叶片，且最大扩压能力也比单列叶片有大幅度提高，而考虑周向位置对串列叶片的耦合影响时，合理的周向位置PP值和轴向间隙A0值能进一步降低串列叶片总压损失系数。基于上述原因，并由于一般设计的压气机，分离发生在或先发生于部分叶尚，因此提出本发明的半串列叶片。
[0031]参照图3所示，本发明的半串列叶片L1，采用串列部分L2与单列部分L3结合的方法，使两种叶片取长补短，达到更低的损失与更高的扩压能力；半串列叶片采用与原型单列叶片一样的子午流道，根据分离发生位置的不同，采用Y型、Λ型、Η型、0型不同的半串列叶片(见图5)，目前，半串列技术可应用于轴流压气机转静子和斜流或离心压气机转子(见图6)，不同类型的压气机倾向于采用不同类型的半串列叶片，轴流压气机转子由于叶根气流转折角较大、叶尖容易由于激波附面层干扰诱发分离，因此倾向于采用Υ型、Λ型和Η型，轴流压气机静子分离一般也发生于叶根或叶尖，倾向于采用的类型与转子相同，斜流或离心压气机转子分离常常发生于叶尖，因此倾向于采用Υ型，应用0型的场合较少。
[0032]半串列叶片的串列部分参数的确定方法(见图4):由于Κ11和Κ22由进出口条件给定，为保证前后叶片载荷分配合理，使前后叶片总损失最低，需确定Κ12，初步设计时，可按前后叶片扩散因子相等给定，Κ21 —般选取比Κ12大一些的值，在Α0〈0的情况下，前后叶片的重合部分可形成一定的收敛通道，形成的加速对后排叶片附面层有吹除作用，在Α0>0的情况下，可适应前叶片落后角，使后叶片损失较低；通过优化轴向间隙(Α0 = -0.2?0.2)和周向位置(ΡΡ = 0.5?0.95)，使前后叶片通过相互的耦合影响，达到更好的抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果。当半串列技术用于转子时，为实现串列部分前后叶片的周向错位，将串列部分前叶片各个截面重心向转子旋转方向相反侧偏移，以实现前后叶片的周向错位(见图7)。如图6，转子叶片的气动弯矩为Fada，串列部分前叶片离心力作用中心与叶根的力臂为(1。= (l-PP)s，因此前叶片离心力弯矩为Fjl-PP)s，当前叶片离心力作用截面处的PP < l-2Fada/Fcs时，由于截面重心偏移造成的附加弯矩与叶片表面气动力弯矩部分抵消，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。
[0033]本发明的半串列叶片设计方法如下:
[0034]1)根据原型纯单列叶片类型确定其设计点产生分离的叶高，确定半串列叶片的类型(Y型、Λ型、Η型、0型)，在分离部分叶高将原单列叶片断开并加以调整，形成串列叶片，其余部分保持为原来的单列叶片；
[0035]2)单列叶片在未分离叶高即提前分叉，向串列叶片过渡，整个叶片构成连通的整体；
[0036]3)Κ11和Κ22由进出口条件给定(参照图6)，为保证前后叶片载荷分配合理，给定的Κ12应使前后叶片总损失最低；初步设计时，可按等扩散因子分配前后叶片载荷；
[0037]4)串列叶片部分后排叶片的叶片角应加以调整，使得后排叶片处于低损失状态；Κ21—般选取比Κ12大一些的值，在Α0〈0的情况下，前后叶片的重合部分可形成一定的收敛通道，形成的加速对后排叶片附面层有吹除作用，在Α0>0的情况下，可适应前叶片落后角，使后叶片损失较低；
[0038]5)串列叶片部分通过优化轴向间隙(Α0 = -0.2?0.2)和周向位置(ΡΡ = 0.5?0.95)，使前后叶片通过相互的耦合影响，达到更好的抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果；
[0039]6)当半串列技术用于转子时，以Y型为例，串列部分前叶片离心力作用截面PP<l-2Fada/^s时，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需进行强度校核，以保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。
[0040]下面为具体实施例:
[0041]针对一种单列亚声速压气机静子叶片，采用圆弧等厚薄型叶形，弦长20mm，叶高30mm，进口叶片角由叶根40°到叶尖60°线性分布、出口叶片角0° (轴向)、来流马赫数0.5，利用流场数值模拟技术，可以发现叶片3/4叶高以上发生流动分离，可得到该叶片总压损失系数为0.0991，静压升系数为0.499。在同样的条件下，采用整体叶片串列技术，针对A0 = 0的条件下，不同PP条件下做流场数值模拟，可以发现PP = 0.9时，叶片性能最佳，3/4叶高以上分离得到部分抑制，叶片总压损失系数为0.0977，静压升系数为0.499。而在同样的条件下，采用半串列技术，叶高0?0.5采用单列，叶高0.5?1采用串列，PP由1.0逐渐过渡到0.8，流场数值模拟得到叶片总压损失系数为0.0905，静压升系数为0.512。可以发现在此实施例中，由于分离损失占的比重较大，就叶片的性能而言，半串列 > 串列〉单列，半串列的总压损失系数比单列减少8.7%，比整体串列减少7.4%，从而说明半串列叶片技术具有更好的压缩性能。
