为4.9°；在该原始叶型压力面的尾缘处加工有凹面，该凹面的起点距离该第二段叶片前缘顶点的距离m为148.2mm，深度n为11.7mm，弦向长度为38.6mm；

所述第三段叶片的弦长b₃为68.8mm；最大厚度c_max,3为10.3mm，并且该最大厚度处与该第三段叶片前缘顶点之间的距离为e₃，e₃＝12.2mm；最大扰度f_max,3为4.0mm，该最大扰度f_max,3距离所述第三段叶片前缘顶点之间的距离为a₃，a₃＝40.5mm；叶型前缘角χ_1,3为17.0°，尾缘角χ_2,3为12.7°，叶型弯角θ₃为29.6°。

2.如权利要求1所述压气机三段式可调串列叶片,其特征在于，所述第一段叶片的凸面为吸力面；该吸力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在XY坐标系中的分布见表1：

表1第一段叶片吸力面数据坐标点

该第一段叶片的凹面为压力面；该压力面的数据坐标点自该第一段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表2：

表2第一段叶片压力面数据坐标点

3.如权利要求1所述压气机三段式可调串列叶片,其特征在于，所述第二段叶片的上表面为吸力面；该吸力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至尾缘在所述XY坐标系中的分布见表3：

表3第二段叶片吸力面数据坐标点

所述第二段叶片的下表面为压力面；该压力面的数据坐标点自该第二段叶片前缘至所述凹槽起点处在该XY坐标系中的数据坐标点见表4：

表4第二段叶片压力面数据坐标点

4.如权利要求3所述压气机三段式可调串列叶片,其特征在于，所述第二段叶片中凹槽在该XY坐标系中的数据坐标点见表5；

表5第二段叶片中凹槽数据坐标点

5.如权利要求1所述压气机三段式可调串列叶片,其特征在于，所述第三段叶片的凸面为吸力面；该吸力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至前缘顶点在该坐标系中的位置点见表6所示；

表6第三段叶片吸力面数据坐标点

所述第三段叶片的凹面为压力面；该压力面的数据坐标点自该第三段叶片前缘顶点至尾缘顶点在该坐标系中的位置点见表7所示；

表7第二段叶片压力面数据坐标点