CN113803274A - 轴流压气机及涡扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴流压气机及涡扇发动机，轴流压气机包括流道以及设于流道内的可调增压级和不可调增压级，不可调增压级包括设置于可调增压级后侧的第一个转子叶片，转子叶片的前缘叶根和尾缘叶根与流道的内壁面的连接点分别为第一交点和第二交点，第二交点的相对高度大于第一交点的相对高度，第二交点与第一交点的高度差为转子叶片的叶根位置的子午弦长的5%‑20%。本发明通过提升第一个不可调增压级的转子叶片的叶片后缘处叶根的相对高度，使得该转子叶片的轮毂流线抬升，进而提高了该级转子叶片中径处的切线速度，增强该级转子叶片的做功能力，增强了该级增压级的抗分离能力，有助于提升第一个不可调增压级的喘振裕度。

Description

轴流压气机及涡扇发动机
技术领域
本发明涉及一种轴流压气机及涡扇发动机。
背景技术
轴流压气机作为航空发动机的核心部件，其流道设计的好坏直接影响着压气机的压比和效率，进而影响发动机的整机性能水平。现在航空发动机的发展趋势，对压气机提出了高效率、高级负荷、少级数、重量轻等要求。不断提高压气机平均级压比和性能，各级参数的匹配非常重要。当压气机各级处于非理想的工作状态下，即使每一级都有较好的性能，多级压气机也难以正常工作，只有压气机各级均处于良好的工作状态下，多级压气机才能发挥最大的做功能。
为了兼顾压气机的全工况性能，在多级轴流压气机的设计中，通常会采用三级甚至五级的可调静子叶片，来拓宽压气机的低转速稳定工作范围，由于发动机结构和重量的限制，多级压气机不会全级数可调。由于轴流压气机的前几级级存在可调静子叶片，因而发生失速的可能性较小，但不可调级成为制约压气机性能进一步提升的障碍，尤其是压气机的第一个不可调级，其性能的好坏，直接影响着压气机的稳定工作范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中轴流压气机的不可调级影响压气机性能提升的缺陷，提供一种轴流压气机及涡扇发动机。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明公开了一种轴流压气机，所述轴流压气机包括流道和设于所述流道内的可调增压级和不可调增压级，所述不可调增压级设于所述可调增压级的后侧，所述不可调增压级包括设置于所述可调增压级后侧的第一个转子叶片，所述转子叶片的前缘叶根和尾缘叶根与所述流道的内壁面的连接点分别为第一交点和第二交点，所述第二交点的相对高度大于所述第一交点的相对高度，所述第二交点与所述第一交点的高度差为所述转子叶片的叶根位置的子午弦长的5%-20%。
在本方案中，采用上述结构形式，通过提升第一个不可调增压级的转子叶片的叶片后缘处叶根的相对高度，使得该转子叶片的轮毂流线抬升，进而提高了该级转子叶片中径处的切线速度，增强该级转子叶片的做功能力，在实现设计压比时可以降低该级转子叶片的转角，进而削弱了第一个不可调增压级的逆压梯度，增强了该级增压级的抗分离能力，有助于提升第一个不可调增压级的喘振裕度，提高其稳定的工作范围，进而提升轴流压气机的性能水平。
较佳地，所述不可调增压级还包括设于所述转子叶片后侧的第一个静子叶片，所述静子叶片的前缘叶根与所述流道的内壁面的连接点为第三交点，所述第三交点的相对高度为所述第二交点的相对高度的0.9-1.1倍。
在本方案中，采用上述结构形式，通过在第一个不可调增压级的静子叶片的轮毂前缘处采用扩张形式的流路，有助于提升静子叶片叶根处的气流流通能力，缓解叶根处的气流流动堵塞，进而削弱叶根处的马赫数峰值，提升了静子叶片的抗分离能力，可以进一步提高第一个不可调增压级的稳定工作范围，进而提升轴流压气机的整体性能水平。
较佳地，所述静子叶片的尾缘叶根与所述流道的内壁面的连接点为第四交点，所述静子叶片的前缘和尾缘中间位置的叶根与所述流道的内壁面的连接点为第五交点，所述第五交点的相对高度为所述第三交点的相对高度的0.85-0.95倍，所述第四交点的相对高度为所述第五交点的相对高度的1.02-1.1倍。
