一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局的製作方法

2023-07-30 16:32:26 1

專利名稱：一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局的製作方法
技術領域：
本發明涉及軸流式葉輪機械領域，是一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局。
背景技術：
提高軸流壓氣機氣動負荷是現代高推重比航空燃氣渦輪發動機對壓氣機的要求。 但是，一般來說，在提高壓氣機葉片氣動負荷的同時，常常引起壓氣機的氣動穩定性降低。 為此，人們已經在氣動設計和結構設計上採取了許多措施來提高壓氣機的氣動穩定性。現有常規的軸流壓氣機葉片採用完全軸對稱的、均勻布局的設計方案，當進口氣流攻角較大 時，每個葉片葉背表面的氣流附面層會同時發生分離，嚴重時導致旋轉失速甚至喘振，並最 終可能造成結構損壞。在壓氣機氣動設計中，應儘可能提高壓氣機的穩定裕度，以避免壓氣 機工作在這種不穩定的狀態。但對現有的對稱均勻葉柵來說，所能挖掘的潛力很受局限。在公告號為CN1955492的中國發明專利中公開了一種壓氣機葉柵的氣動布局方 案，通過葉片排中的兩個相鄰葉片的前緣在壓氣機軸向的位置交錯排列(移動距離為葉片 軸向弦長的5% 15%)，當位置在前的葉片(葉片1)工作在大的進口正攻角狀態時，由於 葉片1的葉盆表面對流入氣流的限制與導向作用，前緣軸向位置向後移動的葉片(葉片2) 的進口氣流攻角減小，從而使葉片2的流動得到改善，提高壓氣機的氣動穩定性。現有技術的葉柵在葉片彎度不變的條件下，只有通過增大葉柵稠度的方法來提高 氣流的轉折角，即加大葉柵的氣動負荷。但是，當稠度增大到一定值後，對設計點小攻角狀 態下轉折角的提高效果很有限，且將引起流動損失明顯上升。

發明內容
為克服現有技術中存在的壓氣機葉柵小攻角狀態下氣流轉折角難以有效提高的 不足，本發明提出了一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局。本發明所採取的技術方案是將沿葉柵切向，即X方向排列的同一葉片排中的各葉 片前緣按葉柵的軸向，即Z方向位置的前後不同排布。排布時，同一葉片排中每相鄰的三個 葉片為一個葉片組，在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸向的定位基準，與 其相鄰的第二個葉片位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置相對於定位基準沿葉柵 的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的7% 15%;與第二個 葉片相鄰的第三個葉片位於第二個葉片的葉背表面一側，其前緣相對於第二個葉片的前緣 沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的5% 15%;第三 個葉片繞其前緣旋轉1°到4°，旋轉方向是由葉片的葉背指向葉盆；同一葉片排的其它葉 片組則按此方式排布。在一個葉片組中，由於三個葉片前緣的軸向位置不同，它們依次排列後所構成的 葉柵氣流通道為三種不同的形式，即第一個葉片的葉背與第二個葉片的葉盆構成葉柵氣流 通道A，第二個葉片的葉背與第三個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道B，第三個葉片的葉背 與相鄰的另一組的第一個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道C。
一般來說，構成同一氣流通道的葉片葉盆及葉背兩個表面的相對軸向位置不同， 對流動的影響不同。如兩表面的軸向相對位置相同時，就是現有技術中常規的葉片均勻對 稱排布葉柵所對應的氣流通道。相比均勻對稱葉柵，葉盆表面相對軸向位置在前面的，構成 該通道的葉盆表面對氣流產生作用的位置提前以及作用加強，通道中的流動條件將得到改 善；相反，葉盆表面相對軸向位置在後面的，構成該通道的葉盆表面對氣流產生作用的位置 退後且作用減弱，通道中的流動條件將惡化。與兩個葉片一組交錯排列的葉柵(公告號為CN1955492的中國發明專利)相比， 本發明葉柵的氣流通道A和通道B分別與兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通道A相似，而 本發明的通道C則與兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通道B相似。當葉柵工作在大的進 口 氣流攻角狀態時，對於兩個葉片一組交錯排列的葉柵，通道A的流動將惡化，而通道B的流 動則會得到改善，利用通道B來抑制通道A中分離區在葉柵切向的傳播，這是其提高氣動穩 定性的基本思路。但由於通道A與通道B是彼此相鄰的，惡化的通道A中的流動必然會影響 到相鄰的通道B中的流動，從而將減弱其提高穩定性的效果。對於本發明的葉柵來說，通道 A的流動將惡化，且通道B的流動也會惡化，但由於第三個葉片繞其前緣向著第二個葉片方 向旋轉了一個角度，使得通道B的擴張程度有所降低，因而會使流動惡化的程度有所緩解， 而且，葉片旋轉一個角度後也使得氣流流過葉柵的轉折角增大。本發明的葉柵通道C的流 動就如同兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通道B的流動，會得到改善，而且由於第三個葉 片相對於第一個葉片後移的距離更大，且該通道是與流動惡化程度減弱的通道B相鄰，來 自於通道B的不良影響也相應降低，所以通道C中流動改善程度將超過兩個葉片一組交錯 排列葉柵中的通道B，更容易阻止通道A和通道B的分離區沿葉柵切向的傳播，使得氣動穩 定性改善的效果不僅沒有降低，還可能增強其效果。