CN113883098A - 一种静叶抗畸变轴流压气机及轴流压气机静叶抗畸变方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静叶抗畸变轴流压气机及轴流压气机静叶抗畸变方法，所述压气机静叶畸变区的叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度，非畸变区叶栅稠度为原始稠度。本设计中，静叶轴流压气机的静叶非均匀分布，在受进气畸变流体影响的静叶区域增加叶栅稠度，而不改变其他区域的原始静叶叶片稠度，实现利用非均匀布置静叶调控非均匀流场的目的，保证了压气机在均匀来流情况下性能(流量、压比、效率等)不发生变化，同时提高了进气畸变条件下的气动性能和稳定裕度。

Description

一种静叶抗畸变轴流压气机及轴流压气机静叶抗畸变方法

技术领域

本发明属于轴流式压气机生产领域，尤其是涉及一种静叶抗畸变轴流压气机及轴流压气机静叶抗畸变方法。

背景技术

传统的轴流式压气机设计方法是把压气机进口假设成均匀进气，即来流气动参数和结构载荷是均匀的，因此，轴流压气机中静叶是均匀布置的，其对应的稠度为一定值。新兴的附面层吸入式推进系统(boundary layer ingestion,BLI)由于在降低飞机阻力、降低发动机需用功率等方面有很大潜力。BLI推进系统常采用埋入式的S形进气道，并将进气道、发动机安装在机翼或机身的后部，以尽量吸取较厚的附面层。该布局形式使发动机在正常工作条件下持续吸入大量的附面层(低能量流体)，在同等逆压梯度下气流更容易在进气道内发生分离，从而导致在进气道内的固定位置持续产生进气畸变，这一畸变流场经风扇传递后进入核心机，进一步影响压气机的工作。

进气畸变改变了压气机原有的设计工况，破坏了气流的轴对称流动，造成局部静叶负荷增加，轻则造成压气机稳定裕度下降、性能恶化，重则引起压气机失速和喘振，严重影响整台发动机的正常工作。

研究表明，进气畸变使得压气机内部流场呈现明显的非均匀性，畸变流体经动叶传递到静叶后，引起局部静叶负荷增加，流道内产生严重的流动分离，该流动分离只集中在受畸变流体影响的静叶流道内。针对附面层吸入式推进系统来讲，经动叶传递至静叶的畸变区域是固定的，即静叶受畸变影响的通道的数量和位置是可以确定的。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种静叶抗畸变轴流压气机及轴流压气机静叶抗畸变方法，以提高轴流压气机稳定性和抗畸变能力，保证航空发动机动力系统的稳定运行。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种静叶抗畸变轴流压气机，所述压气机静叶非畸变区叶栅稠度为原始稠度，该压气机静叶畸变区的叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度。

进一步的，压气机静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现结构为：该畸变区静叶叶片弦长为原始设计弦长，增加该畸变区静叶叶片数量。

进一步的，压气机静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现结构为：该畸变区静叶叶片数量为该区静叶叶片原始设计数量，该静叶畸变区静叶叶片弦长大于原始设计弦长。

进一步的，改变静叶畸变区静叶叶型，该畸变区静叶叶片进口几何角与该位置静叶叶片进口气流角匹配。

相对于现有技术，本发明所述的静叶抗畸变轴流压气机具有以下优势：

(1)本设计中，静叶畸变区和非畸变区稠度不同，非畸变区叶栅稠度保持为原始稠度不变，在受进气畸变流体影响的静叶畸变区叶栅稠度较原始稠度增大，而不改变其他区域的原始静叶叶片稠度，实现利用非均匀布置静叶调控非均匀流场的目的，提高了进气畸变条件下的气动性能和稳定裕度。

(2)本设计中，压气机叶栅稠度采用非均匀设置，该设计可以抑制动叶发生共振而损坏，而且非均匀设置的稠度布置可以改变上游转子尾迹扫过静叶的频率，能够起到降噪的作用，保证压气机运行平稳性。

一种轴流压气机静叶抗畸变方法，包括以下步骤：

S1：确定压气机压力传递变化和粒子传递变化；

S2：确定压气机的静叶畸变区；

S3：压气机静叶非畸变区叶栅稠度保持为原始稠度不变，调整静叶畸变区叶栅稠度，使得静叶畸变区叶栅稠度大于静叶非畸变区叶栅稠度。

进一步的，压气机静叶畸变区叶栅稠度增大实现方法为：将该畸变区静叶叶片弦长保持为原始设计弦长不变，增加该畸变区静叶叶片数量。

进一步的，压气机静叶畸变区叶栅稠度增大实现方法为：该畸变区静叶叶片数量保持为该区叶片原始设计数量不变，增加该畸变区静叶叶片弦长。

进一步的，还包括步骤S4：改变该畸变区静叶叶型，使得静叶畸变区静叶叶片进口几何角与该位置静叶叶片进口气流角匹配。

相对于现有技术，本发明所述的一种轴流压气机静叶抗畸变方法具有以下优势：

(1)本设计中，首先判断静叶畸变区位置，然后增大畸变区叶栅稠度，非畸变区的稠度保持原始稠度不变，即畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度，实现利用非均匀布置静叶调控非均匀流场的目的，提高了进气畸变条件下的气动性能和稳定裕度。

