CN103953579A

CN103953579A - 一种具有顶部开叉的压气机转子叶片及设计方法

Info

Publication number: CN103953579A
Application number: CN201410169055.5A
Authority: CN
Inventors: 卢新根; 朱俊强; 张燕峰; 赵胜丰
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Chengdu China Sciences Aircraft Engine Co., Ltd.
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-24
Also published as: CN103953579B

Abstract

本发明公开了一种具有叶顶开叉的压气机转子叶片及其设计方法，属于航空燃气涡轮发动机压气机技术领域，其关键在于在压气机转子叶顶区域采用了一种具有开叉的叶片布局，即在保持压气机转子叶片中下部结构不变的前提下，在其顶部开叉形成叶顶前排叶片和叶顶后排叶片。该发明的具有叶顶开叉的压气机叶片可直接用于高推重比航空燃气涡轮发动机，实现压气机叶顶高负荷大弯角设计，在不增加流动损失和压气机轴向长度的前提下大幅度提高压气机加功增压能力，提升压气机气动性能。

Description

一种具有顶部开叉的压气机转子叶片及设计方法

技术领域

本发明涉及一种具有顶部开叉的压气机转子叶片及其设计方法，能够有效控制高负荷压气机转子叶片顶部吸力面气流分离，实现转子叶顶高负荷大弯角设计，在不增加压气机重量和轴向尺寸的前提下大幅度提高压气机加功增压能力，提升压气机气动性能，特别适用于高推重比航空燃气涡轮发动机压气机。

背景技术

为了使发动机的整体性能指标显著提高，其中最重要的目标是提高推重比，这就对压气机的设计水平提出了更高的要求，更高的单级压比和效率，在更少的级数上实现更高的负荷就成为压气机研制所追求的目标。压气机单级负荷的提高对于航空发动机缩短轴向长度、减轻结构重量、减少部件数量起着重要的作用，然而，压气机级的负荷的提高意味这着气流流过叶片的转折角增加，高负荷大弯角叶片吸力面附面层、激波以及叶顶端区复杂流动流动之间相互作用使得压气机叶片吸力面容易出现流动分离，导致压气机的气动稳定性降低，在传统的叶片布局下，压气机单级负荷的提高主要受到附面层分离的限制。

为了提升压气机性能，设计者们发展了一系列调控压气机转子顶部分离的措施，如采用掠型设计对转子顶部进行卸载，或者在转子叶顶机匣上加工一定数目的周向槽或者轴向缝，利用处理机匣的抽吸作用对转子叶顶进行卸载，从而提高控制转子叶顶区域流动分离，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提高压气机转子叶顶负荷且不增加压气机结构复杂性和加工制造成本的新型压气机转子结构布局。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理，能够有效提高压气机转子叶顶负荷水平，同时不增加压气机结构复杂性和加工制成本的新型压气机转子结构布局。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种具有顶部开叉的压气机转子叶片，所述转子叶片在空间上沿周向均匀地布置在所述压气机轮毂上，所有开叉叶片的叶根部分与所述压气机轮毂相连并绕着压气机轴旋转，相邻两开叉叶片之间的夹角相等；所述压气机转子叶片在顶部范围沿叶片排中间位置开叉形成叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，使压气机转子叶顶前排叶片和叶顶后排叶片之间拉开一定的轴向间距，并分别朝叶片吸力面和叶片压力面倾斜，所述叶片中下部与叶尖前排叶片和叶后排叶片平滑过渡。即在保持压气机转子叶片中下部结构不变的前提下，在其顶部开叉形成叶顶前排叶片和叶顶后排叶片。

