压气机及其叶片系统的加厚及布置方法
【专利摘要】本发明涉及一种压气机，属于流体叶轮机械领域。压气机包括多个周向排列的静子叶片，且每两个相邻的所述静子叶片之间都有气流通道，其中，所述多个周向排列的静子叶片由周期性交错分布的厚静子叶片和薄静子叶片组成，所述厚静子叶片的前缘与所述薄静子叶片的前缘对齐，所述厚静子叶片的叶背攻角与所述薄静子叶片的叶背攻角相等，从而保证了厚静子叶片和薄静子叶片的前缘流动具有较好的一致性，且各个所述气流通道的喉道面积基本一致，保证了各气流通道的流量相等，降低了出口的不均匀性。本发明还涉及一种压气机叶片系统的加厚及布置方法。
【专利说明】压气机及其叶片系统的加厚及布置方法
【技术领域】
[0001]本发明总地涉及流体叶轮机械，更具体地涉及一种压气机以及压气机叶片系统的加厚及布置方法。
【背景技术】
[0002]压气机是航空发动机的核心部件之一，其功能是压缩空气以提高气体总温总压。压气机通流部分由转子叶片和静子叶片交错排列组成，其中转子叶片对气流做功，将机械功转化为气体的动能和静压能，而静子叶片则将气体的动能转化为静压升，并改变气流流动方向，以满足下一级转子叶片的需要。转子叶片和静子叶片均沿着周向均匀排列。图1为一种现有压气机的部分静子叶片的结构示意图，其中静子叶片I’沿着周向均匀排列。图1A-1C为图1中该种现有压气机的静子叶片的三个不同截面的流场分布示意图。
[0003]除上述功能外，工程应用中压气机可能还需满足其他要求，如对静子叶片加厚打孔以使支撑物通过或使卸荷腔的气体流出等。就对静子叶片加厚打孔而言，现有技术中采用的方法之一是根据打孔面积要求，对整个周向上的叶片中的部分静子叶片进行单纯加厚，即增加静子叶片的最大厚度，剩余的原始叶片叶型不变，形成一周有厚静子叶片11’有薄静子叶片12’的叶片排，如图2所示。图2A-2C为图2中该另一种现有压气机的静子叶片的三个不同截面的流场分布示意图。从图2A-2C中可以看出，厚静子叶片11’和其中一个薄静子叶片12’的50%叶高以上截面都发生了吸力面分离现象，出现了流动分离区域3’，且分离点比较靠前，分离区域大，厚薄静子叶片11’产生的流场出口不均匀性比较严重。而根据图1A-1C的显示，在对部分静子叶片进行加厚之前，流场出口的气流却是很均匀的。可见，尽管通过对部分叶片进行加厚可以使压气机满足一些其他方面的需求，但这种部分叶片加厚打破了出口气流的均匀性。
[0004]总的来说，现有技术的部分叶片加厚压气机至少存在以下缺点:1)在压气机多级环境中，由于部分叶片的加厚带来加厚前后压气机的总通道面积的改变，从而难以保证全台压气机中低转速的性能不受影响；2)由于部分叶片加厚从而使得叶片在周向上分布不均匀，致使压气机性能受到影响。
【发明内容】
[0005]因此，提供一种能够保证部分叶片加厚后中低转速的全台压气机性能基本不变并将部分加厚叶片产生的周向不均匀性对压气机性能影响降到最小的压气机以及压气机叶片系统的加厚及布置方法将是有利的。
[0006]为此，根据本发明的一个方面，提供一种压气机，其包括多个周向排列的静子叶片，且每两个相邻的所述静子叶片之间都有气流通道，其中，所述多个周向排列的静子叶片由周期性交错分布的厚静子叶片和薄静子叶片组成，所述厚静子叶片的前缘与所述薄静子叶片的前缘对齐，所述厚静子叶片的叶背攻角与所述薄静子叶片的叶背攻角相等，且各个所述气流通道的喉道面积基本一致。[0007]在本发明的该方面，由于厚静子叶片和薄静子叶片的叶背攻角一致，从而保证了厚静子叶片和薄静子叶片的前缘流动具有较好的一致性；而各个所述气流通道的喉道面积基本一致，保证了各气流通道的流量相等，降低了出口的不均匀性。
[0008]优选地，所述厚静子叶片的尾缘沿轴向超出所述薄静子叶片的尾缘，从而可以减少叶片后半段的扩张度。
[0009]进一步优选地，所述厚静子叶片的尾缘超出所述薄静子叶片的尾缘的部分小于等于所述薄静子叶片弦长的50%。
[0010]优选地，任意两个所述气流通道的喉道面积的差值小于2%，进一步保证各通道的流量相等，降低出口的不均匀性。
[0011]根据本发明的另一个方面，提供一种压气机叶片系统的加厚及布置方法，包括如下步骤:
[0012]I)根据设计输入计算需要加厚的静子叶片的叶片数和最大厚度；
[0013]2)保证最小总通道面积基本不变并计算得出加厚之后叶片系统的总静子叶片数；
[0014]3)对所述需要加厚的静子叶片进行详细叶片造型；