當葉柵進口氣流攻角為零度左右的小攻角狀態時，為了提高葉柵的氣動負荷即氣 流轉折角，在葉片彎度不變的前提下，通常需要增大葉柵的稠度。但對於常規均勻對稱葉柵 和兩個葉片一組交錯排列葉柵來說，葉柵稠度增大到一定程度以後，再增加稠度對提高小 攻角狀態下的氣流轉折角幾乎沒有效果，同時，由於氣流堵塞而使流動損失明顯增大，這是 現有技術難以解決的問題。對於本發明的葉柵布局構型，因為一個葉片組中有兩個葉片軸 向位置後移，使得葉柵稠度較大的條件下進口氣流堵塞減輕，而且第三個葉片繞其前緣向 著增大轉折角的方向旋轉了一定的角度，改變了葉片的安裝角，使氣流流過葉柵的轉折角 增大，氣動負荷得以提高。對本發明的葉柵、常規均勻對稱葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵進行了流場計 算和葉柵風洞吹風實驗的對比研究，三種葉柵的氣動設計條件相同，葉片的彎角也相同，其 中本發明的葉片組中第一個葉片與兩個葉片一組交錯排列葉柵的葉片相同，本發明的葉片 組中第二個和第三個葉片與兩個葉片一組交錯排列葉柵的葉片相同。計算的結果表明，本 發明葉柵的氣流轉折角比常規均勻對稱葉柵和兩個葉片一組交錯排列葉柵的氣流轉折角 增大了 1° 2°，尤其是在小攻角範圍內，本發明葉柵不僅氣流轉折角增大，而且流動損 失減小。對稠度增大後的常規均勻對稱葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵的流場計算研 究結果表明，雖然稠度增大後使得常規均勻對稱葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵在大攻 角狀態下的氣流轉折角加大，但在小攻角狀態下，常規均勻對稱葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵的流動損失明顯上升，而其氣流轉折角增加卻不明顯，仍然低於更低稠度的本發 明葉柵的氣流轉折角。本發明在葉片彎度不變以及葉柵氣動穩定性不降低並有可能得到改善的條件下，使葉柵的氣流轉折角增大、氣動負荷增加、流動損失降低。採用本發明葉柵布局的壓氣機， 可以選取零攻角甚至負攻角作為其氣動設計點的攻角，這樣，不僅可以依靠本發明的葉柵 氣動布局構型獲得設計點附近的較高氣動負荷及較高的效率，而且設計點攻角更小也意味 著壓氣機的失速裕度更大。
四

附圖1是本發明的葉柵布局方案。附圖中1-第一個葉片2-第二個葉片3-第三個葉片A-第一個葉片的葉背與第二個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道B-第二個葉片的葉背與第三個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道C-第三個葉片的葉背與相鄰葉片組的第一個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道L-第一個葉片的軸向弦長X-葉柵切向方向坐標Z-葉柵軸向方向坐標
五具體實施例方式實施例一本實施例中葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉 柵軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置 為軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位 置相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦 長L的11% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其 前緣相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉 片1軸向弦長L的7. 5% ；且第三個葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉2°， 即葉片3以軸向定義的進口和出口幾何角比葉片2分別減小了 2°。所述各葉片葉型設計彎角均為41°，本實施例的葉柵與常規均勻葉柵和兩個葉片 一組交錯排列的葉柵均按照同樣進、出口條件進行流場數值優化設計，葉柵流場數值仿真 計算的結果表明，彼此之間損失基本相當，本實施例葉柵的氣流轉折角比常規均勻葉柵增 大約1.5°，比兩個葉片一組交錯排列的葉柵增大約2.0° ；相應的葉柵吹風實驗結果為，本 實施例的葉柵損失低於常規均勻葉柵和兩個葉片一組交錯排列的葉柵，而氣流轉折角比常 規均勻葉柵增大約1°，比兩個葉片一組交錯排列的葉柵增大2°以上。當常規均勻對稱葉柵和兩個葉片一組交錯排列葉柵的稠度增大後，流場計算結果 顯示，在小攻角狀態下，其流動損失高於本發明的葉柵，且其氣流轉折角仍低於本發明葉柵 約1.0°左右。實施例二本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的 % ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的15% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉2°。