本发明所述压气机转子叶片所述压气机转子叶片在0％～80％的叶高范围为单排叶片，在80％～100％叶高范围沿叶片40％～60％轴向弦长位置处轴向开叉，并沿周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜一定角度，形成一叶顶前排叶片和一叶顶后排叶片。本发明所述压气机转子顶部前排叶片和后排叶片在100％叶高处轴向间距为1％～2％叶顶弦长，所述压气机转子顶部前排叶片和后排叶片在100％叶高处沿周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜了θ/8度(θ＝360/叶顶叶片数)，保证100％叶高处顶部前排叶片与顶部后排叶片之间的周向距离为1/4叶顶栅距，所述两片顶部开叉叶片在80％～100％的叶高范围内倾角由0度均匀增加至θ/8度，轴向间距由0均匀增加至1％～2％叶顶弦长。

本发明所述转子叶片采用双圆弧或者多圆弧叶型，叶片根部最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片尖部最大厚度为叶片弦长的2.5％～4％，最大相对厚度沿径向为双曲线分布规律。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种具有顶部分叉的压气机转子叶片的设计方法，其特征在于，首先按照传统压气机设计方法完成常规叶片设计，转子叶片采用双圆弧或者多圆弧叶型，其叶片根部最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片尖部最大厚度为叶片弦长的2.5％～4％，最大相对厚度沿径向分布为双曲线分布规律，设计中采用径向积叠方式；然后保证0％～80％的叶高范围叶片不变，而在80％～100％叶高范围沿叶片40％～60％轴向弦长位置处轴向开叉，使得压气机转子顶部前排叶片和顶部后排叶片之间在100％叶高处的轴向间距为1％～2％叶顶弦长，同时使气机转子顶部前排叶片和顶部后排叶片在100％叶高处沿周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜θ/8度(θ＝360/叶顶叶片数)，开叉成为叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，两片开叉叶片在80％～100％的叶高范围内倾角由0度均匀增加至θ/8度，轴向间距由0均匀增加至1％～2％叶顶弦长；最后使得叶片中下部与叶顶前排叶片和叶顶后排叶片平滑过渡，形成一种顶部开叉的转子叶片结构布局。

与传统压气机相比，本发明在保证叶片排中下部不变的前提下，在叶顶范围沿叶片排中间附近轴向开叉，形成叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，一方面能够有效减小叶顶区域附面层的厚度，抑制端区附面层分离；另一方面，前排叶片压力面喉部的气流速度较高，对后排叶片吸力面的边界层具有加速作用，能够有效抑制使激波后的气流分离，在不增加压气机转子损失的前提下获得更大的气流偏转和加功能力，有效提高压气机气动性能；同时，同传统的串列叶片结构相比，本发明的具有顶部开叉的压气机转子叶片能够有效缩短压气机的轴向长度、减轻压气机结构重量和零部件数，降低了加工成本，显著提高了发动机整体结构的紧凑度。

附图说明

图1为设置本发明的具有顶部开叉的压气机叶片的压气机转子三维示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本实施例用于高推重比航空燃气涡轮发动机压气机的转子压气机轮盘1、压气机外机匣2和顶部开叉叶片3组成。为了有效控制压气机转子尖部气流分离，在压气机轮毂和压气机机匣之间沿周向均匀地布置若干顶部开叉叶片3，所有开叉叶片在0％～80％的叶高范围为单排叶片，而在80％～100％叶高范围沿叶片排40％～60％轴向弦长位置处开叉成为叶顶前排叶片4和叶顶后排叶片5，设计中使压气机转子顶部前排叶片和后排叶片100％叶高位置处的轴向间距为1％～2％叶顶弦长，同时沿周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜θ/8度(θ＝360/叶顶叶片数)，使得100％叶高处叶顶前排叶片与叶顶后排叶片之间的周向距离为1/4叶顶栅距，保证两片开叉叶片在80％～100％的叶高范围内倾角由0度均匀增加至θ/8度，轴向间距由0均匀增加至1％～2％叶顶弦长，并使得叶片中下部与叶尖部分平滑过渡，形成一种顶部开叉的转子叶片结构布局。

