一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機及其設計方法，屬于航空發(fā)動機壓氣機【技術領域】，其關鍵在于采用了擴張型子午流道，通過增加子午流道面積，減小轉(zhuǎn)子出口軸向速度對氣流做功，實現(xiàn)氣流減速增壓，在保證壓氣機負荷水平不變的前提有效減小葉片彎角。該發(fā)明可直接用于高性能航空發(fā)動機高壓壓氣機后面級，通過合理選擇子午流道擴張度以及葉片的彎角，降低轉(zhuǎn)子葉尖吸力面與壓力面之間的壓差，控制頂部間隙泄漏流動，有效減小壓氣機的間隙敏感性，從而增加壓氣機的性能。
【專利說明】一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機氣動布局，通過采用擴張型子午流道，減小轉(zhuǎn)子出口軸向速度實現(xiàn)氣流減速增壓，在保證負荷水平不變的前提下減小轉(zhuǎn)子葉片彎角，降低壓氣機轉(zhuǎn)子葉片壓力面與吸力面之間的壓差，改善壓氣機轉(zhuǎn)子葉尖間隙敏感性，有效提升壓氣機的性能和穩(wěn)定工作裕度，特別適用于高性能航空燃氣渦輪發(fā)動機高壓壓氣機后面級。
【背景技術】
[0002]葉頂間隙是為了避免旋轉(zhuǎn)葉片和機匣之間的刮磨而引入的，其大小通常為1%葉片高度。實際工作中，在轉(zhuǎn)子葉片頂部壓力面和吸力面之間壓差的作用下，部分頂部流體越過葉頂間隙形成泄漏流動，并且以間隙泄漏渦的形式存在于轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域，其對壓氣機的影響主要體現(xiàn)為泄漏損失和堵塞，前者會降低壓氣機效率，后者會降低壓氣機的壓升能力和穩(wěn)定工作范圍。
[0003]現(xiàn)代先進航空發(fā)動機對高推重比的軍事需求要求軸流壓氣機總壓比不斷提高且級數(shù)(或葉片數(shù))不斷減少，這就導致軸流壓氣機的級負荷越來越高，葉尖泄漏更嚴重。對于航空發(fā)動機高壓壓氣機后面級以及尺寸相對較小的中小型航空發(fā)動機而言，其后面級的葉片通道和高度小，高壓壓氣機后幾級的葉高有的已縮短到15?30mm，葉片相對徑向間隙大，這樣葉尖間隙造成的損失變得更加顯著，壓氣機對葉尖間隙的敏感性逐步增強，葉頂間隙導致的損失所占的比例越來越高，從而造成壓氣機效率急劇下降，發(fā)動機耗油率升高，穩(wěn)定工作邊界范圍變窄。
[0004]頂部間隙泄漏流動是轉(zhuǎn)子葉片頂部壓力面和吸力面之間的壓差導致的，壓差大小直接決定了葉頂間隙泄漏渦的位置、方向和影響范圍，因此，從氣動的觀點來看，減小葉片壓力面和吸力面之間的壓差，對轉(zhuǎn)子葉頂卸載能夠降低壓氣機間隙敏感。為了減低壓氣機間隙敏感性，提升壓氣機性能，設計者們發(fā)展了一系列調(diào)控壓氣機頂部間隙泄漏流動的措施，如采用掠型設計對轉(zhuǎn)子頂部進行卸載，降低葉片壓力面和吸力面之間的壓差，抑制頂部間隙泄漏流動，從而降低壓氣機的間隙敏感性；再比如在轉(zhuǎn)子葉頂機匣上加工一定數(shù)目的周向槽或者軸向槽，利用處理機匣的抽吸作用對轉(zhuǎn)子葉頂進行卸載，或者將頂部間隙泄漏流動造成的阻塞抽吸進入處理槽，從而降低壓氣機間隙敏感性；然而轉(zhuǎn)子葉片三維彎掠設計和處理機匣結構的引入增加了壓氣機結構復雜性、重量及加工制造成本，尤其是處理機匣結構的引入在提升壓氣機裕度的同時會在一定程度上降低壓氣機的效率。因此，亟需尋求一種能夠有效降低壓氣機間隙敏感性且不增加壓氣機結構復雜性和加工制成成本的新型壓氣機結構布局。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術的上述缺點和不足，為有效降低軸流壓氣機葉頂間隙敏感性且不增加壓氣機結構復雜性和加工制造成本，本發(fā)明提出了通過合理選擇壓氣機子午流道擴張度和葉片彎角來降低壓氣機的間隙敏感性的新型壓氣機氣動布局。
[0006]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機，包括壓氣機轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣，適用于高性能航空發(fā)動機高壓壓氣機后面級，其特征在于，由所述壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣組成的子午流道沿氣流流動方向是線性擴張的，所述壓氣機外機匣和壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤之間的擴張角Θ為3°?5°，壓氣機氣流出口面積Aout大于氣流進口面積Ain，通過減小轉(zhuǎn)子出口軸向速度來實現(xiàn)對氣流的做功，實現(xiàn)氣流的減速增壓。每個壓氣機葉片的進口葉片角β I和出口葉片角β 2基本相同，。所述子午流道內(nèi)沿周向均布有若干壓氣機轉(zhuǎn)子葉片，相鄰壓氣機轉(zhuǎn)子葉片組成的葉柵通道呈等面積分布。
