一种具有扩张型子午流道的轴流压气机及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有扩张型子午流道的轴流压气机及其设计方法，属于航空发动机压气机【技术领域】，其关键在于采用了扩张型子午流道，通过增加子午流道面积，减小转子出口轴向速度对气流做功，实现气流减速增压，在保证压气机负荷水平不变的前提有效减小叶片弯角。该发明可直接用于高性能航空发动机高压压气机后面级，通过合理选择子午流道扩张度以及叶片的弯角，降低转子叶尖吸力面与压力面之间的压差，控制顶部间隙泄漏流动，有效减小压气机的间隙敏感性，从而增加压气机的性能。
【专利说明】一种具有扩张型子午流道的轴流压气机及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有扩张型子午流道的轴流压气机气动布局，通过采用扩张型子午流道，减小转子出口轴向速度实现气流减速增压，在保证负荷水平不变的前提下减小转子叶片弯角，降低压气机转子叶片压力面与吸力面之间的压差，改善压气机转子叶尖间隙敏感性，有效提升压气机的性能和稳定工作裕度，特别适用于高性能航空燃气涡轮发动机高压压气机后面级。
【背景技术】
[0002]叶顶间隙是为了避免旋转叶片和机匣之间的刮磨而引入的，其大小通常为1%叶片高度。实际工作中，在转子叶片顶部压力面和吸力面之间压差的作用下，部分顶部流体越过叶顶间隙形成泄漏流动，并且以间隙泄漏涡的形式存在于转子叶顶区域，其对压气机的影响主要体现为泄漏损失和堵塞，前者会降低压气机效率，后者会降低压气机的压升能力和稳定工作范围。
[0003]现代先进航空发动机对高推重比的军事需求要求轴流压气机总压比不断提高且级数(或叶片数)不断减少，这就导致轴流压气机的级负荷越来越高，叶尖泄漏更严重。对于航空发动机高压压气机后面级以及尺寸相对较小的中小型航空发动机而言，其后面级的叶片通道和高度小，高压压气机后几级的叶高有的已缩短到15?30mm，叶片相对径向间隙大，这样叶尖间隙造成的损失变得更加显著，压气机对叶尖间隙的敏感性逐步增强，叶顶间隙导致的损失所占的比例越来越高，从而造成压气机效率急剧下降，发动机耗油率升高，稳定工作边界范围变窄。
[0004]顶部间隙泄漏流动是转子叶片顶部压力面和吸力面之间的压差导致的，压差大小直接决定了叶顶间隙泄漏涡的位置、方向和影响范围，因此，从气动的观点来看，减小叶片压力面和吸力面之间的压差，对转子叶顶卸载能够降低压气机间隙敏感。为了减低压气机间隙敏感性，提升压气机性能，设计者们发展了一系列调控压气机顶部间隙泄漏流动的措施，如采用掠型设计对转子顶部进行卸载，降低叶片压力面和吸力面之间的压差，抑制顶部间隙泄漏流动，从而降低压气机的间隙敏感性；再比如在转子叶顶机匣上加工一定数目的周向槽或者轴向槽，利用处理机匣的抽吸作用对转子叶顶进行卸载，或者将顶部间隙泄漏流动造成的阻塞抽吸进入处理槽，从而降低压气机间隙敏感性；然而转子叶片三维弯掠设计和处理机匣结构的引入增加了压气机结构复杂性、重量及加工制造成本，尤其是处理机匣结构的引入在提升压气机裕度的同时会在一定程度上降低压气机的效率。因此，亟需寻求一种能够有效降低压气机间隙敏感性且不增加压气机结构复杂性和加工制成成本的新型压气机结构布局。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的上述缺点和不足，为有效降低轴流压气机叶顶间隙敏感性且不增加压气机结构复杂性和加工制造成本，本发明提出了通过合理选择压气机子午流道扩张度和叶片弯角来降低压气机的间隙敏感性的新型压气机气动布局。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种具有扩张型子午流道的轴流压气机，包括压气机转子叶片、压气机转子轮盘和压气机外机匣，适用于高性能航空发动机高压压气机后面级，其特征在于，由所述压气机转子轮盘和压气机外机匣组成的子午流道沿气流流动方向是线性扩张的，所述压气机外机匣和压气机转子轮盘之间的扩张角Θ为3°?5°，压气机气流出口面积Aout大于气流进口面积Ain，通过减小转子出口轴向速度来实现对气流的做功，实现气流的减速增压。每个压气机叶片的进口叶片角β I和出口叶片角β 2基本相同，。所述子午流道内沿周向均布有若干压气机转子叶片，相邻压气机转子叶片组成的叶栅通道呈等面积分布。
[0007]优选的，压气机出口面积Aout是进口面积Ain的1.5?3.0倍，使得所述压气机出口轴向速度Va2远低于压气机进口轴向速度Val，通过减小转子出口轴向速度来实现对气流的做功，实现气流的减速增压。
[0008]优选的，本发明所述压气机叶片进口叶片角β I和出口叶片角β2基本相同，叶片弯角较小，相邻压气机转子叶片组成的叶栅通道呈等面积分布，有效降低了转子叶片吸力面和压力面之间的压差，减小顶部间隙泄漏流动。
[0009]优选的，本发明所述压气机叶片的稠度c/s为1.5?3，所述压气机叶片的展弦比h/c为0.3?0.8，以兼顾压气机的效率和稳定工作裕度。
[0010]根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种具有扩张子午流道的轴流压气机的设计方法，其特征在于，将压气机转子出口面积设置为大于压气机转子进口面积，将压气机转子叶片的进出口弯角设置为基本相同，相邻压气机转子叶片组成的叶栅通道呈等面积分布，在保证压气机负荷系数不变的前提下，选定压气机转子进出口面积比和转子叶片进出口弯角，兼顾压气机的稳定工作裕度和效率，选定转子叶片的稠度C/s和展弦比h/c。
