CN105864105A - 一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子 - Google Patents

Abstract

本发明为一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，包括机匣、静子叶片、轮毂，其特征在于，还包括离体小叶片，所述离体小叶片为双圆弧叶型直叶片，位于静子叶片和静子叶片之间，且离体小叶片和静子叶片不接触；离体小叶片叶根与轮毂固连，离体小叶片叶根的安装角不大于静子叶片叶根的安装角。本发明抑制了静子叶片通道中的角区分离，并且离体小叶片叶顶前缘产生的诱导涡结构与静子叶片的分离流体相互作用，使分离流体更加贴近叶背流动，抑制了流动分离的进一步发展。因此扩大了压气机流道的有效流通面积，提高压气机的流量裕度。比起静子串列叶栅技术，无需改型设计，本发明安装方便，节省工业制造成本。

Description

一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子

技术领域

本发明涉及叶轮机械的流动控制领域，具体涉及一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子。

背景技术

对于现代航空发动机，通常要求其风扇和进口级压气机能在各种复杂流场下稳定工作。然而当压气机工作在恶劣的非设计工况，在流道逆压梯度的作用下，压气机静子叶片轮毂角区容易发生角区分离现象。一旦流动分离扩大，分离流体堵塞压气机流道，使压气机进入旋转失速、喘振等非稳定工况，压气机性能急剧恶化，严重影响发动机的正常工作。对于高负荷静子叶片扩压程度大，流动易分离的特点，文献“魏巍,刘波等，高负荷小型压气机大弯角串列静子特性[J].航空动力学报.2013.28(5):1067-1073”提供了一种流动分离控制的技术，文献对一台小型涡轴发动机的轴流部分一大弯角静子叶片进行了串列改型研究，采用串列静子有效减弱了原来静子的气流分离，提高了压比和效率。文献中为了改进压气机静子性能，需重新设计一套串列静子叶片，替换原来的静子叶片，势必造成工作量大，并增大工业制造成本。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：为了避免现有串列叶栅技术的不足之处，本发明提出了一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，即在压气机静子叶片前缘的轮毂角区，安装一离体小叶片，离体小叶片靠近静子叶片吸力面，整体尺寸比静子叶片低1-2个数量级。利用离体小叶片对静子通道的分离流体进行流动控制。一方面，气流在离体小叶片和静子叶片中加速流过，吹除静子叶片后缘的分离流体，另一方面，离体小叶片的叶顶诱导出螺旋流动，这种涡运动抑制了静子叶片通道中角区分离的发展。提高压气机的稳定工作范围。该技术简单易行，只需在原有的静子叶片轮毂角区前缘安装一离体小叶片。避免了像串列叶栅流动控制技术需要重新设计一套叶型的麻烦。

本发明的技术方案是：一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，包括机匣4、静子叶片1、轮毂3，还包括离体小叶片2，所述离体小叶片2为双圆弧叶型直叶片，位于静子叶片1和静子叶片1之间，且离体小叶片2和静子叶片1不接触；离体小叶片2叶根与轮毂3固连，离体小叶片叶根的安装角不大于静子叶片叶根的安装角。

本发明进一步的技术方案是：沿轮毂3轴线方向，所述离体小叶片2与静子叶片1前缘的距离为5％-15％的叶根轴向弦长；沿轮毂3周向方向，离体小叶片2与静子叶片1吸力面的距离为5％-10％的叶根轴向弦长。

本发明进一步的技术方案是：所述离体小叶片2的叶型弯角为30°-60°

本发明进一步的技术方案是：所述离体小叶片的叶高为静子叶片叶高的40％-60％。离体小叶片叶根弦长为静子叶片叶根弦长的5％-10％。

发明效果

本发明的技术效果在于：相对于设计工况，在小流量工况下，静子轮毂角区发生轮毂角区分离现象，安装于静子叶片轮毂角区前缘的离体小叶片引导气流发生偏转，并加速流动，抑制了静子叶片通道中的角区分离，并且离体小叶片叶顶前缘产生的诱导涡结构与静子叶片的分离流体相互作用，使分离流体更加贴近叶背流动，抑制了流动分离的进一步发展。因此扩大了压气机流道的有效流通面积，提高压气机的流量裕度。比起静子串列叶栅技术，无需改型设计，本发明安装方便，节省工业制造成本。在亚音速轴流压气机级上开展了离体小叶片抑制压气机静子叶片轮毂角区流动分离的研究。研究结果表明，未安装离体小叶片的单级压气机流量裕度为12.26％，在静子叶片设置离体小叶片获得的流量裕度为15.49％，流量裕度改进量为3.23％。发明的离体小叶片流动控制技术增大了压气机级的稳定工作范围。

