一种小弯度可调静子设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及轴流压气机可调静子叶片设计方法，属叶轮机械技术领域。
【背景技术】
[0002] 对于工业轴流压气机或燃气涡轮发动机轴流压气机，为了扩大其高效率工作范 围，可采用静子叶片安装角可调技术。为了避免不同安装角下叶片进口较大正、负攻角，可 将静子叶片分成前后两段、独自转动。周正贵、曹晖申请的发明专利"前后半段可调的轴流 压气机静子叶片系统及其工作方法"（专利【申请号】201510191499. 3)中提出一种前后半段 可调静子叶片结构设计和调节方法，可实现前后半段的独自转动；适用于中间级可调静子 叶片。此外，还有适合于安装在压气机进口的后半段可调静子、适用于安装在出口的前半段 可调静子（见上述专利中【背景技术】介绍）。
[0003] 叶片前后半段分开、独自可调可有效解决叶片进口较大正负攻角问题，但结构略 显复杂；并且前后半段在交接处型面突然转折、以及为实现两段相对转动留有的缝隙产生 的缝隙流动会导致流动损失。因此对于常规整体叶片静子，如能避免较大正负攻角造成的 大流动损失，则是一种可以选择的较好设计方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出适用于轴流压气机可调静子的整体叶片设计方法，达到较 小的叶片进口正负攻角、减小流动损失，同时避免前后半段可调静子的结构复杂性。
[0005] -种小弯度可调静子设计方法，其特征在于：叶片弯度小于安装角转动角度，叶片 头部呈尖楔状。
[0006] 其特征体现在以下设计步骤中：
[0007] 步骤1、确定静子叶片最大转动角度炉
[0008] 以静子叶片出口气流速度轴向为基准位置，静子最大转动角度货等于静子出口气 流角与轴向的夹角Φ加上最大转动角度位置气流落后角32与基准位置气流落后角δ 差，其中Φ由下游叶片进气角决定，\与δ 2由该静子叶片的安装角、弯度以及该静子叶 片组成的叶栅稠度决定；
[0009] 步骤2、确定叶片弯度Θ
[0011] 即叶片应采用小弯度设计，保证最大正攻角和最大负攻角叶片通道内流动都处于 低损失范围内；Θ的具体取值由总压损失系数与Θ函数关系的最小值点确定；
[0012] 步骤3、削尖叶片头部
[0013] 为了避免叶片前段局部流动分离，进行叶片头部削尖处理。最大负攻角时，压力面 沿从前缘点位置沿来流方向截去多余的部分，避免在最大负攻角下压力面前段局部分离； 最大正攻角时，吸力面沿从前缘点位置沿来流方向截去多余的部分，避免在最大正攻角下 吸力面前段局部分离。
[0014] 步骤4、头部型线光顺
[0015] 为了加工可行性和避免尖前缘造成前缘附近的小分离，将尖前缘修改成具有前缘 小圆的前缘。为了避免叶片前段平直段与后段之间不光滑产生流动损失，采用样条曲线对 削尖的头部进行光顺处理。
[0016] 本项发明提出小弯度可调静子设计方法，与现有分段可调静子叶片技术比较有以 下优点：结构简单、并且具有较小的流动损失。
[0017] 本项发明所提出的小弯度可调静子设计方法，可直接用于工业轴流压气机或燃气 涡轮发动机轴流压气机静子设计。
【附图说明】
[0018] 图1二维叶型角度标注；
[0019] 图2弯度为零的叶型示意图；
[0020] 图3弯度最大的叶型示意图；
[0021] 图4小弯度前缘削尖的叶型示意图；
[0022] 图5小弯度前缘削尖光顺后的叶型示意图；
[0023] 图中符号及标号名称：Θ .叶片弯度、梦.叶片最大转动角度、δ ρ基准位置落后 角、S2.最大转角位置落后角、Φ.气流转角、^.基准位置负攻角、i2.最大转动角度位置正 攻角、1.中弧线前缘点切线、2.中弧线后缘点切线、3.基准位置轴向气流出气方向、4.最大 转角位置气流出气方向、5.与基准位置出气方向平行的辅助线、6.轴向辅助线、7.弯度为 零的最大转角位置叶型、8.转动轴、9.弯度为零的基准位置叶型、10.弯度最大的最大转角 位置叶型、11.弯度最大的基准位置叶型、12.小弯度最大转角位置的前缘削尖叶型、13.小 弯度最大转角位置的初始叶型、14.小弯度基准位置的初始叶型、15.小弯度基准位置的前 缘削尖叶型、16.小弯度最大转角位置的前缘削尖光顺叶型、17.小弯度基准位置的前缘削 尖光顺叶型。
[0024] 具体实施方法
[0025] 以下结合图1至图5说明小弯度可调导叶设计方法。
[0026] 步骤1.根据静子出口气流角最大偏转角度Φ及基准位置气流落后角δ i与最大 转角位置气流落后角S 2，从几何关系可得静子叶片最大转动角度
[0027] 几何关系具体说明：图1中2、3、4、5这四条线存在简单的几何关系。Φ是两个带 箭头的线之间的夹角，即线3与线4的夹角，等同于线4与线5的夹角，因为线3与线5平 行；史是标注2的两条虚线之间的夹角（为了说明方便，把基准位置的线命名为线2-1，最 大转角位置的线命名为线2-2) ; Φ + δ 2是线2-2与线5的夹角（即线2-2与线3的夹角）； φ + ( δ 2- δ D是线2-2与线2-1的夹角，即梦:.6
[0028] 步骤2.确定叶片弯度Θ
[0029] 由下式，Δ为叶片最大转动角度#与叶片弯度Θ之差，其中Δ +Si对应于叶片