[0011]与传统压气机通过增加转子叶片转折角，相邻叶片之间形成扩张型流道实现增压不同，本发明的具有扩张子午通道的轴流压气机通过增加子午流道面积实现气流减速增压，通过减小叶片弯角继而减小叶片吸力面和压力面之间压差来抑制叶顶间隙泄漏流动，降低压气机间隙敏感性；或者在保证压气机叶片弯角基本不变的前提下提高压气机的做功能力，增加压气机级负荷，减小压气机级数。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1 (a)为传统轴流压气机子午流道结构示意图，图1 (b)为转子进出口速度三角形示意图。
[0013]图2 Ca)为本发明的具有扩张型子午流道轴流压气机的子午流道结构示意图，图2 (b)为转子进出口速度三角形示意图。
[0014]标号说明:压气机转子轮盘1、压气机转子叶片2、压气机外机匣3。
【具体实施方式】
[0015]下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0016]图1 (a)、(b)为传统轴流压气机子午流道及转子进出口速度三角形示意图。压气机包括压气机转子轮盘1、压气机转子叶片2和压气机外机匣3，压气机转子轮盘I和压气机外机匣3组成压气机转子的子午流道。可以看出，传统轴流压气机设计中通常沿着气流流动方向收缩子午流道以保证轴向速度不变，相邻叶片之间形成扩张型流道来实现气流的减速增压。随着压气机级负荷的增加，叶片弯角增大，这一方面会导致叶片吸力面容易出现流动分离，限制了级负荷进一步提升；另一方面，增加了压气机转子叶片压力面和吸力面之间的压差，加剧了转子叶顶间隙泄漏流动，对压气机的性能和稳定性产生影响。
[0017]如图2所示，本发明的用于高性能航发动机高压压气机的后面级由压气机转子轮盘1、压气机转子叶片2、压气机外机匣3组成，所述压气机转子轮盘I和压气机外机匣3组成的子午流道沿气流流动方向是扩张的，所述压气机外机匣3和转子轮盘I的扩张角Θ为3°?5°，压气机出口面积Aout是进口面积Ain的1.5?3.0倍，所述压气机转子叶片进口叶片角β I和出口叶片角β 2基本相同，叶片弯角较小，压气机相邻叶片组成的叶栅通道呈等面积分布，所述压气机叶片的稠度c/s为1.5?3，所述压气机叶片的展弦比h/c为
0.3?0.8，以兼顾压气机的效率和裕度。设计中保证负荷系数相同的情况下对进出口面积比及叶片弯角大小进行优化，保证压气机出口轴向速度Va2远低于压气机进口轴向速度Val。压气机工作时，压气机转子相邻叶片形成沿气流流动方向面积不变通道，叶片吸力面局部加速能力以及轴向速度的降低使得叶片吸力面与压力面之间的速度差减小，压力面与吸力面之间的压差减小，显著减小顶部间隙泄漏流动，降低了压气机间隙敏感性。
[0018]综上所述，本发明通过减小通过转子叶片的轴向速度来实现对气流的做功，实现气流的减速增压，相比于传统的压气机设计，气流弯角较小，叶片吸力面局部加速能力以及轴向速度的降低使得叶片吸力面与压力面之间的速度差减小压力面与吸力面之间的压差减小，显著减小顶部间隙泄漏流动。另一方面，通过减小转子叶片的轴向速度来实现对气流的做功能够使叶片弯角的减小，有利于进一步提闻压气机的级负荷，减少压气机级数。
[0019]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种具有扩张型子午流道的轴流压气机，包括压气机转子叶片、压气机转子轮盘和压气机外机匣，适用于高性能航空发动机高压压气机后面级，其特征在于，由所述压气机转子轮盘和压气机外机匣组成的子午流道沿气流流动方向是扩张的，所述压气机转子轮盘和压气机外机匣的扩张角Θ为3°?5°，压气机气流出口面积Aout大于气流进口面积Ain，通过减小转子出口轴向速度来实现对气流减速增压；所述压气机转子叶片进口叶片角β I和出口叶片角β 2基本相同；所述子午流道内沿周向均布有若干压气机转子叶片，相邻压气机转子叶片组成的叶栅通道呈等面积分布。
2.根据权利要求1所述的具有扩张型子午流道的轴流压气机，其特征是:所述压气机出口面积Aout是进口面积Ain的1.5?3.0倍。
3.根据权利要求1或2所述的具有扩张型子午流道的轴流压气机，其特征是:所述压气机出口轴向速度Va2远低于压气机进口轴向速度Val。
4.根据权利要求1至3所述的具有扩张型子午流道的轴流压气机，其特征是:所述压气机叶片的稠度C/S为1.5?3，所述压气机叶片的展弦比h/c为0.3?0.8。
5.一种具有扩张子午流道的轴流压气机的设计方法，其特征在于，由压气机转子轮盘和压气机外机匣组成的子午流道沿气流流动方向是扩张的，将压气机转子出口面积设置为大于压气机转子进口面积，将压气机转子叶片的进出口弯角设置为基本相同，相邻压气机转子叶片组成的叶栅通道呈等面积分布，在保证压气机负荷系数不变的前提下，选定压气机转子进出口面积比和转子叶片进出口弯角，兼顾压气机的裕度和效率，选定稠度C/S和展弦比h/c。
【文档编号】F04D29/38GK104074799SQ201310575261
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年11月17日 优先权日:2013年11月17日
【发明者】卢新根, 张燕峰, 赵胜丰, 朱俊强 申请人:中国科学院工程热物理研究所