半串列葉片及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于壓氣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其指代一種可用于軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子以及離心或斜流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的半串列葉片及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在以航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的各類軸流、斜流、離心壓氣機(jī)中，氣流在葉片構(gòu)成的通道中減速擴(kuò)壓將動(dòng)能最大可能的轉(zhuǎn)化成壓力能。在大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，以單級(jí)壓氣機(jī)獲得盡可能高的壓比是壓氣機(jī)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)都體現(xiàn)為壓氣機(jī)級(jí)數(shù)越來(lái)越少，平均級(jí)壓比越來(lái)越高；在微小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于尺寸的限制，壓氣機(jī)內(nèi)氣流沿程逆壓梯度更大，粘性效應(yīng)更為明顯。這些因素都導(dǎo)致高負(fù)荷壓氣機(jī)容易在某些葉高產(chǎn)生分離，從而使壓縮效率大大降低，這是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中面臨的重要問(wèn)題。
[0003]針對(duì)壓氣機(jī)中由于大擴(kuò)壓度產(chǎn)生的分離問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已對(duì)此展開(kāi)了大量研究，綜合該領(lǐng)域已有的工作，相關(guān)技術(shù)主要有如下幾類:(1)先進(jìn)的葉形設(shè)計(jì)；(2)采用流動(dòng)控制技術(shù)，如吸附式壓氣機(jī)技術(shù)、零質(zhì)量流量合成射流技術(shù)、脈沖微射流控制技術(shù)、振動(dòng)壁面流動(dòng)控制技術(shù)、等離子體流動(dòng)控制技術(shù)、聲學(xué)控制技術(shù)等；(3)壓氣機(jī)葉片開(kāi)槽設(shè)計(jì)方案；(4)采用整體葉片串列技術(shù)方案。
[0004]上述這些技術(shù)都從各方層面推動(dòng)了大擴(kuò)壓度壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)能力的進(jìn)步，但是，也存在著一些不足:(1)采用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法來(lái)獲得更優(yōu)化的三維幾何造型可以使分離點(diǎn)位置延后甚至消除分離，增大壓氣機(jī)壓比和效率，但是，這種設(shè)計(jì)思路目前已接近技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的極限，當(dāng)壓氣機(jī)某些葉高的擴(kuò)壓負(fù)荷超過(guò)當(dāng)前水平時(shí)，該技術(shù)即無(wú)法產(chǎn)生有效作用。(2)采用流動(dòng)控制技術(shù)能有效抑制甚至消除流動(dòng)分離，但往往要引入復(fù)雜甚至笨重、成本高昂的額外機(jī)構(gòu)，如復(fù)雜氣路、吹/吸氣源、合成射流裝置、等離子體發(fā)生裝置、作動(dòng)機(jī)構(gòu)等，對(duì)于追求高推重比及緊湊性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，尚難以在實(shí)際工程中有效應(yīng)用。(3)該技術(shù)通過(guò)開(kāi)槽，將一股氣流由葉片壓力面經(jīng)過(guò)槽道吹向吸力面，并由此控制葉背氣流分離。這與在外流中得到廣泛應(yīng)用的飛機(jī)機(jī)翼的襟翼或多段翼型技術(shù)是基本相同的，因此該工作原理已得到有效驗(yàn)證，該技術(shù)可認(rèn)為是串列葉片周向位置PP略小于1，軸向位置A0為一定負(fù)值的一個(gè)特例，相比串列葉片，可調(diào)參數(shù)范圍較小。(4)整體葉片串列技術(shù)通過(guò)后葉片附面層重生成和前后排葉片的相互耦合影響，達(dá)到抑制流動(dòng)分離，增加壓氣機(jī)壓比和效率的目的；對(duì)于一般高負(fù)荷單列壓氣機(jī)而言，分離往往由于高擴(kuò)壓度或激波附面層干涉作用發(fā)生于或率先發(fā)生于某些葉高，采用整體葉片串列技術(shù)能通過(guò)上述的兩個(gè)機(jī)理有效抑制單列葉片會(huì)發(fā)生分離葉高的附面層分離，但在不分離葉高，由于壓氣機(jī)葉片在湍流條件下，葉片由于附面層摩擦和摻混帶來(lái)的總壓損失系數(shù)與以葉片弦長(zhǎng)表征的雷諾數(shù)的-1/5?-1/7次方成生比，因此采用串列葉片由于附面層重生成造成葉片總壓損失系數(shù)約為單列葉片的
