一种改善压气机气动稳定性的叶栅气动布局

摘要

一种改善压气机气动稳定性的叶栅气动布局，同一叶片排中每相邻的三个叶片为一个叶片组，并以第一个叶片(1)的前缘轴向位置为基准，与其相邻的第二个叶片(2)前缘位置相对定位基准沿叶栅的轴向向后移动第一个叶片(1)轴向弦长L的7％～15％；与第二个叶片(2)相邻的第三个叶片(3)前缘与第二个叶片(2)前缘在叶栅轴线方向处于相同的位置，且第三个叶片(3)与第二个叶片(2)采用相同的叶片；同一叶片排的其它叶片组则按此方式排布。本发明在一个叶片排中形成三个互不相同的气流通道，气流的流动具有不同于现有技术的独有特征，可以更好地改善压气机的气动稳定性，并具有增大叶片气动负荷以及减少流动损失能力。

说明书

一、技术领域

本发明涉及轴流叶轮机械领域，是一种改善压气机气动稳定性的叶栅气动布局。

二、背景技术

现代高推重比航空燃气涡轮发动机要求压气机级数少、气动稳定性高，然而，对现有技术的压气机气动设计来说，减少压气机级数、提高叶片气动负荷的同时，常常引起压气机的气动稳定性降低。为此，人们在气动设计和结构设计上采取了各种方法来提高压气机的气动稳定性。现有常规的轴流压气机叶片采用完全轴对称的、均匀布局的设计方案，当进口气流攻角较大时，每个叶片叶背表面的气流附面层会同时发生分离，严重时导致旋转失速甚至喘振，并最终可能造成结构损坏。在压气机设计中，应尽可能增加压气机的稳定裕度，以避免压气机工作在这种不稳定的状态。但对现有的对称均匀叶栅，所能挖掘的潜力很受局限。

在公告号为CN1955492的中国发明专利中公开了一种压气机叶栅的气动布局方案，通过叶片排中两个相邻叶片前缘在压气机轴向的位置交错排列(移动距离为叶片轴向弦长的5％～15％)，当轴向位置在前的叶片(叶片1)工作在大的进口正攻角状态时，由于叶片1的叶盆表面对流入气流的限制与导向作用，前缘轴向位置向后移动的叶片(叶片2)的进口气流攻角减小，从而使叶片2的流动得到改善，提高压气机的气动稳定性。然而，由于相邻叶栅通道的相互影响，减弱了这种叶栅结构增加气动稳定性的效果。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的增加叶栅气动稳定性效果不佳的缺陷，本发明提出了一种改善压气机气动稳定性的叶栅布局。

本发明所采取的技术方案是将沿叶栅切向，即X方向排列的同一叶片排中的各叶片前缘按叶栅的轴向，即Z方向位置的前后不同排布。排布时，同一叶片排中每相邻的三个叶片为一个叶片组，即，以第一个叶片的前缘轴向位置为轴向的定位基准，与其相邻的第二个叶片前缘位置相对于第一个叶片沿叶栅的轴向后移，所移动的距离为第一个叶片轴向弦长L的7％～15％；与第二个叶片相邻的第三个叶片的前缘与第二个叶片的前缘在叶栅轴线方向处于相同的位置，且第三个叶片与第二个叶片采用相同的叶片。同一叶片排的其它叶片组则按此方式排布。

在一个叶片组中，三个叶片按照两种不同的轴向位置依次排列，构成了三种不同形式的叶栅气流通道，即第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成叶栅气流通道A，第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道B，第三个叶片的叶背与相邻的另一组的第一个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道C。

一般来说，构成同一气流通道的叶片叶盆及叶背两个表面的相对轴向位置不同，对流动的影响不同。如两表面的轴向相对位置相同时，就是现有技术中常规的叶片均匀对称排布叶栅所对应的气流通道。相比均匀对称叶栅，叶盆表面相对轴向位置在前面的，构成该通道的叶盆表面对气流产生作用的位置提前以及作用加强，通道中的流动条件将得到改善；相反，叶盆表面相对轴向位置在后面的，构成该通道的叶盆表面对气流产生作用的位置退后且作用减弱，通道中的流动条件将恶化。

本发明的压气机叶栅区别于现有技术的显著特征是：叶栅由顺序排列的叶片组构成，每个叶片组由三个叶片构成，三个叶片中的第一个叶片、第二个叶片和第三个叶片沿叶栅的切向依次排列，第二个叶片和第三个叶片的前缘相对于第一个叶片前缘沿轴向后移相同的一段距离，而且第二个叶片与第三个叶片为相同的叶片，从而形成了特有的叶栅中叶片的排列方式，并构成了三个互不相同的、具有独特结构的气流通道，气流在三个不同通道中的流动特性有别于现有技术，使气动稳定性得到改善。

