CN108757565A - 一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构，包括进口导叶、动叶、静叶，进口导叶、动叶、静叶均安装在主轴上，进口导叶位于主轴的端部，动叶与静叶在主轴周向上交替布置，与进口导叶相邻的为动叶，进口导叶、动叶、静叶外部为机匣，动叶和静叶包括渐缩型叶栅，其前缘呈现反弯曲形状，其后缘呈现正弯曲形状。本发明使叶片端区结构逐步适应压气机端区附面层流动，以提高压气机设计效率和喘振裕度。

Description

一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构

技术领域

本发明涉及的是一种压气机，具体地说是多级轴流压气机。

背景技术

压气机是燃气轮机和航空发动机的主要部件之一，其主要作用是通过叶片旋转做功增加气体压力，从而使得燃烧室内燃烧更加完全并提升涡轮中工质的做功能力。压气机叶片靠近端区的部分由于附面层的影响往往工作在较为恶劣的环境下，传统叶片在造型时通常不考虑端区附面层的影响，从而导致叶片在端区附近的效率急剧下降。目前，采用弯掠叶片端区结构控制端区二次流动，从而提高压气机性能的技术已经得到了工业界的应用，并取得了良好的效果，压气机的效率和喘振裕度都得到了进一步的提升。然而，由于弯掠叶片结构控制参数较多，设计过程复杂，目前还缺少有效的设计理论和方法能够进行快速造型，需要通过三维流场分析进行反复尝试。多级压气机内部流动随着增压比的不断提高和端区附面层的积累，端区叶片结构对压气机的性能影响显著。多级环境下压气机内部流场极为复杂，叶片进口参数分布不均匀，弯掠端区结构设计较为困难。弯高、掠高、弯角和掠角等参数的确定缺少依据，难于根据流场特点获得最优的端区叶片结构。

发明内容

本发明的目的在于提供提高压气机设计效率和喘振裕度的一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构，其特征是：包括进口导叶、动叶、静叶，进口导叶、动叶、静叶均安装在主轴上，进口导叶位于主轴的端部，动叶与静叶在主轴周向上交替布置，与进口导叶相邻的为动叶，进口导叶、动叶、静叶外部为机匣，动叶和静叶包括渐缩型叶栅，其前缘呈现反弯曲形状，其后缘呈现正弯曲形状。

本发明的优势在于：

1)相比现有的压气机叶片设计方法，本发明可以在大大减少对于传统损失模型和落后角模型的依赖，提高设计可靠性；

2)通过三维软件的计算结果修正通流设计中的损失系数、效率和落后角，能够自动适应多级压气机的端壁流动特点，快速形成具有弯掠设计特征的压气机叶片端区结构，提高压气机效率和工作稳定性；

3)经过少数的缩放迭代能够提高压气机的气动设计精度，修正经验相关模型。

附图说明

图1a为本发明的压气机端区结构示意图，图1b为动叶端区结构示意图，图1c为静叶端区结构示意图；

图2为压气机子午流道熵分布图；

图3为迭代缩放后压气机整体结构示意图；

图4为迭代缩放后压气机内部结构示意图；

图5为多级压气机各级动叶效率沿叶高分布示意图；

图6为多级压气机各级静叶损失系数沿叶高分布示意图；

图7为第一级动叶至第八级动叶示意图；

图8为进口导叶、第一级静叶至第八级静叶示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-8，本发明压气机动叶和静叶是具有渐缩型特点叶栅，在距离端壁的一定范围内叶型安装角显著变化，形成前缘“反弯曲”和尾缘“正弯曲”的结构特点，应用于多级轴流压气机；所述压气机叶片在端区具有较大的安装角度，端区结构的高度范围、安装角度大小由三维模拟结果和二维通流设计缩放分析过程自动判断确定。所述压气机端区结构在多级压气机中随着边界层增厚，各类二次流效应越来越强，端区损失的不断积累，弯曲效果越来越为明显，该叶片端区结构能够有效改善多级压气机端区流动，提高压气机的效率和工作稳定性。

利用压气机三维流场分析软件、通流计算程序、三维结果后处理及缩放程序对压气机叶片进行端区造型，其特点在于步骤如下：

1、依据经验对通流计算中的动叶效率和静叶损失进行初次预估，并利用通流计算程序进行通流设计，以获得各叶高处的气动参数。

2、根据通流计算获得的气动参数和攻角、落后角模型进行压气机叶片造型软件对各叶高处的基元级进行叶片造型，并沿叶高进行积叠。

3、对初始叶片进行三维流场数值模拟和分析，获得新的动叶效率、静叶总压恢复系数和落后角，再重新导入通流设计和叶片造型程序获得叶片型线。

4、重复步骤2到4直到残差符合要求为止，最终得到经过迭代缩放后的叶片端区结构。

所述步骤(2)的通流计算程序是依据流线曲率法的反设计程序。

所述的步骤(4)中的迭代程序可以自动进行端区附面层范围选择。

所述的步骤(4)中所得的叶片端区结构具有三维结构特点，能够抑制端区二次流发展。

本发明的原理：

由于受到端壁附面层的影响，导致压气机在端区附近的工作效率较低。本发明通过三维数值模拟获得动叶效率、静叶总压恢复系数和落后角，进而修正通流计算和叶片造型程序，自动实现具有三维特点的多级压气机叶片端区结构，以抑制端区二次流，提高压气机的效率和工作稳定性。本发明将过滤掉小于主流区平均数值95％的端区参数，以保证端区附近叶片造型的合理性。

首先进行压气机一维方案设计，确定压气机的基本参数，如压比、流量、进口条件等参数，获得多级压气机各级平均半径处的气动及热力参数，为通流计算提供依据。通过通流程序中需要确定叶片的扭曲规律，不同叶高处的进口条件、子午流道的位置等条件，同时预估各叶高动叶效率及静叶损失系数，完成通流设计。得到沿叶高各个截面的气动参数后，确定叶型参数如攻角、落后角、弦长、相对最大厚度、相对最大厚度位置等参数进行叶片造型，生成压气机各列叶片。将叶片数据导入三维流体力学计算软件，生成网格并进行数值模拟计算，分析获得各叶高动叶效率及静叶损失系数。与此前预估的数值进行比较，若残差不符合要求则将三维分析结果代入通流设计和叶片造型程序对叶片端区进行修正。图2展示压气机子午流道内的熵分布，说明了压气机内部边界层的发展情况。压气机的外部和内部结构分别如图3和图4所示。结合图5和图6，经过对三维计算结果后处理可以看出，相比于叶片中间区域的流动，在动、静叶上下端区位置流动效率下降，损失提高。并且在多级压气机后面级，这种趋势越明显。经多次迭代修正，最终出现了如图1中所示具有局部弯曲效果的压气机动、静叶结构。图7和图8展示了最终各级动、静叶的端区结构。

表1给出了自叶片根部到顶部所有叶片造型截面的结构角。

表1叶片造型截面的结构角。

Claims (1)

1.一种基于缩放分析的压气机叶片端区结构，其特征是：包括进口导叶、动叶、静叶，进口导叶、动叶、静叶均安装在主轴上，进口导叶位于主轴的端部，动叶与静叶在主轴周向上交替布置，与进口导叶相邻的为动叶，进口导叶、动叶、静叶外部为机匣，动叶和静叶包括渐缩型叶栅，其前缘呈现反弯曲形状，其后缘呈现正弯曲形状。