(2)本设计中，压气机叶栅稠度采用非均匀设置，推迟气流发生分离的攻角，消弱畸变区静叶流道中的流动分离，有效抑制动叶发生共振而损坏，同时非均匀设置的稠度布置可以改变上游转子尾迹扫过静叶的频率，能够起到降噪的作用，保证压气机运行平稳性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本实施例所述的一种静叶抗畸变轴流压气机主视图；

图2为本实施例一压气机静叶畸变区稠度增加前后静叶分布对照图；

图3为本实施例二通过增加静叶弦长增加叶栅稠度示意图；

图4为压气机静叶几何形状示意图；

图5为本实施例叶栅稠度增加前后压气机效果对照图；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在压气机结构设计时，静叶原始几何参数(例如弦长、数量)及原始稠度大小均可以通过设计资料例如设计手册中相关内容确定，该原始数据指压气机进气设为均匀、静叶圆周方向均匀分布时对应的数据。压气机静叶几何形状及参数如图4所示，其中：

b：弦长，叶型前缘点A和尾缘点B之间直线连线长度；

t：压气机静叶节距；

β_1k：叶型进口几何角，中弧线在前缘点A处的切线与额线的夹角；

β₁：进口气流角，气流方向与额线的夹角；

i：攻角，进口几何角与进口气流角之差，即i＝β_1k-β₁；

τ：叶栅稠度，

为提高压气机抗畸变能力，对本压气机改进如下：

首先确定压气机静叶畸变区位置，该位置的确定通过以下步骤实现：

S1：确定压气机压力传递变化和粒子传递变化；

通过压力传递公式为式(1)进行预测获取压力传递变化，通过粒子传递公式为式(2)进行预测获取粒子传递变化：

式中：Δθpressure表示压力传递变化角，Δθparticle表示粒子传递变化角，b表示轴向弦长，c_ax表示轴向速度，ω是叶片旋转的角速度，c_s表示声速；

S2：确定压气机的静叶畸变区；

压气机进口总压畸变对静叶流道内的周向影响范围由式(3)确定，即压气机静叶畸变区可以由式(3)确定：

Δθ_st＝Δθ_particle-Δθ_pressure+γ (3)

式中：Δθst表示静叶畸变角，γ表示畸变角；

其次，压气机非畸变区叶栅稠度为原始稠度不变，调整畸变区叶栅稠度，使得畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度。

本压气机发明点，即压气机静叶非畸变区叶栅稠度为原始稠度不变，静叶畸变区稠度大于非畸变区稠度。此时压气机叶栅稠度非均匀布置，实现利用非均匀布置静叶调控非均匀流场的目的，消弱畸变区静叶流道中的流动分离，保证进气畸变条件下压气机的通流能力。实验证明，一般在静叶畸变区叶栅稠度较原始稠度增加10％～20％，在保证压气机气流顺畅流通前提下，该压气机静叶畸变区抗畸变效果较好。例如畸变区域叶栅稠度增加20％，可使畸变度为0.05条件下压气机的稳定裕度提高10.07％，使畸变度为0.1条件下压气机的稳定裕度提高18.83％。静叶畸变区叶栅稠度增加的具体数值，要根据压气机静叶中受畸变影响的具体情况确定。如图5所示，其中图5a和图5b分别给出了畸变条件下原型压气机与非均匀稠度压气机的流量-压比特性和流量-效率特性对比曲线，其中opt对应曲线为畸变区稠度增加20％后特性曲线，ori对应曲线为畸变区稠度增加前特性曲线。从流量-压比特性看(图5a所示)，两型压气机压比特性线几乎重合，但非均匀稠度压气机工作流量范围相对于原型压气机扩大了33.9％。从流量-效率特性看(图5b所示)，非均匀稠度压气机的效率特性线要高于原型压气机效率特性线。原型压气机稳定裕度为8.34％，非均匀稠度压气机稳定裕度为10.20％，相对于原型压气机提高了22.30％。