与两个叶片一组交错排列的叶栅(公告号为CN1955492的中国发明专利)相比，本发明叶栅的气流通道A和通道C分别与两个叶片一组交错排列叶栅中的通道A和通道B类似，而本发明的通道B则与均匀对称叶栅的通道相类似。当叶栅工作在大的进口气流攻角状态时，对于两个叶片一组交错排列的叶栅，通道A的流动将恶化，而通道B的流动则会得到改善，利用通道B来抑制通道A中分离区在叶栅切向的传播，这是其提高气动稳定性的基本思路，但由于通道A与通道B是彼此相邻的，恶化的通道A中的流动必然会影响到相邻的通道B中的流动，从而减弱了其提高稳定性的效果。对于本发明的叶栅来说，通道A的流动将恶化，通道C的流动会得到改善，仍然是利用改善后的通道C中的流动来阻止分离区沿叶栅切向的传播。与现有技术不同的是，本发明叶栅的通道A和通道C之间还存在一个通道B，而通道B的流动与均匀对称的叶栅类似，这样一来，通道B起到了一种隔离的作用，使得通道A无法直接影响通道C中的流动，增强了改善稳定性的效果。

对本发明的叶栅及两个叶片一组交错排列叶栅(公告号为CN1955492的中国发明专利)进行了流场计算的对比研究，其中本发明的叶片组中第一个叶片与两个叶片一组交错排列叶栅的叶片1相同，本发明的叶片组中第二个和第三个叶片与两个叶片一组交错排列叶栅的叶片2相同，叶片切向间距相同，后移叶片的移动距离相同。计算的结果表明，本发明叶栅的气流转折角均大于两个叶片一组交错排列叶栅的气流转折角，尤其是在小攻角范围内，本发明叶栅不仅气流转折角增大0.5°左右，而且流动损失减小。

因此，与公告号为CN1955492的中国发明专利相比，采用本发明的叶栅布局型式，不仅可以使叶栅气动稳定性改善的效果得到增强，而且还获得了气动负荷增加、流动损失降低的附加效果。

四、附图说明

附图1是本发明的叶栅布局方案。

附图中：

1-第一个叶片  2-第二个叶片  3-第三个叶片

A-第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道

B-第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道

C-第三个叶片的叶背与相邻叶片组的第一个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道

L-第一个叶片的轴向弦长  X-叶栅切向方向坐标  Z-叶栅轴向方向坐标

五、具体实施方式

实施例一

本实施例将沿叶栅切向，即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向，即Z方向位置的前后不同排布。其中叶片2的前缘相对于叶片1的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离，移动的距离为叶片1轴向弦长L的10％；叶片3采用与叶片2相同的叶型，且其前缘沿叶栅轴线方向后移距离同叶片2的后移距离，即移动的距离为叶片1轴向弦长L的10％。

所述各叶片叶型设计弯角均为41°，本实施例的叶栅与两个叶片一组交错排列的叶栅均按照同样进、出口条件进行流场数值优化设计，叶栅流场数值仿真计算的结果表明，本发明叶栅的流动损失低于两个叶片一组交错排列的叶栅，且气流转折角比两个叶片一组交错排列的叶栅增大约0.5°。

实施例二

本实施例将沿叶栅切向，即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向，即Z方向位置的前后不同排布。其中叶片2的前缘相对于叶片1的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离，移动的距离为叶片1轴向弦长L的7％；叶片3采用与叶片2相同的叶型，且其前缘沿叶栅轴线方向后移距离同叶片2的后移距离，即移动的距离为叶片1轴向弦长L的7％。

实施例三

本实施例将沿叶栅切向，即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向，即Z方向位置的前后不同排布。其中叶片2的前缘相对于叶片1的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离，移动的距离为叶片1轴向弦长L的15％；叶片3采用与叶片2相同的叶型，且其前缘沿叶栅轴线方向后移距离同叶片2的后移距离，即移动的距离为叶片1轴向弦长L的15％。

实施例四

本实施例将沿叶栅切向，即X方向的同一排叶片的前缘按叶栅轴向，即Z方向位置的前后不同排布。其中叶片2的前缘相对于叶片1的前缘沿叶栅轴线方向后移一段距离，移动的距离为叶片1轴向弦长L的12％；叶片3采用与叶片2相同的叶型，且其前缘沿叶栅轴线方向后移距离同叶片2的后移距离，即移动的距离为叶片1轴向弦长L的12％。