综上所述，本发明可直接用于高推重比航空燃气涡轮发动机，通过在叶顶范围沿叶片排中间位置轴向开叉形成叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，使附面层在后排叶片上重新发展，能够允许更大的叶片载荷，抑制大弯度叶片吸力面上的气流分离，在保持压气机高效率、高气动稳定性的条件下具有比常规方案高得多的加功增压能力。同时，本发明的具有顶部开叉的压气机叶片能够有效缩短压气机的轴向长度、减轻压气机结构重量和零部件数，降低了加工成本，显著提高发动机整体结构的紧凑度。

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。

Claims

1.一种具有顶部开叉的压气机转子叶片，适用于高推重比航空燃气涡轮发动机压气机，所述压气机转子叶片在空间上沿周向均匀地布置在压气机轮毂上，所有压气机转子叶片的叶根部分与所述压气机轮毂相连并绕着压气机轴旋转，相邻两压气机转子叶片之间的夹角相等，其特征是：各所述压气机转子叶片中下部为单排叶片，在顶部区域沿叶片排中部开叉成为叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，所述叶顶前排叶片和叶顶后排叶片之间拉开一定的轴向间距，并分别朝叶片吸力面和叶片压力面倾斜，所述压气机转子叶片中下部单排叶片与叶尖部分的叶顶前排叶片和叶顶后排叶片平滑过渡。

2.根据权利要求1所述的具有顶部开叉的压气机转子叶片，其特征是：所述压气机转子叶片在0％～80％的叶高范围为单排叶片，所述压气机转子叶片在80％～100％叶高范围沿叶片40％～60％轴向弦长位置处轴向开叉，同时在周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜一定角度，形成一叶顶前排叶片和一叶顶后排叶片。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的具有顶部开叉的压气机转子叶片，其特征是：所述叶顶前排叶片和叶顶后排叶片在100％叶高处轴向间距为1％～2％叶顶弦长，所述叶顶前排叶片和叶顶后排叶片在100％叶高处在周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜θ/8度(θ＝360/叶顶叶片数)，使得100％叶高处叶顶前排叶片与叶顶后排叶片之间的周向距离为1/4倍叶顶栅距，所述叶顶前排叶片与叶顶后排叶片在80％～100％的叶高范围内的倾角由0度均匀增加至θ/8度，轴向间距由0均匀增加至1％～2％叶顶弦长。

4.根据权利要求1至3所述的具有叶顶开叉叶片的压气机转子叶片，其特征是：所述压气机转子叶片采用双圆弧或者多圆弧叶型，叶片根部最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片尖部最大厚度为叶片弦长的2.5％～4％，最大相对厚度沿径向为双曲线分布规律。

5.根据权利要求1至4任一项所述的具有顶部开叉的压气机叶片的设计方法，其特征是：首先按照传统压气机设计方法完成常规叶片设计，转子叶片采用双圆弧或者多圆弧叶型，其叶片根部最大厚度为叶片弦长的6％～9％，叶片尖部最大厚度为叶片弦长的2.5％～4％，最大相对厚度沿径向采用双曲线分布规律，设计中采用径向积叠方式；然后保证叶片排0％～80％叶高范围不变，在80％～100％叶高范围沿叶片40％～60％轴向弦长位置轴向开叉成为叶顶前排叶片和叶顶后排叶片，设计中保证叶顶前排叶片和叶顶后排叶片之间轴向间距在100％叶高处为1％～2％叶顶弦长，同时使气机转子叶顶前排叶片和叶顶后排叶片在100％叶高处沿周向分别朝叶片吸力面和压力面倾斜θ/8度(θ＝360/叶顶叶片数)，两片开叉叶片在80％～100％的叶高范围内的倾角由0度均匀增加至θ/8度，轴向间距由0均匀增加至1％～2％叶顶弦长；最后使得叶片中下部与叶尖部分的叶顶前排叶片与叶顶后排叶片平滑过渡，形成一种顶部开叉转子叶片结构布局。