[0015]4)调整厚静子叶片和薄静子叶片的相对位置使各静子叶片的任意两个气流通道的喉道面积基本相等。
[0016]在本发明的该方面，由于加厚前后压气机的最小总通道面积保持不变，因而全台压气机中低转速性能基本不变；而压气机各通道喉道面积基本相等，保证了加厚后叶排的各通道的流量相等，设计得到的压气机可以将部分加厚叶片产生的周向不均匀性对压气机性能影响降到最小。
[0017]优选地，上述步骤3)还包括:
[0018]a)在所述叶片系统的周向上周期性交错分布所述需要加厚的静子叶片和不需要加厚的所述薄静子叶片，并使各所述静子叶片的前缘对齐；
[0019]b)对所述需要加厚的静子叶片进行加厚形成所述厚静子叶片，并使所述厚静子叶片的叶背攻角与所述薄静子叶片的叶背攻角相等；
[0020]c)对所述需要加厚的静子叶片的尾缘位置进行调整，使所述厚静子叶片的尾缘位置沿轴向超出所述薄静子叶片尾缘。
[0021]由于厚、薄静子叶片的叶背攻角一致，保证了厚、薄静子叶片前缘流动具有较好的一致性；而厚静子叶片尾缘位置可超出薄静子叶片尾缘位置，从而减小了叶片后半段的扩张程度。
[0022]优选地，上述步骤I)中的所述设计输入包括打孔要求。
[0023]通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件:
[0025]图1为静子叶片未加厚的一种现有压气机的部分静子叶片的结构示意图；[0026]图1A-1C为图1中该种现有压气机的静子叶片的三个不同截面的流场分布示意图；
[0027]图2为部分静子叶片已加厚的另一种现有压气机的部分静子叶片的结构示意图；
[0028]图2A-2C为图2中该另一种现有压气机的静子叶片的三个不同截面的流场分布示意图；
[0029]图3为根据本发明一优选实施方式的压气机的部分静子叶片的结构示意图；
[0030]图4为根据本发明上述优选实施方式的压气机的叶栅示意图；
[0031]图5为根据本发明一优选实施方式的压气机叶片系统的加厚及布置方法的流程图；
[0032]图6A-6C为根据本发明的优选实施方式的压气机的静子叶片的三个不同截面的流场分布示意图。
【具体实施方式】
[0033]根据要求，这里将披露本发明的【具体实施方式】。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
[0034]首先，根据本发明一优选实施方式的压气机包括多个周向排列的静子叶片1，而图3仅示出了该压气机的部分静子叶片的结构。如图3所示，每两个相邻的所述静子叶片I之间都有气流通道2。在该压气机中，静子叶片I由周期性交错分布的厚静子叶片11和薄静子叶片12组成，例如一个周期分布可以为一个厚静子叶片加两个薄静子叶片。当然，在其它的实施方式中，静子叶片这种周期性交错分布的方式可以根据设计输入进行调整，比如一个周期分布可以调整为两个厚静子叶片加两个薄静子叶片。
[0035]图4示意性地示出了本实施方式的压气机的叶栅。如图4所示，厚静子叶片11的前缘13与薄静子叶片12的前缘23对齐，而厚静子叶片11的吸力面14的前缘切线B与额线L的夹角(即叶背攻角β Β)与薄静子叶片12的吸力面24的前缘切线S与额线L的夹角(即叶背攻角Ps)相等，从而使得厚、薄静子叶片的叶背攻角一致，以保证厚、薄静子叶片的前缘流动具有较好的一致性。
[0036]再如图4所示，厚静子叶片11的尾缘15的位置可以超出薄静子叶片12的尾缘25的位置，以减少叶栅后半段的扩张度，优选地，超出部分小于等于薄静子叶片12弦长的50%，即LB/LS ( 1.5。为了使整台压气机在对部分静子叶片进行加厚后叶栅各通道2的流量相等，叶栅各通道2的喉道面积应当保持基本一致，优选各通道2的喉道面积差小于2%，即3Ai/(Al+A2+A3)-l <2%，其中i = 1、2或3，这样将降低叶栅出口的不均匀性，这样设计得到的压气机可以将部分加厚静子叶片产生的静压沿周向不均匀性对压气机性能影响降到最小。
[0037]下面将参考图4和流程图5对根据本发明另一个方面的一个优选实施方式的压气机叶片系统的加厚及布置方法进行描述。
[0038]首先，在步骤SI中，根据设计输入计算需要加厚的静子叶片11的叶片数和最大厚度。
