CN112049818B - 压气机以及压气机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种压气机叶片，其相对于已有的压气机叶片可获得相对更优的气动性能。本发明的另一目的是提供一种压气机，其包括上述压气机叶片。为实现前述目的的压气机叶片，包括叶身以及与所述叶身的叶顶或者叶根连接的缘板，所述叶身与所述缘板的连接处由圆角过渡，所述圆角在所述叶身的前缘采用小的倒角半径，从所述叶身的前缘到所述叶片的尾缘，所述倒角半径逐渐增大。其中，所述圆角具有与缘板的端壁面的连接长度L、与叶身连接的高度H、与所述端壁面形成的夹角α以及与所述叶身的表面形成的夹角β，从所述前缘到所述尾缘，L、H、α、β逐渐增大。

Description

压气机以及压气机叶片

技术领域

本发明涉及压气机及其叶片。

背景技术

在实际的轴流压气机中，由于加工工艺以及强度因素的影响，动叶的根部和静叶的根尖通常都是带有倒角的，如图1以及图2分别示出了现有叶片的立体示意图以及俯视示意图，由图可以视得，图1以及图2中所示的叶片8均带有倒角9，且这些倒角9是如图所示的、呈对称结构。图3为现有叶片圆角形状定义示意图，倒角9的形状是如图所示地，与端壁91以及叶身表面92形成的夹角R相等。

根据发明人的研究，多级轴流压气机加入动静叶倒角结构以后，在倒角作用下，叶栅流场中的涡系分布发生变化，上、下通道涡向中叶展方向迁移，端壁处角涡强度增大，二次流损失上升，当倒角半径增大至一定程度时，压气机的流量和性能将会明显下降。从前缘至尾缘，倒角对流场的影响范围沿流向逐渐扩大，在出口截面对根尖较大范围的流场产生影响，同时引发根、顶处二次流损失和下通道涡损失上升。尤其是对于高负荷高级压比压气机的出口级叶片，以及小流量压气机的叶片，其叶片高度较小，倒角半径在叶高中的占比很高，因此对叶片通道的流动影响更大。

发明内容

本发明的目的是提供一种压气机叶片，其相对于已有的压气机叶片可获得相对更优的气动性能。

本发明的另一目的是提供一种压气机，其包括上述压气机叶片。

为实现前述目的的压气机叶片，包括叶身以及与所述叶身的叶顶或者叶根连接的缘板，所述叶身与所述缘板的连接处由圆角过渡，所述圆角在所述叶身的前缘采用小的倒角半径，从所述叶身的前缘到所述叶片的尾缘，所述倒角半径逐渐增大，其中，所述圆角具有与缘板的端壁面的连接长度L、与叶身连接的高度H、与所述端壁面形成的夹角α以及与所述叶身的表面形成的夹角β，从所述前缘到所述尾缘，L、H、α、β逐渐增大。

在一个或多个实施方式中，在所述叶身的相同弦向位置，在所述叶身的压力面侧的倒角半径比吸力面侧的倒角半径更大。

在一个或多个实施方式中，在所述叶身的最大厚度处设置控制点，确保在所述叶身的压力面侧比吸力面侧的L、H要大。

在一个或多个实施方式中，在所述尾缘处设置控制点，确保H大于L，β小于α。

在一个或多个实施方式中，在所述前缘处设置控制点，确保L、H、α、β在所述前缘处最小。

在一个或多个实施方式中，该压气机叶片是压气机的静叶或动叶。

为实现前述另一目的的压气机，包括多个压气机叶片，所述压气机叶片为如前所述的压气机叶片。

在一个或多个实施方式中，该压气机为多级轴流压气机，所述压气机叶片是出口级叶片。

在一个或多个实施方式中，该压气机为小流量压气机。

本发明的增益效果在于：本压气机叶片通过将叶片叶身与缘板连接处的圆角配置为自叶身的前缘到尾缘逐渐增大，改变了叶片端部的中弧线，使得叶片前缘的攻角增大，当叶片安装在压气机上时，增大了相邻叶片前缘的喉道面积，降低了通道内的二次流损失，在保证原有流通能力的情况下，增大了压气机叶片与缘板连接的叶顶或者叶根部位的做功能力。同时叶片尾缘处的流场得到优化，减小了尾缘处的低速区，使出口气流更加均匀以获得相对更优的气动性能，提升了压气机性能。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1示出了现有压气机叶片的立体示意图；

