CN114576201A - 压气机和航空发动机 - Google Patents

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杨俊�
杨平
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Abstract

本发明涉及一种压气机和航空发动机，其中压气机包括第一叶片(10)和第一缘板(20)，第一缘板(20)连接于第一叶片(10)的根部，第一缘板(20)包括自第一叶片(10)的前缘沿远离第一叶片(10)的尾缘的方向延伸的第一缘板前部(21)，第一缘板前部(21)包括在径向方向上靠近第一叶片(10)的第一顶面，第一顶面包括远离第一叶片(10)的第一曲面段和靠近第一叶片(10)的第一平面段。航空发动机包括压气机。本发明对气流具有引导和整流作用，可以使气流流动更加平稳，减小气流扰动，减少气动损失。

Description

压气机和航空发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种压气机和航空发动机。
背景技术
轴流压缩机是气流在子午面的流动方向基本平行于转子轴线的压气机。压气机包括一系列交替排列的静子和转子，用于气体输送和压缩。对于轴流压气机中的转子叶片，与轴相连的部分为叶根。对于静子部件，尤其是采用篦齿密封方式的静子部件，与转动轴密封位置接近的部分为叶根。在叶根部位为实现流道形状而设有沿着流道延伸的缘板，转子叶片在周向上主要依靠叶片根部的缘板进行固定。
为了避免静子叶根部位的缘板和转子叶根部位的缘板发生碰撞，转子和静子的缘板之间必须保证一定的轴向间隙。此间隙带来了轮毂处流道的不完整，无法完成气动的设计要求。为了减小悬臂式静子的叶根部位带来的泄露损失，结构上通常采用篦齿密封的方式来解决。但是，篦齿密封方式会形成容腔结构，容腔的前后存在压力差，内部会产生容腔泄露涡流。对于不同的缘板形状和篦齿密封方式，容腔泄露量有很大不同。结构形式设计不合理的缘板，会使主流冲击进入容腔中，造成较大的损失。因此，需要对缘板的结构进行优化。
需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明实施例提供一种压气机和航空发动机，对缘板的结构进行了优化。
根据本发明的一个方面，提供一种压气机，包括：
第一叶片；和
第一缘板，连接于第一叶片的根部；
其中，第一缘板包括自第一叶片的前缘沿远离第一叶片的尾缘的方向延伸的第一缘板前部，第一缘板前部包括在径向方向上靠近第一叶片的第一顶面，第一顶面包括远离第一叶片的第一曲面段和靠近第一叶片的第一平面段。
在一些实施例中，第一曲面段包括弧形面。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片，第二叶片与第一叶片相邻布置且第二叶片位于第一叶片的上游，第一叶片的前缘点A与第二叶片的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成圆弧且圆弧与直线AB相切。
在一些实施例中，在靠近第一叶片的方向上第一平面段逐渐远离压气机的转动轴线。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片，第二叶片与第一叶片相邻布置且第二叶片位于第一叶片的上游，第一叶片的前缘点A与第二叶片的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成的曲线的靠近第一平面段的端点E与第一叶片的前缘点A连接形成的直线与第一平面段被截成的直线重合。
在一些实施例中，第一曲面段的轴向长度为第一叶片的根部弦长的6％～10％。
在一些实施例中，第一平面段的轴向长度不小于第一叶片的根部弦长的2％。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片，第二叶片与第一叶片相邻布置且第二叶片位于第一叶片的上游，第一叶片的前缘点A与第二叶片的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成的曲线的远离第一平面段的端点C与第二叶片的尾缘点B之间的连线与直线AB之间的夹角为5°～7°。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片，第二叶片与第一叶片相邻布置且第二叶片位于第一叶片的上游，第一叶片的前缘点A与第二叶片的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一缘板前部的与第一顶面相邻且远离第一叶片的第一侧面被截成的第一侧边线的延长线与直线AB相交于点D，第一曲面段被截成的曲线的远离第一平面段的端点C与点D之间的长度不小于第一叶片的根部弦长的1.5％。