压气机畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现两种方式，如下说明：

实施例一，单纯增加畸变区静叶叶片数量。具体的：畸变区静叶叶片弦长为原始弦长不变，增加畸变区静叶叶片数量，使得畸变区静叶叶片数量大于该区静叶叶片原始数量。其原理为，单纯增加了畸变区静叶叶片数量，此时压气机静叶畸变区叶片数量大于原始数量，畸变区静叶叶片节距小于非畸变区静叶叶片节距，而叶片弦长保持为原始弦长不变，根据稠度公式可知，此时畸变区稠度大于原始叶栅稠度，由于非畸变区叶栅稠度一直保持为原始稠度不变，由此实现该静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度。如图1所示，以压气机畸变区域在-75°～10°角范围内叶栅稠度增加20％为例说明，将畸变区静叶叶片数量由原始数量11个调整为13个，叶片数量增加前后叶片分布对照图如图2所示，静叶叶片数量增加至13个后，节距减小了20％，稠度增加20％。

实施例二，单纯增加畸变区静叶叶片弦长。具体的：畸变区静叶叶片数量保持为该区原始数量不变，增加该畸变区静叶叶片弦长。由于压气机静叶畸变区静叶叶片弦长大于原始弦长，而叶片数量保持原始数量不变，即叶片节距不变，由稠度公式可知此时畸变区叶栅稠度大于原始稠度，同时非畸变区静叶稠度保持原始稠度不变，由此该静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度。如图3所示，静叶叶片弦长b的具体数值(图3中b₁为静叶叶片原始弦长，b₂、b₃或b₄各自代表稠度增加后畸变区静叶叶片不同弦长)根据该位置叶栅稠度值确定。

为进一步提高压气机进气畸变条件下的气动性能和稳定裕度，本轴流压气机对畸变区静叶叶型进行了改变，使得静叶畸变区静叶叶片进口几何角与该位置静叶叶片进口气流角匹配。本设计中，静叶叶片进口几何角β_1k与该位置静叶叶片进口气流角β₁匹配设计原理为：压气机畸变气流传递给静叶后，为防止该畸变气流在静叶流道内产生严重的流动分离，要保证压气机静叶的攻角i最大变化范围为-2°～2°内，最优为0°，因此压气机静叶叶型设计原则要尽量保证其进口几何角β_1k和进口气流角β₁匹配。试验及计算证明，气流在压气机内经动叶后向静叶传递过程中，静叶畸变区静叶的进口气流角β₁＇较非畸变区域静叶的进口气流角β₁增大4～15°。根据该结果，为防止即使增加畸变区叶栅稠度τ，气流在流道内仍然出现流动分离，本实施例中对静叶畸变区的静叶形状进行改变，将该畸变区域静叶的进口几何角β_1k＇较非畸变区域静叶进口几何角β_1k增大4～15°，畸变区静叶进口几何角β_1k＇具体值大小根据该区域进口气流角β₁＇大小确定，静叶畸变区静叶叶片的进口几何角β_1k＇与其对应进口气流角β₁＇匹配，此时畸变区静叶攻角i基本为0，由此达到既能保证压气机在均匀来流情况下性能(流量、压比、效率等)不发生变化，又能提高进气畸变条件下的气动性能和稳定裕度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种静叶抗畸变轴流压气机，其特征在于：所述压气机静叶非畸变区叶栅稠度为原始稠度，该压气机静叶畸变区的叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度。

2.根据权利要求1所述的一种静叶抗畸变轴流压气机，其特征在于：压气机静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现结构为：该畸变区静叶叶片弦长为原始设计弦长，增加该畸变区静叶叶片数量。

3.根据权利要求1所述的一种静叶抗畸变轴流压气机，其特征在于：压气机静叶畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现结构为：该畸变区静叶叶片数量为该区静叶叶片原始设计数量，该静叶畸变区静叶叶片弦长大于原始设计弦长。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种静叶抗畸变轴流压气机，其特征在于：改变静叶畸变区静叶叶型，该畸变区静叶叶片进口几何角与该位置静叶叶片进口气流角匹配。

5.一种轴流压气机静叶抗畸变方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定压气机压力传递变化和粒子传递变化；

S2：确定压气机的静叶畸变区；

S3：压气机静叶非畸变区叶栅稠度保持为原始稠度不变，调整静叶畸变区叶栅稠度，使得静叶畸变区叶栅稠度大于静叶非畸变区叶栅稠度。

6.根据权利要求5所述的一种轴流压气机静叶抗畸变方法，其特征在于：压气机畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现方法为：将该畸变区静叶叶片弦长保持为静叶原始设计弦长不变，增加该畸变区静叶叶片数量。

7.根据权利要求5所述的一种轴流压气机静叶抗畸变方法，其特征在于：压气机畸变区叶栅稠度大于非畸变区叶栅稠度实现方法为：该畸变区静叶叶片数量保持为该区叶片原始设计数量不变，增加该畸变区静叶叶片弦长。

8.根据权利要求5或6或7所述的一种轴流压气机静叶抗畸变方法，其特征在于：还包括步骤S4：改变该畸变区静叶叶型，使得静叶畸变区静叶叶片进口几何角与该位置静叶叶片进口气流角匹配。

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