[0007]優(yōu)選的，壓氣機出口面積Aout是進口面積Ain的1.5?3.0倍，使得所述壓氣機出口軸向速度Va2遠低于壓氣機進口軸向速度Val，通過減小轉(zhuǎn)子出口軸向速度來實現(xiàn)對氣流的做功，實現(xiàn)氣流的減速增壓。
[0008]優(yōu)選的，本發(fā)明所述壓氣機葉片進口葉片角β I和出口葉片角β2基本相同，葉片彎角較小，相鄰壓氣機轉(zhuǎn)子葉片組成的葉柵通道呈等面積分布，有效降低了轉(zhuǎn)子葉片吸力面和壓力面之間的壓差，減小頂部間隙泄漏流動。
[0009]優(yōu)選的，本發(fā)明所述壓氣機葉片的稠度c/s為1.5?3，所述壓氣機葉片的展弦比h/c為0.3?0.8，以兼顧壓氣機的效率和穩(wěn)定工作裕度。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種具有擴張子午流道的軸流壓氣機的設計方法，其特征在于，將壓氣機轉(zhuǎn)子出口面積設置為大于壓氣機轉(zhuǎn)子進口面積，將壓氣機轉(zhuǎn)子葉片的進出口彎角設置為基本相同，相鄰壓氣機轉(zhuǎn)子葉片組成的葉柵通道呈等面積分布，在保證壓氣機負荷系數(shù)不變的前提下，選定壓氣機轉(zhuǎn)子進出口面積比和轉(zhuǎn)子葉片進出口彎角，兼顧壓氣機的穩(wěn)定工作裕度和效率，選定轉(zhuǎn)子葉片的稠度C/s和展弦比h/c。
[0011]與傳統(tǒng)壓氣機通過增加轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)折角，相鄰葉片之間形成擴張型流道實現(xiàn)增壓不同，本發(fā)明的具有擴張子午通道的軸流壓氣機通過增加子午流道面積實現(xiàn)氣流減速增壓，通過減小葉片彎角繼而減小葉片吸力面和壓力面之間壓差來抑制葉頂間隙泄漏流動，降低壓氣機間隙敏感性；或者在保證壓氣機葉片彎角基本不變的前提下提高壓氣機的做功能力，增加壓氣機級負荷，減小壓氣機級數(shù)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1 (a)為傳統(tǒng)軸流壓氣機子午流道結構示意圖，圖1 (b)為轉(zhuǎn)子進出口速度三角形示意圖。
[0013]圖2 Ca)為本發(fā)明的具有擴張型子午流道軸流壓氣機的子午流道結構示意圖，圖2 (b)為轉(zhuǎn)子進出口速度三角形示意圖。
[0014]標號說明:壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤1、壓氣機轉(zhuǎn)子葉片2、壓氣機外機匣3。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0016]圖1 (a)、(b)為傳統(tǒng)軸流壓氣機子午流道及轉(zhuǎn)子進出口速度三角形示意圖。壓氣機包括壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤1、壓氣機轉(zhuǎn)子葉片2和壓氣機外機匣3，壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤I和壓氣機外機匣3組成壓氣機轉(zhuǎn)子的子午流道?？梢钥闯?，傳統(tǒng)軸流壓氣機設計中通常沿著氣流流動方向收縮子午流道以保證軸向速度不變，相鄰葉片之間形成擴張型流道來實現(xiàn)氣流的減速增壓。隨著壓氣機級負荷的增加，葉片彎角增大，這一方面會導致葉片吸力面容易出現(xiàn)流動分離，限制了級負荷進一步提升；另一方面，增加了壓氣機轉(zhuǎn)子葉片壓力面和吸力面之間的壓差，加劇了轉(zhuǎn)子葉頂間隙泄漏流動，對壓氣機的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