在一些实施例中，压气机还包括机匣、转子轴、第二叶片和第二缘板，第一叶片与机匣连接，第二缘板与转子轴连接，第二叶片的根部与第二缘板连接。
在一些实施例中，第二缘板包括自第二叶片的前缘沿远离第二叶片的尾缘的方向延伸的第二缘板前部，第二缘板前部包括在径向方向上靠近第二叶片的第二顶面，第二顶面包括远离第二叶片的第二曲面段和靠近第二叶片的第二平面段。
根据本发明的另一个方面，提供一种航空发动机，包括上述的压气机。
基于上述技术方案，本发明实施例中第一顶面包括远离第一叶片的第一曲面段和靠近第一叶片的第一平面段，气流在到达第一缘板前部时，可以通过第一曲面段进行引流，避免主流进入缘板间形成的容腔中造成气动损失，还可以减少进入容腔的涡流，降低容腔泄露量，减小流动损失；而且，第一曲面段的下游还设有第一平面段，通过第一平面段可以使气流在经过第一曲面段之后沿平面平稳运动直至到达第一叶片，第一平面段对进入第一叶片前的气流具有整流作用，可以使进入第一叶片的气流更加平稳，减小气流扰动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明压气机一个实施例的部分结构的剖视图。
图2为本发明压气机一个实施例的局部剖视图。
图3为相关技术中压气机内部的气体流动示意图。
图4为本发明压气机一个实施例内部的气体流动示意图。
图中：
10、第一叶片；20、第一缘板；21、第一缘板前部；30、第二叶片；40、第二缘板；41、第二缘板前部；50、机匣；60、转子轴；70、容腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“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保护范围的限制。
如图1所示，在本发明提供的压气机的一些实施例，该压气机包括第一叶片10和第一缘板20，第一缘板20连接于第一叶片10的根部，其中，第一缘板20包括自第一叶片10的前缘沿远离第一叶片10的尾缘的方向延伸的第一缘板前部21，第一缘板前部21包括在径向方向上靠近第一叶片10的第一顶面，第一顶面包括远离第一叶片10的第一曲面段和靠近第一叶片10的第一平面段。第一曲面段比第一平面段更远离第一叶片10。第一平面段位于第一曲面段的下游。
在上述实施例中，第一顶面包括远离第一叶片10的第一曲面段和靠近第一叶片10的第一平面段，气流在到达第一缘板前部21时，可以通过第一曲面段进行引流，避免主流进入缘板间形成的容腔中造成气动损失，还可以减少进入容腔的涡流，降低容腔泄露量，减小流动损失；而且，第一曲面段的下游还设有第一平面段，通过第一平面段可以使气流在经过第一曲面段之后沿平面平稳运动直至到达第一叶片10，第一平面段对进入第一叶片10前的气流具有整流作用，可以使进入第一叶片10的气流更加平稳，减小气流扰动。
在一些实施例中，第一平面段与第一叶片10的根部的前缘连接。
在一些实施例中，第一曲面段包括弧形面。弧形面更加光滑，对气流进行引流时能够使气流的流动更加顺畅，减少涡流的产生，降低对气动损失的影响。
如图2所示，在一些实施例中，压气机还包括第二叶片30，第二叶片30与第一叶片10相邻布置且第二叶片30位于第一叶片10的上游，第一叶片10的前缘点A与第二叶片30的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片10的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成圆弧且圆弧与直线AB相切。
来自第二叶片30尾缘的气流主流方向与直线AB的方向大致相同，因此将圆弧设置为与直线AB相切，可以使气流在到达第一缘板前部21时顺着圆弧面平稳地向下游继续流动，减少涡流的产生，减少气流扰动。
在一些实施例中，在靠近第一叶片10的方向上第一平面段逐渐远离压气机的转动轴线。第一平面段相对于压气机的转动轴线倾斜设置。
