专利名称：一种轴流压气机单排叶片定制裕度的方法
技术领域：
本发明涉及轴流压气机叶片的设计方法，特别是涉及一种使轴流压气机叶片具有给定裕度性能的方法。
背景技术：
公知的轴流压气机是航空、航天、航海、能源、化工等领域广泛应用的重要部件，如图1所示，其由轮毂1、机匣2及其所包容的相隔一段距离的多个叶片排构成，其中叶片包括绕轴转动的转叶3和固定在机匣2上的静叶4。如图2所示，所有叶片均由基元叶栅5沿重心积叠线6展向积叠而成，叶栅最前部和最后部通过积叠形成叶片前缘7和尾缘8，如图1、2所示，工质气体经由上述含有转、静叶的通道后压强获得提升。实用的轴流压气机应该在满足结构强度等特定要求的情况下，具有能源利用效率高、工作裕度大的性能特点，尤其高裕度特性意味着轴流压气机能够在宽广的范围内工作。为了实现这一点，自从发明轴流压气机以来，人们努力探索各种技术。后掠、前掠要、复合掠技术被先后发现并尝试应用，如专利1GEPatent No.5167489(1992)，“Forward Swept Rotor Blade”.和专利2PW PatentNo.5642985(1995)“Swept Turbomachinery Blade”.以及专利3RR Patent No.6071077(1998)“Swept Fan Blade”中公开的技术，但一方面上述专利更多强调效率而很少涉及裕度，另一方面，单独以前缘掠角分布规律限定的掠叶片很难全面。
因此，本领域中就需要一种能根据裕度目标设计出满足要求的压气机的方法。
发明内容
本发明目的在于克服现有轴流压气机设计过程中对裕度性能控制的盲目性，基于对轴流压气机裕度影响因素的认识，通过对基元性能进行全工况范围内的适当展向匹配实现给定裕度要求，其间可进行满足结构强度条件的折衷，从而提供一种轴流压气机单排叶片定制裕度设计方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下一种轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，包括如下步骤
1)把压气机叶片看成是展向匹配的无限多个无限小展高的小压气机，每个小压气机都有相应的流量—负荷特性线，如图3中的曲线9a、9b、9c所示；最大流量状态对应近堵塞工况线11(图3中是虚线11)上的点，在图3中每一条流量—负荷特性线的右端，用空心圆圈表示；最小流量状态对应近失速工况线12(图3中是虚线12)上的，在图3中每一条流量—负荷特性线的左端，用实心圆圈表示；某中间流量点对应设计工况线10(图3中是实线10)，在图3中用每一条流量—负荷特性线上的实心矩形框表示；根据已知技术，各基元特性线由准三维定常流动模式计算获得；或者由三维流场计算结果中最先发生附面层分离的展向位置分布来替代各基元特性线的单独计算；2)取压气机叶片根、中、尖三个截面或更多截面的流量—负荷特性绘于同一图中，根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，确定图3中所示各截面流量—负荷特性线上设计点的位置，另示于图4，即图4中曲线13所示；3)对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置，如图4曲线15上的点；4)如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤5)；5)如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，首先看是哪个/些截面裕度不足，然后采用相应措施使这个/些截面裕度满足要求，例如图4中尖部截面先达失速边界，裕度不够。措施包括向前、向旋转方向移动这个/些截面以及修改这个/些截面叶型形状以使这个/些截面气动负荷重心后移；所述气动负荷重心是指过叶型压差最大处，如图5所示；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；7)重复第4)-第6)步骤直至裕度满足要求为止。
在上述技术方案中，还以图4所示进行说明，为了实现扩稳目标，将尖部截面实施轴向前移和周向旋转方向平移，以及修改尖区叶型使其负荷重心后移；最有益的情形是，叶片各截面同时达到图3中曲线12所示近失速点，而此时整个叶片裕度又恰好满足要求，这是一种无裕度浪费的设计。具有其它特殊要求时，如结构强度，那么可以适当浪费一些截面上的裕度。
本发明提供的方法最终体现为叶片前缘、重心位置连线、尾缘处几何掠角(见图6说明)具有一定分布规律，因此，积累这些经验规律对于应用好这一专利技术具有重要作用。本发明虽然针对轴流压气机提出，但可扩展应用于混流式和离心式压气机。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明由影响风扇/压气机单排叶片裕度的物理本质出发实现裕度定制，具有贴近工程实际、便于工程设计人员直观理解、易于应用且非常有效的优势，相较于现有技术中关于实现裕度目标的盲目状态具有显著进步。
图1表示轴流压气机结构子午视图，压气机由轮毂1、机匣2、转叶3、静叶4组成，转静叶片有前后缘线7和8；图2表示轴流压气机叶片结构立体视图，压气机叶片由叶片基元5沿重心积叠线6积叠而成，叶片基元前部和后部积叠成前、后缘线7和8；图3表示本发明的轴流压气机定制裕度方法示意图，展示了叶片根、中、尖三个代表性截面的流量—负荷特性线9a，9b，9c，以及各截面上对应的堵塞工况、近失速工况、设计工况工作点连线11、12、10。
