CN113864243A - 一种改善全周流场的轴流压气机 - Google Patents

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    • F04D29/667—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps by influencing the flow pattern, e.g. suppression of turbulence

Abstract

本发明创造提供了一种改善全周流场的轴流压气机，在静子的全周静叶中，大攻角叶片与小攻角叶片交替排列。各叶片间流道间隙均相同。在静子的全周静叶片中，原型叶片与改型叶片交替排列，原型叶片与相邻两改型叶片间隙均相同，且改型叶片的攻角小于原型叶片的攻角。本发明提供的轴流压气机通过将原型静子中原型叶片部分或全部替换成可抑制吸力面角区分离的改型叶片，从而改善全周流场结构，提高通流能力。此结构既可以保证在原有静子叶型能运行的工况下稳定运行，同时，可以大大改善近失速工况时的流场结构，以及减小甚至消除吸力面角区的流动分离范围。

Description

一种改善全周流场的轴流压气机
技术领域
本发明创造属于航空发动机设计研究技术领域，尤其是涉及一种改善全周流场的轴流压气机。
背景技术
压气机为当代航空发动机的三大核心部件之一，其中轴流式压气机在大型航空发动机中应用广泛。为了满足当代航空发动机要求的高性能的要求，势必要提高压气机抗负荷能力、效率和稳定裕度。常规的轴流压气机的静子是由同一叶型的叶片以一定稠度旋转一周排列的，当来流均匀时，每片静叶的来流攻角是近似的，每个静叶流道内的流动状态接近。在压气机处于高负荷运转状态时，由于逆压梯度大，静子叶片角区极易发生流动分离而堵塞流道，这种堵塞流道的情况发生在全周流道中，这会使得发动机性能下降，甚至导致发动机旋转失速和喘振。因此，提高压气机抗负荷能力和稳定性对于发动机的正常稳定的运行有重大的实际意义。
现有研究表明，静叶流道中发生分离的区域主要存在于上下两个角区，且由于动叶高速旋转以及动叶叶顶间隙的影响，静叶流道中上角区分离往往强于下角区，上角区容易出现范围较大的流动分离，严重影响主流流动。虽然现有技术中存在针对改变静叶叶型来改善流场进行的研究，但研究方向主要是非轴对称分布静叶轴流式压气机，这种现有技术的原理是通过将畸变区内的原始静叶更换为可抑制流动分离的改型静叶或者增加此区域内叶栅稠度，来降低甚至消除受畸变影响区域内的静叶吸力面分离，提高局部畸变状态下的压气机的通流能力。这种非轴对称分布静叶轴流式压气机主要针对的是来流不均匀，局部存在畸变的情况下。
但是，局部畸变位置需要根据实际情况预测，在实际应用中，畸变区域可能会发生改变；并且，当处于压气机中间级及以后的时候，经过前几级的导流，周向上气流分布已较为均匀，局部静叶改型的方案已不再适用。因此，上述非轴对称分布静叶轴流式压气机的应用存在局限性，无法全时保证对压气机性能优化。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种改善全周流场的轴流压气机。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种改善全周流场的轴流压气机，在静子的全周静叶中，大攻角叶片与小攻角叶片交替排列。
进一步，各叶片间流道间隙均相同。
进一步，在静子的全周静叶片中，原型叶片与改型叶片交替排列，原型叶片与相邻两改型叶片间隙均相同，且改型叶片的攻角小于原型叶片的攻角。
进一步，所述改型叶片采用叶顶前掠型叶片、或者采用更改原型叶片弦长的改型叶片。
进一步，各改型叶采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
进一步，各叶片均采用改型静叶片。
进一步，各改型静叶片均采用叶顶前掠型叶片、或者均采用更改原型叶片弦长的改型叶片。
进一步，各改型静叶采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
一种改善轴流压气机全周流场的方法，利用进口几何角小的改型叶片，间隔替换原静子中的原型静叶片；或者，