[0031] 最大转动角度时的正攻角i2数值；θ - δ i对应于叶片基准位置最大负攻角i 3女 值。如果Θ =〇(直叶片），基准位置落后角为零、攻角为零，流动损失最小；但最大转 角时正攻角为Δ、达最大，损失最大（图2所示）；如果6>=卞，基准位置时负攻角为切-?、达 最大，损失最大，最大转角位置攻角为接近零），损失最小（图3所示）。由于转角最 大时静子叶栅是收敛通道、未转动是等通流面积通道，因此较大正负攻角在叶片后段不会 产生流动分离；但可能造成前段局部附面层增厚甚至流动分离，因此本专利提出Θ在下式 范围内：
[0033] 即叶片应采用小弯度设计，保证最大正攻角和最大负攻角叶片通道内流动都处于 低损失范围内。Θ的具体取值由总压损失系数与Θ函数关系的最小值点确定。
[0034] 步骤3.为了避免叶片前段局部流动分离，进行叶片头部削尖处理。根据叶片基准 位置图，削平叶片头部下面线段，使其与来流平行、避免在最大负攻角下压力面前段局部分 离（如图4-a所示）；根据叶片最大转动角度，削平叶片头部上面线段，使其与来流平行，避 免在最大正攻角下吸力面前段局部分离（如图4-b所示）。
[0035] 步骤4.为了加工可行性和避免尖前缘造成前缘附近的小分离，将尖前缘修改成 具有前缘小圆的前缘，小圆半径可取1%~2%叶片弦长。为了避免叶片前段平直段与后段 之间不光滑产生流动损失，采用样条曲线对此段进行修改。
[0036] 通过上述过程完成静子叶片设计，图5为最终所得叶片示意。
[0037] 按以上所述设计方法，进行一变循环航空发动机核心机驱动风扇进口导叶的叶中 二维叶型设计。
[0038] 表1两种工作模式的工作要求
[0040] 根据表1可知，二维叶型两种模式的气流转角Φ =25°。
[0041] 步骤1.计算供.本实施例中，已知φ = 25。，可估算得δ 1= 1. 5°， δ 2= 2.0。，因此可得供=25.5。。
[0042] 步骤2.在满足0 <#<，的范围内，进行初步尝试计算，结果如表2。可取叶片弯度 Θ = 150 〇
[0043] 表2不同弯度的总压损失和的比较
[0045] 步骤3.对步骤2生成的二维叶型进行前缘削尖。根据叶片基准位置图，削平叶片 头部下面线段，使其与来流平行、避免在最大负攻角下压力面前段局部分离（如图4-a所 示）；根据叶片最大转动角度，削平叶片头部上面线段，使其与来流平行，避免在最大正攻 角下吸力面前段局部分离（如图4-b所示）。
[0046] 步骤4.在步骤3生成二维叶型的基础上进行光顺。前缘小圆取1%弦长，用二次 样条曲线拟合得到光顺后的二维叶型。
[0047] 总压损失比较如表3。
[0048] 表3各叶型总压损失比较
[0050] 从上表可以看出，初始直叶片双涵道总压损失系数过大。采用小弯度叶型重新设 计后，双涵道总压损失系数大大下降，但是单涵道总压损失系数变大了。进一步进行切割、 光顺后，两种工作模式的总压损失系数均令人满意。
【主权项】
1. 一种小弯度可调静子设计方法，其特征在于包括以下设计步骤： 步骤1、确定静子叶片最大转动角度P 以静子叶片出口气流速度轴向为基准位置，静子最大转动角度@等于静子出口气流角 与轴向的夹角Φ加上最大转动角度位置气流落后角S2与基准位置气流落后角δ i之差， 其中Φ由下游叶片进气角决定，\与S 2由该静子叶片的安装角、弯度以及该静子叶片组 成的叶栅稠度决定； 步骤2、确定叶片弯度Θ即叶片应采用小弯度设计，保证最大正攻角和最大负攻角叶片通道内流动都处于低损 失范围内；Θ的具体取值由总压损失系数与Θ函数关系的最小值点确定； 步骤3、削尖叶片头部 为了避免叶片前段局部流动分离，进行叶片头部削尖处理；最大负攻角时，压力面沿从 前缘点位置沿来流方向截去多余的部分，避免在最大负攻角下压力面前段局部分离；最大 正攻角时，吸力面沿从前缘点位置沿来流方向截去多余的部分，避免在最大正攻角下吸力 面前段局部分离； 步骤4、头部型线光顺 为了加工可行性和避免尖前缘造成前缘附近的小分离，将尖前缘修改成具有前缘小圆 的前缘；为了避免叶片前段平直段与后段之间不光滑产生流动损失，采用样条曲线对削尖 的头部进行光顺处理。
【专利摘要】一种小弯度可调静子设计方法。本发明涉及小弯度可调导叶气动设计方法，属叶轮机械技术领域。步骤1、根据静子出口气流角最大偏转角度φ及基准位置气流落后角δ1与最大转角位置气流落后角δ2，由几何关系可得静子叶片最大转动角度步骤2、根据损失与安装角变化曲线确定叶片弯度θ，满足θ的具体取值由总压损失系数与θ函数关系的最小值点确定；步骤3、将上步设计的二维叶型进行叶片头部削尖处理，避免叶片前段局部流动分离；步骤4、采用样条曲线对叶片头部进行进一步光顺，避免叶片前段平直段与后段之间不光滑产生流动损失。本发明提出一种小弯度可调导叶气动设计方法，在保证静子叶片气动性能前提下有效的简化了调节结构、并且具有较小的流动损失。
【IPC分类】F04D29/56
【公开号】CN105332952
【申请号】CN201510734515
【发明人】曹晖, 周正贵, 崔翠
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年11月2日