附图说明

图1是本发明的离体小叶片流动控制技术应用在压气机静子叶片的单通道示意图；

图2是在静子叶片叶根截面的离体小叶片和静子叶片轮廓结构示意图；

图3为大气压为105500Pa背压下安装离体小叶片前后轴流压气机静子10％叶高截面气流流线分布对比；

附图标记说明：1—静子叶片；2—离体小叶片；3—轮毂；4—机匣；5—静子叶片前缘；6—静子叶片尾缘；7—吸力面；8—压力面。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，对本发明技术方案进一步说明。

1、参见图1-图3，包括轴流压气机静子叶片，轴流压气机轮毂、机匣和离体小叶片，其特点是离体小叶片安装于静子通道内的每两个静子叶片之间。沿轮毂轴线方向，离体小叶片与静子叶片前缘的距离为5％-15％的叶根轴向弦长，轴向弦长是是叶片弦长在旋转轴方向的投影。沿轮毂周向方向，离体小叶片与静子叶片吸力面的距离为5％-10％的叶根轴向弦长，离体小叶片叶根与静子轮毂连接。

离体小叶片为一双圆弧叶型的直叶片，叶高为静子叶片叶高的40％-60％。离体小叶片弦长为静子叶片叶根弦长的5％-10％，安装角不大于静子叶片叶根的安装角。

1)本发明研究对象的压气机机匣4半径为0.1466m，轮毂3半径0.091m，静子叶片数目为44。

2)在轮毂3上安装离体小叶片2，离体小叶片2的叶根和轮毂3相连。离体小叶片)2为直叶片，从叶根到叶顶径向跨度占静子叶片1径向长度的40％，即叶片高度为静子叶片1高度的40％。离体小叶片2的叶根弦长为静子叶片1叶根弦长的5％。

3)离体小叶片2采用的叶型为双圆弧叶型，叶型的最大相对厚度为0.17mm。叶型弯角为50°。

4)轴向位置离体小叶片2叶根加装于静子叶片1叶根前缘10％轴向弦长处的轮毂3上，叶型安装角为26°，周向位置离体小叶片2叶根前缘距静子叶片吸力面7的距离为7.4％的静子叶根轴向弦长。需要说明的是，叶型的安装角即为叶型的弦线和轴向的夹角，压气机中默认叶高的方向为径向，旋转方向为周向，旋转轴为轴向。

5)离体小叶片2的径向长度远大于弦向长度，即叶片高度远大于叶片弦长，但不是受力部件。流体从静子叶片1的吸力面7和压力面8形成的通道流过，在静子叶片前缘5附近被离体小叶片2分成两部分，一小部分流体从离体小叶片2和静子叶片1的吸力面7之间的通道流过，气流经过加速，抑制静子叶片尾缘6附近发生的轮毂角区失速，从而缓解了低能流体堆积，有效的扩大了静子叶片1轮毂角区的流通面积。

在单级轴流压气机上开展了静子离体小叶片流动控制的CFD数值仿真研究，得到离体小叶片抑制流动分离后单级轴流压气机性能变化前后的数据。

表1 安装离体小叶片前后的单级压气机性能对比

研究结果表明在轴流压气机静子叶片设置离体小叶片能有效地抑制流动分离，扩大了压气机的稳定工作范围，由图3可清楚的看出，原始的静子叶片通道内流体发生了分离，而安装离体小叶片后，气流分离得到抑制。参照表1可以直观的看出。失稳点流量从2.826Kg/s降低到2.722Kg/s。未安装离体小叶片的压气机级的流量裕度为12.26％，设置离体小叶片后获得的流量裕度为15.49％，流量裕度改进量为3.23％。并且，压气机级的压比并未明显下降。发明的离体小叶片扩稳技术使压气机稳定工作能力有了较大的提高。

Claims (4)

1.一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，包括机匣(4)、静子叶片(1)、轮毂(3)，其特征在于，还包括离体小叶片(2)，所述离体小叶片(2)为双圆弧叶型直叶片，位于静子叶片(1)和静子叶片(1)之间，且离体小叶片(2)和静子叶片(1)不接触；离体小叶片(2)叶根与轮毂(3)固连，离体小叶片叶根的安装角不大于静子叶片叶根的安装角。

2.如权利要求1所述的一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，其特征在于，沿轮毂(3)轴线方向，所述离体小叶片(2)与静子叶片(1)前缘的距离为5％-15％的叶根轴向弦长；沿轮毂(3)周向方向，离体小叶片(2)与静子叶片(1)吸力面的距离为5％-10％的叶根轴向弦长。

3.如权利要求1所述的一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，其特征在于，所述离体小叶片(2)的叶型弯角为30°-60°。

4.如权利要求1或3所述的一种轮毂角区带离体小叶片的轴流压气机静子，其特征在于，所述离体小叶片的叶高为静子叶片叶高的40％-60％。离体小叶片叶根弦长为静子叶片叶根弦长的5％-10％。