[0042]本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种半串列叶片，其特征在于，结构为:周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。2.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述叶片在原型单列叶片的基础上，保证子午形状不变，通过半串列技术得到，应用于轴流压气机转静子及离心或斜流压气机转子上。3.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述的叶片仅在原型单列叶片产生分离的叶高采用串列叶片，通过叶片分叉与其他部分平滑连接，并形成连通的整体，根据采用串列叶片叶高的位置，可分为Y型、Λ型、Κ型、0型半串列叶片，分别对应串列位置在叶尖、叶根、叶尖和叶根、叶中。4.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，所述的串列叶片部分通过合理分配前后叶片载荷，及调整后排叶片的叶片角，保证总损失最低；并通过优化轴向间隙Α0和周向位置ΡΡ，利用前后叶片相互的耦合影响，抑制流动分离，提高叶片扩压性能，其中Α0定义为前叶片尾缘和后叶片前缘轴向间隙与叶片总轴向弦长的比值，取值范围为-0.2?0.2 (负号表示前后排叶片有轴向重合)，ΡΡ定义为后叶片前缘和前叶片尾缘背风侧的周向距离与叶片通道周向宽度的比值，取值范围为0.5?0.95 ;在串列与单列的过渡位置，Α0取值范围为0?0.2，ΡΡ的取值为0.95?1。5.根据权利要求1所述的半串列叶片，其特征在于，应用Υ型半串列叶片技术的转子，其串列部分前叶片各个截面重心向转子旋转方向相反侧偏移，以实现前后叶片的周向错位，当前叶片离心力作用截面ΡΡ < l-2Fada/Fcs时，由于截面重心偏移造成的附加弯矩与叶片表面气动力弯矩部分抵消，作为危险截面的转子叶片叶根应力水平不会增加，大于该值时，则需保证转子叶片叶根应力水平在安全范围内。6.一种半串列叶片设计方法，其特征在于，包括如下: 1)根据原型纯单列叶片确定其设计点产生分离的叶高，在该部分叶高将原单列叶片断开并加以调整，形成串列叶片，其余部分保持为原来的单列叶片； 2)单列叶片在未分离叶高即提前分叉，向串列叶片过渡，整个叶片构成连通的整体； 3)串列叶片部分相比单列叶片的断开位置应保证前后叶片载荷分配合理，使前后叶片总损失最低； 4)串列叶片部分后排叶片的叶片角应加以调整，以适应前排叶片由落后角造成的攻角变化，使得后排叶片处于低损失状态； 5)串列叶片部分在同时考虑气动和强度的前提下，通过优化轴向间隙和周向位置，使前后叶片通过相互的耦合影响，抑制流动分离，降低流动损失，提高叶片扩压性能的效果； 6)当用于转子叶片时，前叶片离心力作用截面，PP< l-2Fada/Fcs时，不会增加危险截面应力水平，大于该值时，则需进行强度校核，保证转子叶片叶根应力在安全范围内。7.根据权利要求6所述的半串列叶片设计方法，其特征在于，所述的轴向间隙的取值范围为-0.2?0.2，周向位置的取值范围为0.5?0.95。
【专利摘要】本发明公开了一种半串列叶片及其设计方法，半串列叶片的结构为：周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。本发明在低扩压度无分离的叶高采用单列叶片，避免了因采用串列叶片造成的附面层重新生成和尾迹掺混产生的额外损失；在高扩压度采用单列叶片会产生分离的叶高，利用串列叶片后排叶片产生新附面层和前后叶片的相互耦合影响，能有效抑制流动分离，降低流动损失；这两方面作用使得半串列叶片性能优于纯单列叶片与纯串列叶片，且半串列叶片的应用范围更为广泛。
【IPC分类】F04D29/54, F04D29/30, F04D29/26
【公开号】CN105257590
【申请号】CN201510685459
【发明人】陆惟煜, 黄国平, 雷洋, 曹永华
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月20日