1.1?1.15倍，通過(guò)前后排葉片的相互耦合影響能略微減小這個(gè)比例系數(shù)，卻難以將其降低至1以下。因此采用整體串列技術(shù)能在分離葉高產(chǎn)生正收益，卻因?yàn)樵诓话l(fā)生分離葉高的負(fù)收益，降低了整體串列葉片的實(shí)際正收益，甚至產(chǎn)生實(shí)際負(fù)收益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種半串列葉片及其設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高壓氣機(jī)壓比與效率，能有效抑制高擴(kuò)壓度葉高流動(dòng)分離，同時(shí)避免低擴(kuò)壓度葉高因附面層重新生成帶來(lái)的額外損失。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種半串列葉片，其結(jié)構(gòu)為:周向周期性安置若干葉片，葉片沿葉高方向采用部分單列與部分串列，并通過(guò)葉片分叉的方式實(shí)現(xiàn)單列向串列的平滑、連續(xù)過(guò)渡。
[0007]進(jìn)一步地，所述葉片在原型單列葉片的基礎(chǔ)上，保證子午形狀不變，通過(guò)半串列技術(shù)得到，應(yīng)用于軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子及離心或斜流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上。
[0008]進(jìn)一步地，所述的葉片僅在原型單列葉片產(chǎn)生分離的葉高采用串列葉片，通過(guò)葉片分叉與其他部分平滑、連續(xù)連接，并形成連通的整體，根據(jù)采用串列葉片葉高的位置，可分為Y型、Λ型、K型、0型半串列葉片，分別對(duì)應(yīng)串列位置在葉尖、葉根、葉尖和葉根、葉中。
[0009]進(jìn)一步地，所述的串列葉片部分通過(guò)合理分配前后葉片載荷，及調(diào)整后排葉片的葉片角，保證總損失最低；并通過(guò)優(yōu)化軸向間隙Α0和周向位置ΡΡ，利用前后葉片相互的耦合影響，抑制流動(dòng)分離，提高葉片擴(kuò)壓性能，其中Α0定義為前葉片尾緣和后葉片前緣軸向間隙與葉片總軸向弦長(zhǎng)的比值，取值范圍為-0.2?0.2 (負(fù)號(hào)表示前后排葉片有軸向重合)，ΡΡ定義為后葉片前緣和前葉片尾緣背風(fēng)側(cè)的周向距離與葉片通道周向?qū)挾鹊谋戎担≈捣秶鸀?.5?0.95 ;在串列與單列的過(guò)渡位置，Α0取值范圍為0?0.2，ΡΡ的取值為0.95 ?1。
[0010]進(jìn)一步地，應(yīng)用Υ型半串列葉片技術(shù)的轉(zhuǎn)子，其串列部分前葉片各個(gè)截面重心向轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反側(cè)偏移，以實(shí)現(xiàn)前后葉片的周向錯(cuò)位，當(dāng)前葉片離心力作用截面ΡΡ< l-2Fada/Fcs時(shí)，由于截面重心偏移造成的附加彎矩與葉片表面氣動(dòng)力彎矩部分抵消，作為危險(xiǎn)截面的轉(zhuǎn)子葉片葉根應(yīng)力水平不會(huì)增加，大于該值時(shí)，則需保證轉(zhuǎn)子葉片葉根應(yīng)力水平在安全范圍內(nèi)。
[0011]本發(fā)明的一種半串列葉片設(shè)計(jì)方法，包括如下:
[0012]1)根據(jù)原型純單列葉片確定其設(shè)計(jì)點(diǎn)產(chǎn)生分離的葉高，在該部分葉高將原單列葉片斷開(kāi)并加以調(diào)整，形成串列葉片，其余部分保持為原來(lái)的單列葉片；
[0013]2)單列葉片在未分離葉高即提前分叉，向串列葉片過(guò)渡，整個(gè)葉片構(gòu)成連通的整體；
[0014]3)串列葉片部分相比單列葉片的斷開(kāi)位置應(yīng)保證前后葉片載荷分配合理，使前后葉片總損失最低；
[0015]4)串列葉片部分后排葉片的葉片角應(yīng)加以調(diào)整，以適應(yīng)前排葉片由落后角造成的攻角變化，使得后排葉片處于低損失狀態(tài)；