图2示出了现有压气机叶片的俯视示意图；

图3示为现有压气机叶片圆角形状定义示意图；

图4示出了压气机叶片一个实施方式的立体示意图；

图5为压气机叶片的俯视示意图；

图6为压气机叶片圆角形状控制点分布的示意图；

图7为压气机叶片圆角形状定义示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

后述实施例以轴流压气机(Axial compressor)为例，轴流压气机的气流在子午面的流动方向基本平行于转子轴线的压气机。由一系列静子-转子交替排列构成，用于气体输送、压缩，用于航空发动机高压压气机。多级轴流压气机由两部分组成，旋转的部分称为转子，不动的部分称为静子。转子由沿轮周安装了许多叶片的多个轮盘组合而成，每个轮盘以及上面所装的叶片合在一起称为工作轮，工作轮的叶片称为动叶。多级轴流压气机的静子由多排固定在机匣上的叶片组成，每排叶片称为一个整流器，整流器上的叶片称为静叶。由于环壁附面层中的窜流、径向间隙中的倒流、潜流、叶身型面上附面层的潜移，以及间隙涡和通道涡等流动现象中的气流方向与主流方向不一致，所以常统称为二次流动，由于二次流动造成的损失称为二次损失。叶根或叶尖处的倒、圆角是用于叶片和流道面光滑转接的特征。

如图4示出了压气机叶片一个实施方式的立体示意图，图5为压气机叶片的俯视示意图，其中图5可以视作图4中的压气机叶片以俯视角度所视得。压气机叶片1包括叶身10以及与叶身10的叶根15连接的缘板11，叶身10与缘板11的连接处由圆角2过渡。在一个与图示不同的实施方式中，缘板11也可以是与叶身10的叶顶16连接，连接处由圆角过渡。

其中，圆角2的叶身10的前缘10a采用小的倒角半径，同时，圆角2的倒角半径自叶身10的前缘10a到尾缘10b逐渐增大。其中，可以理解的是，倒角半径指的是圆角2中圆弧段的半径。

相较图1至3中所示的传统压气机叶片，本压气机叶片通过将叶身10与缘板11连接处的圆角2配置为自叶身10的前缘10a到尾缘10b逐渐增大，改变了叶片端部的中弧线，使得叶片前缘10a的攻角增大，并增大了叶片前缘10a的喉道面积，降低了通道内的二次流损失，在保证原有流通能力的情况下，增大了压气机叶片1与缘板11连接的叶顶或者叶根部位的做功能力。同时尾缘10b处的流场得到优化，减小了尾缘10b处的低速区，使出口气流更加均匀，从而获得相对更优的气动性能，压气机性能得到提升。

虽然本压气机叶片的一个实施例如上所述，但是在本压气机叶片的其他实施例中，压气机叶片相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。

图6为压气机叶片圆角形状控制点分布的示意图，其中图6可以视作对图4以及图5中压气机叶片圆角形状控制点分布的示意图，请结合参见图4至图6。在压气机叶片的一个实施方式中，叶身10的相同弦向(自叶片前缘10a至尾缘10b的方向)位置，圆角2在叶身10的压力面侧101的倒角半径比吸力面侧102的倒角半径更大，进一步增大叶片前缘10a的喉道面积，以获得相对更优的气动性能。其中，叶片的压力面指的是叶片的凹面，即叶盆表面；叶片的吸力面指的是叶片的凸面，即叶背表面。

图7为压气机叶片圆角形状定义示意图，其中图6可以视作对图4以及图5中压气机叶片圆角形状定义示意图，压气机叶片圆角形状是由如图所示的L、H、α、β四个参数定义。其中，L是圆角2与缘板11的端壁面110连接的长度，H是圆角2与叶身10连接的高度，α是圆角2与端壁面110形成的夹角，β是圆角2与叶身10表面形成的夹角。