在本方案中，采用上述结构形式，进一步缓解静子叶片叶根处的气流流动堵塞，削弱叶根处的马赫数峰值，提升了静子叶片的抗分离能力。
较佳地，所述第三交点的相对高度为所述第二交点的相对高度的0.9倍，所述第五交点的相对高度为所述第三交点的相对高度的0.9倍，所述第四交点的相对高度为所述第五交点的相对高度的1.05倍。
在本方案中，采用上述结构，使得第一个不可调增压级的静子叶片的轮毂处流路形式可以达到较好的气流抗分离能力。
较佳地，所述第三交点、所述第四交点和所述第五交点之间的所述静子叶片的叶根处轮廓线为弧形线。
在本方案中，采用上述结构形式，增强气流在静子叶片的叶根处流动能力。
较佳地，所述不可调增压级包括位于所述可调增压级后侧的第一个不可调增压级，所述第一个不可调增压级的增压比小于两侧的增压级的增压比。
在本方案中，通过将第一个不可调增压级的增压比设置成小于两侧的增压级的增压比，从而降低第一个不可调增压级的气动负荷和气动弯角，从而很大程度上提高了第一个不可调增压级在风扇不均匀来流情况下的增压能力以及抗畸变能力，进而提升第一个不可调增压级的喘振裕度，增强轴流压气机的喘振裕度，提升轴流压气机的工作性能。
较佳地，所述不可调增压级至少有两个，所述不可调增压级的最后一个不可调增压级的增压比大于第一个不可调增压级的增压比。
在本方案中，采用上述结构形式，可以增强轴流压气机流道内不可调增压级整体的喘振裕度，进一步提升轴流压气机的工作性能。
较佳地，所述第一交点和所述第二交点之间的所述转子叶片的叶根处轮廓线为弧形线。
在本方案中，采用上述结构形式，增强气流在转子叶片的叶根处流动能力。
本发明还公开了一种涡扇发动机，所述涡扇发动机包含上述的轴流压气机。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过提升第一个不可调增压级的转子叶片的叶片后缘处叶根的相对高度，使得该转子叶片的轮毂流线抬升，进而提高了该级转子叶片中径处的切线速度，增强该级转子叶片的做功能力，在实现设计压比时可以降低该级转子叶片的转角，进而削弱了第一个不可调增压级的逆压梯度，增强了该级增压级的抗分离能力，有助于提升第一个不可调增压级的喘振裕度，提高其稳定的工作范围，进而提升轴流压气机的性能水平。
附图说明
图1为本发明实施例中轴流压气机中增压级叶片流路布局示意图。
图2为图1局部布局示意图。
图3为常规四级增压构型的轴流压气机中增压级叶片流路布局示意图。
图4为本发明轴流压气机和常规四级增压的轴流压气机的各级增压级的增压比分配示意图。
附图标记说明：
进口导流叶片10
第一增压级20
第二增压级30
第三增压级40
第一转子叶片41
第一静子叶片42
第四增压级50。
具体实施方式
下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在该实施例范围之中。
需要理解的是，方位词如“前”、“后”、“前侧”、“后侧”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者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。同时，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件或位置，仅仅是为了便于对相应零部件或位置进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
本实施例公开了一种涡扇发动机，该涡扇发动机包含有轴流压气机。
在以下对该实施例的描述中，是以一种涡扇发动机为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，由于涡扇发动机通常还包括轴流压气机、燃烧室、涡轮等结构，因此，为了将本发明提出的涡扇发动机，特别是其轴流压气机与上述结构结合而组成涡扇发动机，而对上述涡扇发动机特别是其轴流压气机做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的涡扇发动机的原理的范围内。