将原静子中的原型静叶片全部替换为改型静叶片，并保证各改型静叶片的进口几何角均小于原型静叶片，同时，改型静叶片中大攻角静叶片与小攻角静叶片交替布置。
进一步，相邻两叶片间流道间隙均相同。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明提供的轴流压气机通过将原型静子中原型叶片部分或全部替换成可抑制吸力面角区分离的改型叶片，从而改善全周流场结构，提高通流能力。此结构既可以保证在原有静子叶型能运行的工况下稳定运行，同时，可以大大改善近失速工况时的流场结构，以及减小甚至消除吸力面角区的流动分离范围。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例中静叶片的示意图；
图2为本发明创造实施例中静子各叶片的排列示意图；
图3为本发明创造实施例中静子展平时叶片排列的示意图；
图4为本发明创造中静叶与动叶配合时的局部结构示意图；
图5为本发明创造中在原型叶片基础上与改型叶片对比示意图；
图6为本发明创造中角区位置示意图；
图7为单级压气机原型与改型后的压比特性线对比示意图(压比为出口总压与进口总压的比值，ori代表原型压气机，opt代表按此发明方案修改后的压气机)；
图8为单级压气机原型与改型后的效率特性线对比示意图(ori代表原型压气机，opt代表按此发明方案修改后的压气机)。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种改善全周流场的轴流压气机，如图1至6所示，在静子的全周静叶中，大攻角叶片A与小攻角叶片B交替排列。优选的，各叶片间流道间隙均相同。本发明提供的轴流压气机可对全周流道进行流动控制，抑制角区分离以提高整级发动机的通流能力，不仅可以在面对均匀来流时抑制角区分离，而且可以在来流存在畸变，即来流不均匀时，保证压气机性能不会剧烈恶化，无论畸变处于什么位置，均可以保证改善流场的效果。
在一个可选的实施例中，在静子的全周静叶片中，原型叶片与改型叶片交替排列，原型叶片与相邻两改型叶片间隙均相同，且改型叶片的攻角小于原型叶片的攻角。此实施例中，上述改型叶片采用叶顶前掠型叶片、或者采用更改原型叶片弦长的改型叶片。而且，各改型叶还可采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
上述结构设计，可减弱角区分离的影响，通过将全周静叶每隔一个叶片替换成可以抑制角区分离的改型叶片(如图2和图3所示，A代表原型叶片，B代表改型后的叶片，两种叶片交替排列在静子全周)，来控制静叶角区范围，尤其是角区范围大的上角区，每隔一个叶片保留下的原型叶片则可以平衡改型叶片对来流进气造成的影响。两种叶型交错排列可以保证流场的周期均匀性，进而实现全周流道整体性的流场改善以及性能提升的目的。
在另一个可选的实施例中，各叶片均采用改型静叶片。此实施例中，各改型静叶片均采用叶顶前掠型叶片、或者均采用更改原型叶片弦长的改型叶片。各改型静叶采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
下面提供一种改善轴流压气机全周流场的方法：
先对轴流压气机进行性能测试，即测试出完整的压气机特性曲线，找到近失速工况，并分析近失速工况时的流场，找到角区分离区域。之后针对角区分离区域进行叶片改型，将改型后的静叶片与原叶片交替排列组合成全周叶片。
通常，改型以原始叶型为基础，如图4至图6所示，通过改变静子叶片叶顶前缘的扭曲程度来减小进口几何角b，进而减小攻角c。尤其是在图5中，可以清楚的看出叶片形状的改变，A所示的虚线部分为原型叶片，B所示的实线部分是将原型叶片叶尖前缘向叶盆方向弯扭得到的改型叶片。为了达到理想的流畅改善效果，并确保适应广泛，优选的，改型叶片叶顶前缘较原型叶片增大5-20°。如图7所示，为单级压气机原型与改型后的压比特性线对比示意图；如图8所示，为单级压气机原型与改型后的效率特性线对比示意图。可直观看出压气机内流动更趋于稳定，压气机性能得到提高。
减小攻角的原因是分析流场时确定流动分离主要分布在静叶吸力面上下三维角区e，尤其是上角区。由于攻角的大小可以影响分离位置，当攻角大时，分离往往发生在吸力面。故通过减小进口几何角来减小攻角，将更多主流高能流体引入吸力面上三维角区d，抑制角区分离的发生，改善流场结构，提高通流能力。