如图2所示，在靠近第一叶片10的方向上，第一平面段倾斜向上。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片30，第二叶片30与第一叶片10相邻布置且第二叶片30位于第一叶片10的上游，第一叶片10的前缘点A与第二叶片30的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片10的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成的曲线的靠近第一平面段的端点E与第一叶片10的前缘点A连接形成的直线与第一平面段被截成的直线重合。这样设置可以使主流气流在被第一曲面段导流后沿第一平面段流向第一叶片10，在第一平面段，气流可以得到整流，使流动更加均匀和稳定。
在一些实施例中，第一曲面段的轴向长度为第一叶片10的根部弦长的6％～10％，比如6％、7％、8％、9％和10％等。
在一些实施例中，第一平面段的轴向长度不小于第一叶片10的根部弦长的2％，比如2％、2.5％、3％和4％等。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片30，第二叶片30与第一叶片10相邻布置且第二叶片30位于第一叶片10的上游，第一叶片10的前缘点A与第二叶片30的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片10的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一曲面段被截成的曲线的远离第一平面段的端点C与第二叶片30的尾缘点B之间的连线与直线AB之间的夹角为5°～7°，比如5°、6°和7°。
在一些实施例中，压气机还包括第二叶片30，第二叶片30与第一叶片10相邻布置且第二叶片30位于第一叶片10的上游，第一叶片10的前缘点A与第二叶片30的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过第一叶片10的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，第一缘板前部21的与第一顶面相邻且远离第一叶片10的第一侧面被截成的第一侧边线的延长线与直线AB相交于点D，第一曲面段被截成的曲线的远离第一平面段的端点C与点D之间的长度不小于第一叶片10的根部弦长的1.5％，比如1.5％、2％、2.5％和3％等。
在一些实施例中，压气机还包括机匣50、转子轴60、第二叶片30和第二缘板40，第一叶片10与机匣50连接，第二缘板40与转子轴60连接，第二叶片30的根部与第二缘板40连接。在该实施例中，第一叶片10为静子叶片，第二叶片30为转子叶片，与静子叶片的根部连接的第一缘板20的前端设置为包括第一曲面段和第一平面段的结构形式，与转子叶片的根部连接的第二缘板40的前端可以设置为与第一缘板20的前端相同的结构，也可以设置为不同的结构。
在一些实施例中，第二缘板40包括自第二叶片30的前缘沿远离第二叶片30的尾缘的方向延伸的第二缘板前部41，第二缘板前部41包括在径向方向上靠近第二叶片30的第二顶面，第二顶面包括远离第二叶片30的第二曲面段和靠近第二叶片30的第二平面段。在该实施例中，第二缘板40的前端结构与第一缘板20的前端结构相同，其他设置尺寸也可以参考上述各个实施例中第一缘板20的设置。
在一些实施例中，第二缘板40包括自第二叶片30的尾缘沿远离第二叶片30的前缘的方向延伸的第二缘板后部，第二缘板后部包括在径向方向上远离第二叶片30的第二底面，第一缘板前部21包括在径向方向上远离第一叶片10的第一底面，第一底面和第二底面位于同一径向高度上，即第一底面和第二底面与压气机的转动轴线之间的距离相同。这样设置可以消除第一底面和第二底面之间的台阶差，增大主流进入容腔70内的困难，减少进入容腔70的气体，从而减小容腔泄漏，减小由台阶差带来的气动损失。
在一些实施例中，第一缘板20包括自第一叶片10的尾缘沿远离第一叶片10的前缘的方向延伸的第一缘板后部，第一缘板后部包括在径向方向上远离第一叶片10的第一底面，该第一底面与位于该第一叶片10下游的第二叶片30的第二底面位于同一径向高度上。这样设置可以提高后排容腔70内的气流倒流至前排容腔70的难度以及容腔70内部的气流流向主流道内的难度，减少附面层掺混，减小掺混损失。
下面对本发明压气机一个实施例的结构优化过程进行说明：
如图1所示，该压气机包括机匣50、转子轴60、多个第一叶片10和多个第二叶片30，第一叶片10和第二叶片30可以交替排列，其中第一叶片10为静子叶片，安装在机匣50上，第二叶片30为转子叶片，与转子轴60连接。