實施例三本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為 軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的7% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的5% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉2°。實施例四本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為 軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的7% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的15% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉2°。實施例五本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為 軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的15%;與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的15% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉4°。實施例六本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為 軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的12%;與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的13% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉3°。實施例七本實施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵軸向，即Z方向位置的前後不同排布。對於每個葉片組，以第一個葉片1的前緣軸向位置為軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片2位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置 相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長 L的8% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位於第二個葉片2的葉背表面一側，其前緣 相對於第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向後移一段距離，所移動的距離為第一個葉片1 軸向弦長L的 % ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉1°。
權利要求
一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局，包括由葉片組成的葉片排，並且同一葉片排中的各葉片前緣按葉柵的軸向，即Z方向位置的前後不同排布，由相鄰葉片的葉盆和葉背構成葉柵氣流通道，其特徵在於，同一葉片排中每相鄰的三個葉片為一個葉片組；在同一葉片組中，以第一個葉片(1)的前緣軸向位置為軸向的定位基準，與其相鄰的第二個葉片(2)位於第一個葉片(1)的葉背表面一側，其前緣位置相對於定位基準沿葉柵的軸向向後移動，所移動的距離為第一個葉片(1)軸向弦長L的7％～15％；與第二個葉片(2)相鄰的第三個葉片(3)位於第二個葉片(2)的葉背表面一側，其前緣相對於第二個葉片(2)的前緣沿葉柵軸線方向後移，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的5％～15％；第三個葉片(3)繞其前緣旋轉1°～4°；同一葉片排的其它葉片組則按此方式排布。
2.如權利要求1所述一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局，其特徵在於，第三個 葉片(3)的旋轉方向是由葉片的葉背指向葉盆。
全文摘要
一種提高葉片氣動負荷的壓氣機葉柵布局，同一葉片排中每相鄰的三個葉片為一組，以第一個葉片(1)的前緣軸向位置為定位基準，與其相鄰的第二個葉片(2)位於第一個葉片的葉背表面一側，其前緣位置沿葉柵的軸向後移，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的7％～15％；與第二個葉片相鄰的第三個葉片(3)位於第二個葉片的葉背表面一側，其前緣相對於第二個葉片的前緣沿葉柵軸向後移，移動距離為第一個葉片軸向弦長的5％～15％；第三個葉片繞其前緣旋轉1°～4°。本發明在一個葉片排中形成三個互不相同的氣流通道，氣流流動具有不同於現有技術的獨有特徵，在葉片設計彎度不變的條件下可以有效提高葉片的氣動負荷，並使壓氣機氣動穩定性有所改善。
文檔編號F04D29/34GK101846099SQ20091002166
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月24日 優先權日2009年3月24日
發明者劉前智, 廖明夫, 楊伸記, 王儼剴, 王四季 申請人:西北工業大學