图4表示本发明轴流压气机定制裕度方法的补充示意图，展示了叶片根、中、尖三个代表性截面的流量—负荷特性线9a，9b，9c上对应实际整个叶片设计工况、近失速工况的各截面工作点连线13、15；图5表示本发明中气动负荷重心的示意图，以叶型5上下表面压力差最大处作为气动负荷重心；图6表示本发明中几何掠角的示意图，其中小半径处16和大半径处17代表两个相距很近的流线，数字20和21分别表示小半径处16和大半径17处的叶型基元，数字19表示来流方向。数字18代表箭头所示方向上的投影视图。对于两流线间所夹小展高叶片，前缘线与径向线在其与给定几何矢量(弦向或当地叶片构造角方向)共同张成的平面内的夹角λ即为所定义几何掠角；图7表示本发明一实施例中改进中部截面先失速叶片裕度的示意图，其中数字22表示失速区域。
具体实施例方式
需要说明的是，附图中的同样的数字标号用来表示同样的特性，有的数字具有下划线是表示该数字所处的位置正是所要表示的部分。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
实施例1针对某压气机叶片，在设计以实现裕度目标的过程中，包括如下步骤1)直接由三维流场计算结果判读叶片各截面先后到达失速情况；2)各截面的流量—负荷特性绘于同一图中；根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，确定图3中所示各截面流量—负荷特性线上设计点的位置，另示于图4，即图4中曲线13所示；3)对整个叶片采用全三维流场计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置，如图4曲线15上的点；4)如图7所示，表示上一步骤3)该叶片流场计算结果当接近失速点时，叶片中部区域22先分离导致失速，而此时裕度尚未满足要求，应加以改进；5)改进方法是前移或旋转向周向平移该区域叶片基元5，该区域以上叶片基元随动；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤7)；该失速裕度可根据已有技术的具体定义，由特性线算出来；7)重复第3)-第6)步骤，反复施用这两种方法并经过三维计算校核，逐步使中部区域得到改善，看叶片裕度是否满足要求；如果未满足，要全面改变叶片形状，使各截面等效小压气机裕度都得到增加，从而继续提高叶片裕度，直到裕度满足要求为止。
在本实施例1中，三维流场计算采用已知的现有技术进行计算。
实施例2针对某压气机叶片，在设计以实现裕度目标的过程中，包括如下步骤1)把压气机叶片看成是展向匹配的无限多个无限小展高的小压气机，每个小压气机都有相应的流量—负荷特性线，如图3中的曲线9a、9b、9c所示；最大流量状态对应近堵塞工况线11(图3中是虚线11)上的点，在图3中每一条流量—负荷特性线的右端，用空心圆圈表示；最小流量状态对应近失速工况线12(图3中是虚线12)上的，在图3中每一条流量—负荷特性线的左端，用实心圆圈表示；某中间流量点对应设计工况线10(图3中是实线10)，在图3中用每一条流量—负荷特性线上的实心矩形框表示；根据已知技术，各基元特性线由准三维定常流动模式计算获得；
2)各截面的流量—负荷特性绘于同一图中，根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，确定图3中所示各截面流量—负荷特性线上设计点的位置，另示于图4，即图4中曲线13所示；3)对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置，如图4曲线15上的点；4)如图7所示，表示上一步骤3)该叶片流场计算结果当接近失速点时，叶片中部区域22先分离导致失速，而此时裕度尚未满足要求，应加以改进；5)改进方法是改变该区域叶型以实现负荷重心后移，例如增加此区域基元叶型5弯度；图5表示本发明中气动负荷重心的示意图，以叶型5上下表面压力差最大处作为气动负荷重心；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤7)；7)重复第3)-第6)步骤，反复施用这两种方法并经过三维计算校核，逐步使中部区域得到改善，看叶片裕度是否满足要求；如果未满足，要全面改变叶片形状，使各截面等效小压气机裕度都得到增加，从而继续提高叶片裕度，直到裕度满足要求为止。
实施例3针对某压气机叶片，在设计以实现裕度目标的过程中，包括如下步骤1)直接由三维计算流体结果判读叶片各截面先后到达失速情况；2)各截面的流量—负荷特性绘于同一图中，根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，确定图3中所示各截面流量—负荷特性线上设计点的位置，另示于图4，即图4中曲线13所示；3)对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置，如图4曲线15上的点；4)如图7所示，表示上一步骤3)该叶片流场计算结果当接近失速点时，叶片中部区域22先分离导致失速，而此时裕度尚未满足要求，应加以改进；5)改进方法是前移或旋转向周向平移该区域叶片基元5，该区域以上叶片基元随动，并结合改变该区域叶型以实现负荷重心后移，例如增加此区域基元叶型5弯度；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤7)；7)重复第3)-第6)步骤，反复施用这两种方法并经过三维计算校核，逐步使中部区域得到改善，看叶片裕度是否满足要求；如果未满足，要全面改变叶片形状，使各截面等效小压气机裕度都得到增加，从而继续提高叶片裕度，直到裕度满足要求为止。
