用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片及其工作方法，属叶轮机械技术领域。
【背景技术】
[0002]轴流压缩机的一般工作原理为:气体流经高速旋转的动叶(I)时，动叶将机械能转变为气体的压力能和动能，从而提高气体的压力和速度。在能量转变过程中有少部分机械能通过其它损失方式转变为热能，故压缩过程中气体温度会逐渐提高。气流流经静叶(2)时，一方面将部分动能进一步转化为压力能，起到扩压作用，另一方面将气体以一定速度和方向引入下一级动叶。多个动叶安装在轮盘(4)构成转子；多个静叶固定在机匣(3)上，组成静子。一个转子和一个静子合在一起构成一个“级”。每一级压缩机的基本工作原理大致相同。
[0003]对于工业轴流压缩机或应用于燃气轮机和航空发动机的轴流压气机，为了扩大工作流量和压比范围通常采用安装角可调静子，如Schobeiri M T发表在ASME杂志上的题为“Active Aerodynamic Control of Mult1-stage Axial Compressor Instability andSurge by Dynamically Adjusting the Stator Blades.，，(ASME Paper N0.2001-T-479.2001)的文章。图2为转静子叶片通道简化所得的平面叶栅，对于可调静子其中叶片绕着一个固定的旋转轴旋转，通过叶片整体旋转来改变叶片安装角(图3)，以适应转子出口气流角度的变化，使静子在较合适的攻角i (图2)范围内工作。可调静子叶片主要应用在轴流压缩机前几级中，也有应用在整台压缩机的全部级中。由于传统可调静子叶片弯角固定，气流调节范围较窄。Jones B.A 和 Wright D.L 发表的题为 “Single-stage experimentalevaluat1n of variable geometry guide vanes and stators.Part I analysis anddesigns” (NASA CR-54554(1965)的文章提出前段固定、后段转动叶片结构，以实现叶片出口角度调整时进口角度不变，使叶片始终处于有利攻角。为了压缩机出口气流流动方向保持轴向，通常最后一级(末级)静子(5)不可调。因此随着压缩机工作状态变化，末级静子可能处于较大正、负攻角下工作，导致损失增加。如果采用整体可调静子叶片来改变攻角，就不能保证末级静子轴向出气，产生较大损失。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于针对轴流压缩机末级静子，提出一种用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片及其工作方法，采用该叶片可达到:1)、扩大压缩机的运行压比和流量范围；2)、提高压缩机在整个工作范围内效率。并通过实际设计出的静子叶片进行了计算分析，验证其可行性。
[0005]一种用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片，整体叶型由轴流压缩机气动设计方法所得，其特征在于:该末级静子叶片分成可调前半段叶片和不可调后半段叶片，其中可调前半段叶片通过旋转轴安装在不可调后半段叶片上，旋转轴位于末级静子叶片最大厚度处，不可调后段叶片固定安装在轴流压缩机外机匣上。
[0006]根据以上所述的用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片的工作方法，其特征在于包括以下过程:
步骤1、末级静子叶型由轴流压缩机设计时按其设计要求由正问题设计方法、反问题设计方法或优化设计方法等叶型设计方法得到，末级静子的可调前半段叶片旋转零度时即为设计工况下的末级静子叶型；
步骤2、改变末级静子叶片进气角β 计算对应的静子的总压损失，通过计算机仿真得到进气角^与总压损失的关系曲线；通过进气角与总压损失的关系曲线可得到此静子的低损失范围；
步骤3、改变可调前半段叶片的偏转角度，按照步骤2的方式得到不同偏转角度下静子的低损失范围；
步骤4、可调前半段叶片的偏转的角度最终由轴流压缩机不同工况下末级转子的出口气流角来决定，利用步骤3所得曲线，选择末级静子叶片进气角，以保证进气角始终处于末级静子叶片低损失气流角范围内，减小损失、提高效率。
[0007]本项发明与目前已有技术比较有以下优点，I)、与末级静子固定比较，前段可调使该静子进口气流处于有利攻角，可以拓宽压缩机的运行范围、提高压缩机效率。2)与整体可调静子叶片弯度固定比较，前段可调可使该静子方向不变(保持轴向出气)。