本实施例公开了一种轴流压气机，如图1所示，以四级增压级的高压压气机为例，该轴流压气机包括流道和设于流道内的可调增压级和不可调增压级，不可调增压级设于可调增压级的后侧。可调增压级的前侧具有进口导流叶片10，该进口导流叶片10为可调结构，可调增压级和不可调增压级分别具有两级，每个增压级分别包括转子叶片和静子叶片，可调增压级的静子叶片可以被控制发生转动。
如图1和图2所示，不可调增压级包括设置于可调增压级后侧的第一个转子叶片（以下称为“第一转子叶片41”），第一转子叶片41的前缘叶根和尾缘叶根与流道的内壁面的连接点分别为第一交点（图2中A点）和第二交点（图2中B点），第二交点的相对高度大于第一交点的相对高度，第二交点与第一交点的高度差为第一转子叶片41的叶根位置的子午弦长的5%-20%。本发明中的相对高度是指转子叶片或静子叶片的叶根上某一点到转子叶片的旋转轴的距离。
本实施例轴流压气机的第一个不可调增压级的第一转子叶片41通过采用上述结构，将该第一转子叶片41的轮毂流线抬升，进而提高了该第一转子叶片41中径处的切线速度，增强该第一转子叶片41的做功能力，在实现设计增压比时可以降低该级第一转子叶片41的转角，进而削弱了第一个不可调增压级的逆压梯度，增强了该级增压级的抗分离能力，有助于提升第一个不可调增压级的喘振裕度，提高其稳定的工作范围，进而提升轴流压气机的性能水平。
第一交点和第二交点之间的第一转子叶片41的叶根处轮廓线为弧形线，以增强气流在第一转子叶片41的叶根处流动能力。
不可调增压级还包括设于第一转子叶片41后侧的第一个静子叶片（以下称为“第一静子叶片42”），第一静子叶片42的前缘叶根与流道的内壁面的连接点为第三交点（图2中C点），第三交点的相对高度为第二交点的相对高度的0.9-1.1倍。第一静子叶片42的尾缘叶根与流道的内壁面的连接点为第四交点（图2中E点），第一静子叶片42的前缘和尾缘中间位置的叶根与流道的内壁面的连接点为第五交点（图2中D点），第五交点的相对高度为第三交点的相对高度的0.85-0.95倍，第四交点的相对高度为第五交点的相对高度的1.02-1.1倍。第一静子叶片42的其余流道的位置通过上述三点进行样条曲线插值得到。通过在第一个不可调增压级的第一静子叶片42的轮毂前缘处采用扩张形式的流路，有助于提升第一静子叶片42叶根处的气流流通能力，缓解叶根处的气流流动堵塞，进而削弱叶根处的马赫数峰值，提升了第一静子叶片42的抗分离能力，可以进一步提高第一个不可调增压级的稳定工作范围，进而提升轴流压气机的整体性能水平。
在本实施例中，第三交点的相对高度为第二交点的相对高度的0.9倍，第五交点的相对高度为第三交点的相对高度的0.9倍，第四交点的相对高度为第五交点的相对高度的1.05倍。第一静子叶片42的叶根与流道的三个交点采用上述相对位置形式使得第一静子叶片42的轮毂处流路形式可以达到较好的气流抗分离能力。
在一些较佳的实施例中，第三交点、第四交点和第五交点之间的第一静子叶片42的叶根处轮廓线为弧形线，可以增强气流在第一静子叶片42的叶根处流动能力。
第三交点和第五交点之间的叶根处轮廓线与第一交点和第二交点之间的叶根处轮廓线大致成八字形，形成扩张流路形式，便于气流流动。
在本实施例中，不可调增压级包括位于可调增压级后侧的第一个不可调增压级，第一个不可调增压级的增压比小于两侧的增压级的增压比。通过将第一个不可调增压级的增压比设置成小于两侧的增压级的增压比，从而降低第一个不可调增压级的气动负荷和气动弯角，从而很大程度上提高了第一个不可调增压级在风扇不均匀来流情况下的增压能力以及抗畸变能力，进而提升第一个不可调增压级的喘振裕度，增强轴流压气机的喘振裕度，提升轴流压气机的工作性能。
不可调增压级至少有两个，不可调增压级的最后一个不可调增压级的增压比大于第一个不可调增压级的增压比。这样可以增强轴流压气机流道内不可调增压级整体的喘振裕度，进一步提升轴流压气机的工作性能。
如图1所示，由于本实施例中的可调增压级有两个，不可调增压级有两个，将可调增压级分别称为第一增压级20和第二增压级30，不可调增压级分别称为第三增压级40和第四增压级50。本实施例中，第四增压级50的增压比大于第三增压级40的增压比。