[0039]需要说明的是，在该实施方式的该步骤中，设计输入可包括打孔要求，例如打孔面积大小、打孔的孔形状以及孔数等。设计输入还可以包括原始叶片最大厚度、最大厚度相对位置、前缘半径和尾缘半径、弦长、基元叶型等信息。当然，在实践中可以根据需要包括上述其中的一种或多种参数，还可以包括其他参数，来初步确定需要加厚的叶片数和叶片最大相对厚度。
[0040]其次，在步骤S2中，保证最小总通道面积基本不变并计算得出加厚之后叶片系统的总静子叶片I的数量。
[0041]需要说明的是，在保证整周叶片排的最小总通道面积在加厚前后基本不变的情况下，根据原始(即加厚前)静子叶片的总数量m和步骤SI中确定的需要加厚的静子叶片11的数量，来初步确定加厚后的静子叶片I的总数量n，加厚后的静子叶片总数量η小于等于原始的静子叶片总数量m。
[0042]在该步骤中，在确定加厚后的静子叶片I的总数量η后，最好对总通道面积作个验证，即计算加厚后静子叶片系统的最小总通道面积，并将其与加厚前的最小总通道面积进行比较，如果基本相等则向下进行步骤S3，否则重新调整加厚叶片的叶片数、最大厚度以及总叶片数，即重新回到步骤SI来重新执行步骤SI和S2。
[0043]接下来，在步骤S3中，对所述需要加厚的静子叶片进行详细叶片造型。
[0044]在该实施方式中，上述步骤S3优选还包括:a)在所述叶片系统的周向上周期性交错分布所述需要加厚的静子叶片和不需要加厚的所述薄静子叶片，并使各所述静子叶片的前缘13和23对齐；b)对所述需要加厚的静子叶片进行加厚形成所述厚静子叶片11，并使所述厚静子叶片11的叶背攻角βΒ与所述薄静子叶片12的叶背攻角Ps相等；c)对所述需要加厚的静子叶片的尾缘15位置进行调整，使所述厚静子叶片11的尾缘15位置沿轴向超出所述薄静子叶片12的尾缘25。
[0045]由于厚、薄静子叶片11和12的叶背攻角i3s—致，即βΒ= ，保证了厚静子叶片11的前缘13和薄静子叶片12的前缘23的流动具有较好的一致性；而厚静子叶片11的尾缘15位置可超出薄静子叶片12的尾缘25位置，从而减小了厚静子叶片11后半段的扩张程度。
[0046]在上述步骤S3中，对需要加厚的静子叶片进行详细的叶片造型是指对厚静子叶片11的包括叶背攻角、落后角、最大厚度相对位置、前缘半径和尾缘半径、前后段弯度比、最大弯度位置和厚度分布形式等参数进行详细设计。具体地，在本实施方式中，厚静子叶片11的最大厚度保持与步骤S2中所确定的相一致；由于厚静子叶片11的厚度大于薄静子叶片12的厚度，造型时可调整厚静子叶片11的叶背攻角，使得厚静子叶片11和薄静子叶片12的叶背攻角基本相等；厚静子叶片11的前缘13的位置与薄静子叶片12的前缘23位置一致，都位于额线L上，如图4所示；厚静子叶片11的尾缘15的位置可与薄静子叶片12的尾缘25的位置一致，也可以如图4所示使厚静子叶片11的尾缘15超出薄静子叶片12的尾缘25的位置，以减小厚静子叶片11的后半段负荷，有助于控制流动分离；厚静子叶片11的尾缘半径的大小可以与薄静子叶片12的尾缘半径相当，也可以取较大半径或设计为钝尾缘，以减小叶片通道后半段的扩张程度，有助于控制流动分离；厚静子叶片11和薄静子叶片12的落后角可以适当调整，以减小叶片通道后半段的扩张程度，有助于控制流动分离；厚静子叶片11和薄静子叶片12的厚度分布形式可以适当调整，以减小叶片通道后半段的扩张程度，有助于控制流动分离。
[0047]在进行上述详细的叶片造型之后，最好根据造型结果进行三维计算分析，即:将加厚静子叶片11带上前排转子叶片进行单级三维计算，根据计算结果获取流场分布并提取单级流量、压比、效率、转子压比、转子效率、静子总压恢复系数、总压损失等性能参数，然后判断加厚后压气机性能是否达到要求，特别是加厚后压气机的总压损失是否低于预设值，若是则进行下面的步骤S4，否则重复执行步骤S3来修改叶片造型参数。
[0048]最后，在步骤S4中，调整厚静子叶片11和薄静子叶片12的相对位置，使各静子叶片的任意两个气流通道2的喉道面积基本相等。
[0049]在步骤S4中，还可以包括计算并判断加厚后叶排的各通道的流量是否相等的步骤，如果基本相等则设计结束，否则重复执行所述步骤S4。
[0050]在该实施方式中，由于加厚前后压气机的最小总通道面积保持不变，因而全台压气机中低转速性能基本不变；而压气机各通道喉道面积基本相等，保证了加厚后叶排的各通道的流量相等，设计得到的压气机可以将部分加厚叶片产生的周向不均匀性对压气机性能影响降到最小。