[0008]本项发明所提出的前段可调静子叶片，可直接用于轴流压缩机或燃气轮机和航空发动机的轴流压气机设计中，提高其气动性能，也可用于对已有轴流压缩机进行改进升级。
【附图说明】
[0009]图1为轴流压缩机子午面示意图；
图2为平面叶栅几何参数示意图；
图3为整体可调静子叶片示意图；
图4为整体可调静子叶片调节示意图；
图5为前半段可调静子叶片示意图；
图6为前半段可调静子叶片调节角度；
图1为叶型损失与进气角关系图；
图中标号名称:1、轴流压缩机第一级转子叶片，2、轴流压缩机第一级静子叶片，3、机匣，4、轮盘，5、末级静子，6、整体可调静子叶片，7、旋转轴，8、可转动前段叶片，9、转动轴，10、固定后段叶片，11、叶片前段偏转-5度，12、前段偏转O度，13、前段偏转5度，14、前段偏转10度。
[0010]具体实施方法
以下结合图1到图7说明本发明前段可调静子叶片及由其构成的静子实施方法:末级静子的叶片由轴流压缩机气动设计方法得到，即由初始设计、通流设计、二维叶型设计和三维叶片设计得到。
[0011]末级静子叶片的具体结构:可转动前段叶片8与转动轴9固定在一起；不可调后段叶片10固定安装在轴流压缩机外机匣上(图5)。在轴流压缩机运行工况调整节时，转动轴转动带动前段叶片偏转、以适应其进口气流角变化。
[0012]实施例。如图6，旋转静子前段，使静子叶片前段依次偏转-5度、O度(未转动)、5度、10度(偏转角度为计算验证静子在不同叶型弯度下的总压损失范围而选取的)。采用计算机仿真计算总压损失与进气角关系曲线，见图7。图7中，带有圆形、方形、三角形、菱形图标的曲线分别表示叶片前段偏转-5度、O度、5度、10度气流角与损失关系。该图表明:每个弯度的静子叶片都对应一个低损失进口气流角范围，如:叶片前段偏转角为O度(未偏转)的静子(图6中图标12对应的叶型)，低损失进气流范围约为13度至36度。叶片前段偏转角度不同，低损失范围差别也相应变化，具体设计时，可将偏转角度步长变小，计算得到更详细的总压损失和进气角关系图。
[0013]当本发明应用于轴流压缩机中，可以根据运行工况的不同，调节叶片前段偏转角度，以保证进气角始终处于静子叶片低损失气流角范围内，减小损失、提高效率。例如，某工况下，转子出口气流角约为20度，可调节前段叶片偏转-5度，使其正好位于前段旋转-5度静子叶片对应最小损失的中间位置。
【主权项】
1.一种用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片，整体叶型由轴流压缩机气动设计方法所得，其特征在于:该末级静子叶片分成可调前半段叶片(8)和不可调后半段叶片(10)，其中可调前半段叶片(8)通过旋转轴(9)安装在不可调后半段叶片(10)上，旋转轴(9)位于末级静子叶片最大厚度处，不可调后段叶片(10)固定安装在轴流压缩机外机匣上。
2.根据权利要求1所述的用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片的工作方法，其特征在于包括以下过程: 步骤1、末级静子叶型由轴流压缩机设计时按其设计要求由正问题设计方法、反问题设计方法或优化设计方法等叶型设计方法得到，末级静子的可调前半段叶片(8)旋转零度时即为设计工况下的末级静子叶型； 步骤2、改变末级静子叶片进气角β 计算对应的静子的总压损失，通过计算机仿真得到进气角^与总压损失的关系曲线；通过进气角与总压损失的关系曲线可得到此静子的低损失范围； 步骤3、改变可调前半段叶片(8)的偏转角度，按照步骤2的方式得到不同偏转角度下静子的低损失范围； 步骤4、可调前半段叶片(8)的偏转的角度最终由轴流压缩机不同工况下末级转子的出口气流角来决定，利用步骤3所得曲线，选择末级静子叶片进气角，以保证进气角始终处于末级静子叶片低损失气流角范围内，减小损失、提高效率。
【专利摘要】本发明涉及一种用于轴流压缩机末级的前半段可调静子叶片，及其工作方法，属叶轮机械技术领域。该末级静子叶片分成可调前半段叶片（8）和不可调后半段叶片（10），其中可调前半段叶片（8）通过旋转轴（9）安装在不可调后半段叶片（10）上，旋转轴（9）位于末级静子叶片最大厚度处，不可调后段叶片（10）固定安装在轴流压缩机外机匣上。采用该叶片可达到：1）、扩大压缩机的运行压比和流量范围；2）、提高压缩机在整个工作范围内效率。
【IPC分类】G06F17-50, F04D29-56
【公开号】CN104595245
【申请号】CN201510000610
【发明人】周正贵, 李琪
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月4日