由于同时存在攻角大的原始叶片和攻角减小的改型叶片，所以当压气机处于不同工况下，来流进气角a发生改变时，两种叶型可以更容易契合来流进气方向，以达到提高压气机稳定裕度的目的。
综上，对于改型叶片的设计和布置形式，一种方式是利用进口几何角小的改型叶片，间隔替换原静子中的原型静叶片，即，将全周方向上静叶一半替换为改型叶片；或者，另一种方式是将原静子中的原型静叶片全部替换为改型静叶片，并保证各改型静叶片的进口几何角均小于原型静叶片，同时，改型静叶片中大攻角静叶片与小攻角静叶片交替布置。通常，相邻两叶片间流道间隙均相同。
两种叶型交替排列的作用是保证不同工况时，因为进气角不同，为了得到更符合工况的攻角，需要不同的进口几何角。故两种叶型交替排列时，在全周方向上，当来流进气角大时，有分布于全周的原型叶片保证流动状态稳定，而当来流进气角小时，又由于全周方向上还有改型叶片的存在，仍然可以保证稳定的流动状态。
全周方向上原/改叶片交错排列的另一个作用是可以满足在来流进气任意位置存在畸变时均可以保证压气机内流动稳定，保证压气机性能。本发明所述的叶片改型方案可以根据不同压气机具体情况进行调整，当全周静叶叶片数量为偶数时，每隔一个原始叶片，安装一个修改叶片，即将一半的叶片进行改型，甚至可以将保留的原型静叶全部替换成配合改型叶片的新改型叶片，即将所有叶片替换成两种改型叶片交替排列于原始位置，达到进一步提高压气机性能的目的。
本发明提供的轴流压气机通过将原型静子中原型叶片部分或全部替换成可抑制吸力面角区分离的改型叶片，从而改善全周流场结构，提高通流能力。此结构既可以保证在原有静子叶型能运行的工况下稳定运行，同时可以大大改善近失速工况时的流场结构，及减小甚至消除吸力面角区的流动分离范围，而且在几乎不影响效率的情况下大幅提高压气机的压比从而扩大了压气机的稳定裕度，为高负荷压气机设计研发奠定基础。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：在静子的全周静叶中，大攻角叶片与小攻角叶片交替排列。
2.根据权利要求1所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：各叶片间流道间隙均相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：在静子的全周静叶片中，原型叶片与改型叶片交替排列，原型叶片与相邻两改型叶片间隙均相同，且改型叶片的攻角小于原型叶片的攻角。
4.根据权利要求3所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：所述改型叶片采用叶顶前掠型叶片、或者采用更改原型叶片弦长的改型叶片。
5.根据权利要求4所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：各改型叶采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
6.根据权利要求1或2所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：各叶片均采用改型静叶片。
7.根据权利要求6所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：各改型静叶片均采用叶顶前掠型叶片、或者均采用更改原型叶片弦长的改型叶片。
8.根据权利要求6所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：各改型静叶采用更改叶顶进口几何角、并同时改变叶根进口几何角的方式进行改型。
9.一种改善轴流压气机全周流场的方法，其特征在于：利用进口几何角小的改型叶片，间隔替换原静子中的原型静叶片；或者，
将原静子中的原型静叶片全部替换为改型静叶片，并保证各改型静叶片的进口几何角均小于原型静叶片，同时使改型静叶片中大攻角静叶片与小攻角静叶片交替布置。
10.根据权利要求9所述的一种改善全周流场的轴流压气机，其特征在于：相邻两叶片间流道间隙均相同。
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