第一叶片10的靠近转子轴60的根部设有第一缘板20，第一缘板20与转子轴60的外筒壁之间通过篦齿进行封严。第二叶片30与转子轴60之间连接有第二缘板40。
以相邻的第一叶片10和第二叶片30为例，第一叶片10位于第二叶片30的下游，第一叶片10和第二叶片30之间具有预设距离，第一缘板20和第二缘板40之间具有预设距离。转子轴60、第一缘板20和第二缘板40之间形成具有开口的容腔70，该容腔70的开口处具有压力差，驱动容腔70内的流体流动。
如图2所示，在优化第一缘板20的第一顶面形状时，具体操作步骤包括：
首先，过第一叶片10的根部弦线沿径向纵切第一叶片10和第一缘板20，获得第一截面，第一截面包括第一叶片10的前缘点A和第一缘板20的远离第一叶片10的第一侧边线；过第二叶片30的根部弦线沿径向纵切第二叶片30和第二缘板40，获得第二截面，第二截面包括第二叶片30的尾缘点B；
然后，连接第二叶片30的尾缘点B和第一叶片10的前缘点A，获得直线AB；
以B点为圆心，顺时针旋转直线AB，旋转预设角度(5°～7°)后，直线AB与第一侧边线的交点为C点；
在第一侧边线的靠近第一叶片10的一侧作一条与第一侧边线平行的第一直线，第一直线与第一侧边线之间的轴向长度为L1，L1为第一叶片10的根部弦长的6％～10％，且第一直线与直线AB的交点为E点；
以C点、E点和直线AB为基准作圆，该圆过C点和E点，且与直线AB相切，得到第一曲面段在第一截面上形成的曲线(具体做法可以为：过E点作与直线AB垂直的第二直线，连接C点和E点并作过线段CE的中心点且与线段CE垂直的第三直线，第二直线与第三直线的交点为圆心，找到圆心后作出过C点和E点的圆弧，该圆弧即为第一曲面段在第一截面上形成的曲线)；
至此，便完成了第一缘板20的第一顶面的优化，其中圆弧CE为第一曲面段在第一截面上形成的曲线，线段EA为第一平面段在第一截面上形成的线段。
第二缘板40的第二顶面的优化方式与第一缘板20的第一顶面的优化方式相同，这里不再赘述。
如图3所示，为优化前的压气机结构示意图，该压气机包括多个第一叶片10'和多个第二叶片30'，第一叶片10'安装在机匣50'上，第二叶片30'安装在转子轴60'上，第一叶片10'的根部设有第一缘板20'，第二叶片30'和转子轴60'之间设有第二缘板40'，转子轴60'、第一缘板20'和第二缘板40'之间形成容腔70'。在优化之前，第一缘板20'的第一顶面和第二缘板40'的第二顶面均为倾斜向上的平直斜面，气流在从第二叶片30'的尾缘流向第一顶面时，会发生较大的气流扰动，容腔70'内的涡流较多，气流在径向上的流动掺混比较剧烈，掺混损失较大，容腔内的气流流动始终处于不稳定状态，气动损失大。
如图4所示，压气机的缘板结构优化之后，第一缘板20的第一顶面的前端为弧面段，后端为平面段。在弧面段的引流作用下，来自上游的气流更多地流向下游叶片，有效减少进入容腔70的气流量，而且容腔70内的气流流场更加稳定，显著降低气动损失，提高压气机的裕度。
通过对本发明压气机多个实施例的说明，可以看到本发明压气机中叶片缘板的前缘结构进行了优化，弥补了气动流道设计过程中的不足，符合气动性能的要求，且前后缘的型面之间考虑了流动过程中流体扩张的影响，尽量减小容腔内压差，降低容腔泄露损失。
在本发明各个实施例中，压气机可以为轴流压气机。
基于上述的压气机，本发明还提出一种航空发动机，该航空发动机包括上述的压气机。
上述各个实施例中压气机所具有的积极技术效果同样适用于航空发动机，这里不再赘述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，这些修改和等同替换均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (12)

1.一种压气机，其特征在于，包括：
第一叶片(10)；和
第一缘板(20)，连接于所述第一叶片(10)的根部；
其中，所述第一缘板(20)包括自所述第一叶片(10)的前缘沿远离所述第一叶片(10)的尾缘的方向延伸的第一缘板前部(21)，所述第一缘板前部(21)包括在径向方向上靠近所述第一叶片(10)的第一顶面，所述第一顶面包括远离所述第一叶片(10)的第一曲面段和靠近所述第一叶片(10)的第一平面段。
2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述第一曲面段包括弧形面。