[0017]如圖2所示，本發(fā)明的用于高性能航發(fā)動機高壓壓氣機的后面級由壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤1、壓氣機轉(zhuǎn)子葉片2、壓氣機外機匣3組成，所述壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤I和壓氣機外機匣3組成的子午流道沿氣流流動方向是擴張的，所述壓氣機外機匣3和轉(zhuǎn)子輪盤I的擴張角Θ為3°?5°，壓氣機出口面積Aout是進口面積Ain的1.5?3.0倍，所述壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進口葉片角β I和出口葉片角β 2基本相同，葉片彎角較小，壓氣機相鄰葉片組成的葉柵通道呈等面積分布，所述壓氣機葉片的稠度c/s為1.5?3，所述壓氣機葉片的展弦比h/c為
0.3?0.8，以兼顧壓氣機的效率和裕度。設計中保證負荷系數(shù)相同的情況下對進出口面積比及葉片彎角大小進行優(yōu)化，保證壓氣機出口軸向速度Va2遠低于壓氣機進口軸向速度Val。壓氣機工作時，壓氣機轉(zhuǎn)子相鄰葉片形成沿氣流流動方向面積不變通道，葉片吸力面局部加速能力以及軸向速度的降低使得葉片吸力面與壓力面之間的速度差減小，壓力面與吸力面之間的壓差減小，顯著減小頂部間隙泄漏流動，降低了壓氣機間隙敏感性。
[0018]綜上所述，本發(fā)明通過減小通過轉(zhuǎn)子葉片的軸向速度來實現(xiàn)對氣流的做功，實現(xiàn)氣流的減速增壓，相比于傳統(tǒng)的壓氣機設計，氣流彎角較小，葉片吸力面局部加速能力以及軸向速度的降低使得葉片吸力面與壓力面之間的速度差減小壓力面與吸力面之間的壓差減小，顯著減小頂部間隙泄漏流動。另一方面，通過減小轉(zhuǎn)子葉片的軸向速度來實現(xiàn)對氣流的做功能夠使葉片彎角的減小，有利于進一步提聞壓氣機的級負荷，減少壓氣機級數(shù)。
[0019]此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種具有擴張型子午流道的軸流壓氣機，包括壓氣機轉(zhuǎn)子葉片、壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣，適用于高性能航空發(fā)動機高壓壓氣機后面級，其特征在于，由所述壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣組成的子午流道沿氣流流動方向是擴張的，所述壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣的擴張角Θ為3°?5°，壓氣機氣流出口面積Aout大于氣流進口面積Ain，通過減小轉(zhuǎn)子出口軸向速度來實現(xiàn)對氣流減速增壓；所述壓氣機轉(zhuǎn)子葉片進口葉片角β I和出口葉片角β 2基本相同；所述子午流道內(nèi)沿周向均布有若干壓氣機轉(zhuǎn)子葉片，相鄰壓氣機轉(zhuǎn)子葉片組成的葉柵通道呈等面積分布。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有擴張型子午流道的軸流壓氣機，其特征是:所述壓氣機出口面積Aout是進口面積Ain的1.5?3.0倍。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的具有擴張型子午流道的軸流壓氣機，其特征是:所述壓氣機出口軸向速度Va2遠低于壓氣機進口軸向速度Val。
4.根據(jù)權利要求1至3所述的具有擴張型子午流道的軸流壓氣機，其特征是:所述壓氣機葉片的稠度C/S為1.5?3，所述壓氣機葉片的展弦比h/c為0.3?0.8。
5.一種具有擴張子午流道的軸流壓氣機的設計方法，其特征在于，由壓氣機轉(zhuǎn)子輪盤和壓氣機外機匣組成的子午流道沿氣流流動方向是擴張的，將壓氣機轉(zhuǎn)子出口面積設置為大于壓氣機轉(zhuǎn)子進口面積，將壓氣機轉(zhuǎn)子葉片的進出口彎角設置為基本相同，相鄰壓氣機轉(zhuǎn)子葉片組成的葉柵通道呈等面積分布，在保證壓氣機負荷系數(shù)不變的前提下，選定壓氣機轉(zhuǎn)子進出口面積比和轉(zhuǎn)子葉片進出口彎角，兼顧壓氣機的裕度和效率，選定稠度C/S和展弦比h/c。
【文檔編號】F04D29/38GK104074799SQ201310575261
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年11月17日 優(yōu)先權日:2013年11月17日
【發(fā)明者】盧新根, 張燕峰, 趙勝豐, 朱俊強 申請人:中國科學院工程熱物理研究所