请继续参见图7，在压气机叶片的叶片前缘10a位置设置控制点u，在尾缘10b位置设置控制点z，在叶身10的最大厚度处的吸力面设置控制点x，在叶身10的最大厚度处的压力面设置控制点y，通过在各个控制点对压气机叶片圆角形状的四个参数L、H、α、β的数值大小进行控制，以取得对压气机叶片圆角形状的控制。

请结合参见图6以及图7，由图6可以视得，当夹角α以及β减小时，圆角2的截面积也会减小，对应地，当夹角α以及β逐渐增大时，圆角2的截面积也会逐渐增大。在压气机叶片的一个实施方式中，各参数L、H、α、β的大小自叶片前缘10a到尾缘10b逐渐增大。通过在叶片的前缘10a采用较小的L和H值，能够调整压气机叶片的叶片前缘10a在缘板11端壁面110的攻角，从而能够增大与缘板11连接的叶顶或者叶根部位的做功能力，增大了叶片前缘10a的喉道面积，避免了压气机堵塞流量的减小。

在压气机叶片的一个实施方式中，通过在叶身10的最大厚度处的吸力面设置控制点x，以及在叶身10的最大厚度处的压力面设置控制点y，以确保叶身10的L、H在压力面侧101的数值比在吸力面侧102的数值更大，如此设置能够缓解叶身10与缘板11连接的叶顶或者叶根处的圆角2所导致的气流角偏向压力面侧101的情况，避免了叶身10与缘板11连接的叶顶或者叶根处出口的气流角过转，减小了进喘点的分离损失。

在压气机叶片的一个实施方式中，通过在尾缘10b位置设置控制点z，以确保H的数值大于L的数值，夹角β小于夹角α，如此设置有利于出口流场的均匀性。

在压气机叶片的一个实施方式中，是通过在压气机叶片的叶片前缘10a位置设置控制点u，以确保各参数L、H、α、β的数值均在前缘10a处最小。

在压气机叶片的一个实施方式中，压气机叶片1可以是压气机中的静叶或是动叶。

其中，如上一个或多个实施方式中的压气机叶片可以是应用于压气机中。在压气机的一个实施方式中，压气机可以是多级轴流压气机，压气机叶片1是轴流压气机中的出口级叶片。

在压气机的一个实施方式中，压气机是小流量压气机，其中，是以流量在10kg/s以下的压气机算作小流量压气机。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.压气机叶片，包括叶身以及与所述叶身的叶顶或者叶根连接的缘板，所述叶身与所述缘板的连接处由圆角过渡，其特征在于，所述圆角在所述叶身的前缘采用小的倒角半径，从所述叶身的前缘到所述叶身的尾缘，所述倒角半径逐渐增大，

其中，所述圆角具有与缘板的端壁面的连接长度L、与叶身连接的高度H、与所述端壁面形成的夹角α以及与所述叶身的表面形成的夹角β，从所述叶身的前缘到所述叶身的尾缘，L、H、α、β逐渐增大。

2.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，在所述叶身的相同弦向位置，在所述叶身的压力面侧的倒角半径比吸力面侧的倒角半径更大。

3.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，在所述叶身的最大厚度处设置控制点，确保在所述叶身的压力面侧比吸力面侧的L、H要大。

4.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，在所述尾缘处设置控制点，确保H大于L，β小于α。

5.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，在所述前缘处设置控制点，确保L、H、α、β在所述前缘处最小。

6.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，该压气机叶片是压气机的静叶或动叶。

7.一种压气机，包括多个压气机叶片，其特征在于，所述压气机叶片为如权利要求1至6中任一项所述的压气机叶片。

8.如权利要求7所述的压气机，其特征在于，该压气机为多级轴流压气机，所述压气机叶片是出口级叶片。

9.如权利要求7所述的压气机，其特征在于，该压气机为小流量压气机。

Images