[0051]现将图6A-6C所示的应用本发明之后的流场效果和图2A-2C所示的应用本发明之前的流场效果相比较，可以明显地看出，在应用本发明之前，如图2A-2C所示，厚静子叶片和其中一个薄静子叶片的50%叶高以上截面都发生了吸力面分离现象，且分离点比较靠前，分离区域大，厚薄静子叶片产生的流场出口不均匀性比较严重；应用本发明之后，如图6A-6C，沿静子叶片各个截面的分离都得到了很好的控制，并较大程度地改善了流场出口气流的均匀性。
[0052]而且，本实施方式中应用本发明后比应用前的总效率提高2个百分点，静子总压恢复系数提升0.7%，应用本发明实施案例的出口不均匀性对全台压气机性能影响较小，约为 0.63%。
[0053]本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的【技术领域】内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种压气机，其包括多个周向排列的静子叶片，且每两个相邻的所述静子叶片之间都有气流通道，其特征在于，所述多个周向排列的静子叶片由周期性交错分布的厚静子叶片和薄静子叶片组成，所述厚静子叶片的前缘与所述薄静子叶片的前缘对齐，所述厚静子叶片的叶背攻角与所述薄静子叶片的叶背攻角相等，且各个所述气流通道的喉道面积基本—致。
2.如权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述厚静子叶片的尾缘沿轴向超出所述薄静子叶片的尾缘。
3.如权利要求2所述的压气机，其特征在于，所述厚静子叶片的尾缘超出所述薄静子叶片的尾缘的部分小于等于所述薄静子叶片弦长的50%。
4.如权利要求1至3任一项所述的压气机，其特征在于，任意两个所述气流通道的喉道面积的差值小于等于2%。
5.一种压气机叶片系统的加厚及布置方法，包括如下步骤: 1)根据设计输入计算需要加厚的静子叶片的叶片数和最大厚度； 2)保证最小总通道面积基本不变并计算得出加厚之后叶片系统的总静子叶片数； 3)对所述需要加厚的静子叶片进行详细叶片造型； 4)调整厚静子叶片和薄静子 叶片的相对位置使各静子叶片的任意两个气流通道的喉道面积基本相等。
6.根据权利要求5所述的压气机叶片系统的加厚及布置方法，其特征在于，所述步骤3)还包括: a)在所述叶片系统的周向上周期性交错分布所述厚静子叶片和所述薄静子叶片，并使所述厚静子叶片与所述薄静子叶片的前缘对齐； b)对所述需要加厚的静子叶片进行加厚形成所述厚静子叶片，并使所述厚静子叶片的叶背攻角与所述薄静子叶片的叶背攻角相等； c)对所述需要加厚的静子叶片的尾缘位置进行调整，使所述厚静子叶片的尾缘位置沿轴向超出所述薄静子叶片尾缘。
7.根据权利要求6所述的压气机叶片系统的加厚及布置方法，其特征在于，在所述步骤2)之后还包括:计算加厚后静子叶片系统的最小总通道面积并与加厚前的最小总通道面积进行比较，如果基本相等则进行所述步骤3)，否则回到所述步骤I)。
8.根据权利要求7所述的压气机叶片系统的加厚及布置方法，其特征在于，在所述步骤3)还包括:计算加厚后静子叶片系统的总压损失是否低于预设值，若是则进行所述步骤4)，否则重复执行所述步骤3)。
9.根据权利要求5-8任一项所述的压气机叶片系统的叶片加厚及布置方法，其特征在于，所述步骤4)还包括:计算相邻静子叶片之间的气流通道的流量是否相等，如果基本相等则设计结束，否则重复执行所述步骤4)。
10.根据权利要求9所述的压气机叶片系统的叶片加厚及布置方法，其特征在于，所述步骤I)中的所述设计输入包括打孔要求。
11.如权利要求10所述的压气机叶片系统的静子叶片加厚及布置方法，其特征在于，所述厚静子叶片的尾缘超出所述薄静子叶片的尾缘的部分小于等于所述薄静子叶片弦长的 50%。
12.如权利要求11所述的压气机叶片系统的加厚及布置方法，其特征在于，任意两个所述气流通道的喉道面积的 差值小于2%。
【文档编号】F04D29/26GK103629152SQ201210299172
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月21日 优先权日:2012年8月21日
【发明者】杨平, 冯锦璋, 谢伟亮, 许峰 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司