权利要求
1.一种轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，包括如下步骤1)由三维流场计算结果判读叶片各截面先后到达失速情况；2)各截面的流量—负荷特性绘于同一图中；根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，各截面流量—负荷特性线上设计点的位置；3)对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置；4)根据该叶片流场计算结果，当接近失速点时，判断叶片先分离导致失速的区域，而此时裕度尚未满足要求，执行步骤5)；5)前移或旋转向周向平移该区域叶片基元，该区域以上叶片基元随动；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤7)；7)重复第3)-第6)步骤，逐步使失速区域得到改善，判断叶片裕度是否满足要求；如果未满足，要全面改变叶片形状，使各截面等效小压气机裕度都得到增加，从而继续提高叶片裕度，直到裕度满足要求为止。
2.根据权利要求1所述的轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，其特征在于，所述步骤1)还可以是把压气机叶片看成是展向匹配的无限多个无限小展高的小压气机，每个小压气机都有相应的流量—负荷特性线，各基元特性线由准三维定常流动模式计算获得。
3.根据权利要求1所述的轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，其特征在于，所述步骤5)还可以是改变该区域叶型以实现负荷重心后移，例如增加此区域基元叶型弯度。
4.根据权利要求2所述的轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，其特征在于，所述步骤5)还可以是改变该区域叶型以实现负荷重心后移，例如增加此区域基元叶型弯度。
5.根据权利要求1或2所述的轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，其特征在于，所述步骤5)还可以是前移或旋转向周向平移该区域叶片基元，该区域以上叶片基元随动，并改变该区域叶型以实现负荷重心后移，例如增加此区域基元叶型弯度。
6.一种轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，包括如下步骤1)把压气机叶片看成是展向匹配的无限多个无限小展高的小压气机，每个小压气机都有相应的流量—负荷特性线，各基元特性线由准三维定常流动模式计算获得；或者由三维流场计算结果中最先发生附面层分离的展向位置分布来替代各基元特性线的单独计算；2)取压气机叶片根、中、尖三个截面或更多截面的流量—负荷特性绘于同一图中，根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，各截面流量—负荷特性线上设计点的位置；3)对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置；4)如果整个叶片失速裕度满足设计要求，那么裕度设计便告结束，根据此结果制造轴流压气机单排叶片；如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，则执行下一步骤5)；5)如果整个叶片失速裕度不满足设计要求，首先检查是哪个/些截面裕度不足，采用相应措施使这个/些截面裕度满足要求；措施包括向前、向旋转方向移动这个/些截面以及修改这个/些截面叶型形状以使这个/些截面气动负荷重心后移；6)用三维流场计算特性并检查裕度是否满足要求；7)重复第4)-第6)步骤直至裕度满足要求为止。
7.根据权利要求6所述的轴流压气机单排叶片定制裕度的方法，其特征在于，最有益的情形是，在所述步骤4)中，叶片各截面同时达到近失速点，而此时整个叶片裕度又恰好满足要求。
全文摘要
本发明公开了一种使轴流压气机叶片具有给定裕度性能的方法，主要包括如下步骤取压气机叶片根、中、尖三个截面或更多截面的流量—负荷特性绘于同一图中，根据整个叶片设计工况全三维流动计算结果，确定各截面流量—负荷特性线上设计点的位置；对整个叶片采用全三维流动计算至近失速点，继而确定整个叶片在近失速点时各截面工作点的实际位置；判断是哪个/些截面裕度不足，采用相应措施包括向前、向旋转方向移动这个/些截面以及修改这个/些截面叶型形状以使这个/些截面气动负荷重心后移。本发明由影响风扇/压气机单排叶片裕度的物理本质出发实现裕度定制，相较于现有技术中关于实现裕度目标的盲目状态具有显著进步。
文档编号F01D5/14GK1831296SQ20051011675
公开日2006年9月13日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年11月3日
发明者季路成, 陈江 申请人:中国科学院工程热物理研究所