[0016]5)串列葉片部分在同時(shí)考慮氣動(dòng)和強(qiáng)度的前提下，通過(guò)優(yōu)化軸向間隙和周向位置，使前后葉片通過(guò)相互的耦合影響，抑制流動(dòng)分離，降低流動(dòng)損失，提高葉片擴(kuò)壓性能的效果；
[0017]6)當(dāng)用于轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，前葉片離心力作用截面，PP < l-2Fada/Fcs時(shí)，不會(huì)增加危險(xiǎn)截面應(yīng)力水平，大于該值時(shí)，則需進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證轉(zhuǎn)子葉片葉根應(yīng)力在安全范圍內(nèi)。
[0018]進(jìn)一步地，所述的軸向間隙的取值范圍為-0.2?0.2，周向位置的取值范圍為0.5 ?0.95。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]在低擴(kuò)壓度無(wú)分離的葉高采用單列葉片，避免了因采用串列葉片造成的附面層重新生成和尾跡摻混產(chǎn)生的額外損失；在高擴(kuò)壓度采用單列葉片會(huì)產(chǎn)生分離的葉高，利用串列葉片后排葉片產(chǎn)生新附面層和前后葉片的相互耦合影響，能有效抑制流動(dòng)分離，降低流動(dòng)損失；這兩方面作用使得半串列葉片性能優(yōu)于純單列葉片與純串列葉片，且半串列葉片的應(yīng)用范圍更為廣泛；當(dāng)該技術(shù)用于轉(zhuǎn)子時(shí)，通過(guò)合理周向偏移串列部分葉片各個(gè)截面，使離心力產(chǎn)生的附加彎矩與氣動(dòng)彎矩相抵消，不會(huì)增加危險(xiǎn)截面的應(yīng)力水平，工程應(yīng)用性較強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為大擴(kuò)壓度葉柵葉背有分離的流動(dòng)示意圖。。
[0022]圖2為無(wú)耦合條件下單列與串列葉片葉形損失與擴(kuò)壓能力的關(guān)系示意圖。
[0023]圖3為半串列葉片三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為半串列葉片串列部分參數(shù)示意圖。
[0025]圖5為半串列葉片幾種形式的子午面內(nèi)示意圖。
[0026]圖6為可應(yīng)用Y型半串列技術(shù)的壓氣機(jī)類型示意圖。
[0027]圖7為應(yīng)用于轉(zhuǎn)子的Y型半串列葉片技術(shù)周向受力示意圖。
[0028]圖1中，1表示的是分離點(diǎn)位置，2表示的是分離區(qū)。圖2中，實(shí)線代表單列葉片，虛線代表無(wú)耦合情況下的串列葉片，橫坐標(biāo)為靜壓升，縱坐標(biāo)為總壓損失。圖3中，L1代表半串列葉片所占葉尚，L2代表串列葉片所占葉尚，L3代表單列葉片所占葉尚。圖4中，F(xiàn)B代表前葉片，AB代表后葉片，K11和K12代表前葉片進(jìn)出口葉片角，K21和K22代表后葉片進(jìn)出口葉片角，s代表柵距，t代表后葉片前緣和前葉片尾緣背風(fēng)側(cè)的周向距離，△ xl代表前后葉片軸向間隙(正值)或重合度(負(fù)值)，Αχ2代表串列葉片總的軸向長(zhǎng)度，前后葉片軸向位置A0定義為Δχ1/Δχ2，前后葉片周向位置PP定義為t/s。圖5中，由左向右分別是Y型、Λ型、Η型、0型半串列葉片。圖6中，由左向右分別Υ型半串列軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子/靜子、Υ型半串列斜流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、Υ型半串列離心壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。圖7中，Hub代表輪轂，SS代表轉(zhuǎn)子葉片吸力面，PS代表轉(zhuǎn)子葉片壓力面，F(xiàn)a代表轉(zhuǎn)子葉片表面周向氣動(dòng)力，da代表周向氣動(dòng)力作用中心，F(xiàn)c代表轉(zhuǎn)子串列部分前葉片所受離心力，da代表該離心力的作用中心。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。
[0030]參照?qǐng)D1，高負(fù)荷壓氣機(jī)常常因?yàn)槿~背分離，影響了壓氣機(jī)的壓比和效率，采用串列葉片技術(shù)能對(duì)分離進(jìn)行有效抑制。參照?qǐng)D2，在低擴(kuò)壓度無(wú)分離的壓氣機(jī)葉高，無(wú)耦合串列葉片的總壓損失系數(shù)約為單列葉片的1.2倍，而在高擴(kuò)壓度有分離葉高，無(wú)耦合串列葉片的總壓損失系數(shù)低于單列