在一些实施例中，不可调增压级的增压级数量如果有三个以上，最后一个不可调增压级的增压比也可能小于第一个不可调增压级的增压比。
下面通过将本发明轴流压气机与传统轴流压气机进行对比，获得本发明方案相对于传统方案带来的稳定裕度的提升效果。
如图4所示，给出了本发明四级增压的轴流压气机和常规四级增压的轴流压气机的各级增压级的增压比分配示意图，将本发明第一个不可调增压级（第三增压级40）的增压比降低为常规方案的85-95%之间，最后一级不可调增压级（第四增压级50）的增压比根据总增压比不变进行确定：即Pr 4 =（Pr 3o *Pr 4o ）/Pr 3 ，其中：Pr 3 和Pr 4 分别表示本发明中第三增压级40和第四增压级50的增压比，Pr 3o 和Pr 4o 分别表示常规轴流压气机中第三增压级40和第四增压级50的增压比。
给定本发明的轴流压气机和常规的轴流压气机流道形式及静子叶片和转子叶片的几何信息如稠度等，其中本发明的轴流压气机流道采用图1和图2形式，常规的轴流压气机流道采用图3形式。将常规轴流压气机的叶片布局和本发明轴流压气机叶片布局的稳定裕度进行评估，通过计算，本发明轴流压气机在保持总增压比不变的情况下，通过流道收缩，能够提升轴流压气机的稳定裕度约2%左右。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轴流压气机，所述轴流压气机包括流道以及设于所述流道内的可调增压级和不可调增压级，所述不可调增压级设于所述可调增压级的后侧，所述不可调增压级包括设置于所述可调增压级后侧的第一个转子叶片，其特征在于，所述转子叶片的前缘叶根和尾缘叶根与所述流道的内壁面的连接点分别为第一交点和第二交点，所述第二交点的相对高度大于所述第一交点的相对高度，所述第二交点与所述第一交点的高度差为所述转子叶片的叶根位置的子午弦长的5%-20%。
2.如权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述不可调增压级还包括设于所述转子叶片后侧的第一个静子叶片，所述静子叶片的前缘叶根与所述流道的内壁面的连接点为第三交点，所述第三交点的相对高度为所述第二交点的相对高度的0.9-1.1倍。
3.如权利要求2所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子叶片的尾缘叶根与所述流道的内壁面的连接点为第四交点，所述静子叶片的前缘和尾缘中间位置的叶根与所述流道的内壁面的连接点为第五交点，所述第五交点的相对高度为所述第三交点的相对高度的0.85-0.95倍，所述第四交点的相对高度为所述第五交点的相对高度的1.02-1.1倍。
4.如权利要求3所述的轴流压气机，其特征在于，所述第三交点的相对高度为所述第二交点的相对高度的0.9倍，所述第五交点的相对高度为所述第三交点的相对高度的0.9倍，所述第四交点的相对高度为所述第五交点的相对高度的1.05倍。
5.如权利要求3所述的轴流压气机，其特征在于，所述第三交点、所述第四交点和所述第五交点之间的所述静子叶片的叶根处轮廓线为弧形线。
6.如权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述不可调增压级包括位于所述可调增压级后侧的第一个不可调增压级，所述第一个不可调增压级的增压比小于两侧的增压级的增压比。
7.如权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述不可调增压级至少有两个，所述不可调增压级的最后一个不可调增压级的增压比大于第一个不可调增压级的增压比。
8.如权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述第一交点和所述第二交点之间的所述转子叶片的叶根处轮廓线为弧形线。
9.一种涡扇发动机，其特征在于，所述涡扇发动机包含权利要求1-8任意一项所述的轴流压气机。
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