3.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，还包括第二叶片(30)，所述第二叶片(30)与所述第一叶片(10)相邻布置且所述第二叶片(30)位于所述第一叶片(10)的上游，所述第一叶片(10)的前缘点A与所述第二叶片(30)的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过所述第一叶片(10)的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，所述第一曲面段被截成圆弧且所述圆弧与所述直线AB相切。
4.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，在靠近所述第一叶片(10)的方向上所述第一平面段逐渐远离所述压气机的转动轴线。
5.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，还包括第二叶片(30)，所述第二叶片(30)与所述第一叶片(10)相邻布置且所述第二叶片(30)位于所述第一叶片(10)的上游，所述第一叶片(10)的前缘点A与所述第二叶片(30)的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过所述第一叶片(10)的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，所述第一曲面段被截成的曲线的靠近所述第一平面段的端点E与所述第一叶片(10)的前缘点A连接形成的直线与所述第一平面段被截成的直线重合。
6.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述第一曲面段的轴向长度为所述第一叶片(10)的根部弦长的6％～10％。
7.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述第一平面段的轴向长度不小于所述第一叶片(10)的根部弦长的2％。
8.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，还包括第二叶片(30)，所述第二叶片(30)与所述第一叶片(10)相邻布置且所述第二叶片(30)位于所述第一叶片(10)的上游，所述第一叶片(10)的前缘点A与所述第二叶片(30)的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过所述第一叶片(10)的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，所述第一曲面段被截成的曲线的远离所述第一平面段的端点C与所述第二叶片(30)的尾缘点B之间的连线与所述直线AB之间的夹角为5°～7°。
9.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，还包括第二叶片(30)，所述第二叶片(30)与所述第一叶片(10)相邻布置且所述第二叶片(30)位于所述第一叶片(10)的上游，所述第一叶片(10)的前缘点A与所述第二叶片(30)的尾缘点B之间的连线为直线AB，在经过所述第一叶片(10)的根部弦线且沿径向方向剖切的截面上，所述第一缘板前部(21)的与所述第一顶面相邻且远离所述第一叶片(10)的第一侧面被截成的第一侧边线的延长线与所述直线AB相交于点D，所述第一曲面段被截成的曲线的远离所述第一平面段的端点C与所述点D之间的长度不小于所述第一叶片(10)的根部弦长的1.5％。
10.根据权利要求1～9任一项所述的压气机，其特征在于，还包括机匣(50)、转子轴(60)、第二叶片(30)和第二缘板(40)，所述第一叶片(10)与所述机匣(50)连接，所述第二缘板(40)与所述转子轴(60)连接，所述第二叶片(30)的根部与所述第二缘板(40)连接。
11.根据权利要求10所述的压气机，其特征在于，所述第二缘板(40)包括自所述第二叶片(30)的前缘沿远离所述第二叶片(30)的尾缘的方向延伸的第二缘板前部(41)，所述第二缘板前部(41)包括在径向方向上靠近所述第二叶片(30)的第二顶面，所述第二顶面包括远离所述第二叶片(30)的第二曲面段和靠近所述第二叶片(30)的第二平面段。
12.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1～11任一项所述的压气机。
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