專利名稱：一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的葉片排布方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸流式葉輪機(jī)械領(lǐng)域，是一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的 葉片排布方式。背景技術(shù)：
提高軸流壓氣機(jī)氣動負(fù)荷、減少壓氣機(jī)級數(shù)是現(xiàn)代高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī) 對壓氣機(jī)的要求。在壓氣機(jī)設(shè)計中，提高壓氣機(jī)葉片氣動負(fù)荷往往帶來的后果就是壓氣機(jī) 的氣動穩(wěn)定性降低。為此，人們已經(jīng)在氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取了許多方案來提高壓氣 機(jī)的氣動穩(wěn)定性?，F(xiàn)有常規(guī)的軸流壓氣機(jī)葉片采用完全軸對稱的、均勻布局的設(shè)計方案，當(dāng) 進(jìn)口氣流攻角較大時，每個葉片葉背表面的氣流附面層會同時發(fā)生分離，嚴(yán)重時導(dǎo)致旋轉(zhuǎn) 失速甚至喘振，并最終可能造成結(jié)構(gòu)損壞。在壓氣機(jī)氣動設(shè)計中，應(yīng)盡可能避免使壓氣機(jī)工 作在這種不穩(wěn)定的狀態(tài)。但對現(xiàn)有的對稱均勻葉柵，所能挖掘的潛力很受局限。在公告號為CN1955492的中國發(fā)明專利中公開了一種壓氣機(jī)葉柵的氣動布局方 案，通過葉片排中的相鄰兩個葉片前緣在壓氣機(jī)軸向的位置交錯排列(移動距離為葉片軸 向弦長的5% 15% )，當(dāng)位置在前的葉片(葉片1)工作在大的進(jìn)口正攻角狀態(tài)時，由于葉 片1對流入氣流的限制與導(dǎo)向作用，前緣軸向位置向后移動的葉片(葉片2)的進(jìn)口氣流攻 角減小，從而使葉片2的流動得到改善，提高壓氣機(jī)的氣動穩(wěn)定性。對于現(xiàn)有技術(shù)的壓氣機(jī)葉柵來說，在葉片彎度不變的前提下，只有通過增大葉柵 稠度的方法來提高氣流的轉(zhuǎn)折角，加大葉柵的氣動負(fù)荷。但是，當(dāng)稠度增大到一定值后，增 加設(shè)計點(diǎn)附近小攻角狀態(tài)下的氣流轉(zhuǎn)折角的效果很有限，同時還會引起流動損失的明顯上 升。在相鄰兩個葉片一組軸向位置交錯排列的葉柵中，由于通道A和通道B是彼此相 鄰的，通道A的流動對通道B產(chǎn)生影響，從而減弱了這種葉柵結(jié)構(gòu)增加氣動穩(wěn)定性的效果。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的葉柵小攻角氣動負(fù)荷增加不易、氣動穩(wěn)定性效果提升 有限的不足，本發(fā)明提出了一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的葉片排布方式。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是將沿葉柵切向，即X方向排列的同一葉片排中的各葉 片前緣按葉柵的軸向，即Z方向位置的前后不同排布。排布時，同一葉片排中每相鄰的三個 葉片為一個葉片組，在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸向的定位基準(zhǔn)，與 其相鄰的第二個葉片位于第一個葉片的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相對于定位基準(zhǔn)沿葉柵 的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的7% 15%;與第二個 葉片相鄰的第三個葉片位于第二個葉片的葉盆表面一側(cè)，其前緣軸向位置相對于第二個葉 片的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的5% 15% ；第三個葉片繞其前緣旋轉(zhuǎn)Γ到3°，旋轉(zhuǎn)方向是由葉片的葉背指向葉盆；同一葉片 排的其它葉片組則按此方式排布。
在一個葉片組中，由于三個葉片前緣的軸向位置不同，它們依次排列后所構(gòu)成的 葉柵氣流通道為三種不同的形式，即第一個葉片的葉盆與第二個葉片的葉背構(gòu)成葉柵氣流 通道A，第二個葉片的葉盆與第三個葉片的葉背構(gòu)成的葉柵氣流通道B，以及第三個葉片的 葉盆與相鄰的另一組的第一個葉片的葉背構(gòu)成的葉柵氣流通道C。一般來說，構(gòu)成同一氣流通道的葉片葉盆及葉背兩個表面的相對軸向位置不同， 對流動的影響不同。如兩表面的軸向相對位置相同時，就是現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的葉片均勻?qū)?稱排布葉柵所對應(yīng)的氣流通道。相比均勻?qū)ΨQ葉柵，葉盆表面相對軸向位置在前面的，構(gòu)成 該通道的葉盆表面對氣流產(chǎn)生作用的位置提前以及作用加強(qiáng)，通道中的流動條件將得到改 善；相反，葉盆表面相對軸向位置在后面的，構(gòu)成該通道的葉盆表面對氣流產(chǎn)生作用的位置 退后且作用減弱，通道中的流動條件將惡化。
本發(fā)明的壓氣機(jī)葉柵區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的顯著特征是葉柵由順序排列的葉片組構(gòu) 成，每個葉片組由三個葉片構(gòu)成，三個葉片中的第二個葉片位于第一個葉片葉盆的一側(cè)，而 第三個葉片則位于第二個葉片的葉盆一側(cè)，第二個葉片和第三個葉片的前緣分別相對于其 葉背一側(cè)的相鄰葉片前緣沿軸向后移一段距離，且第三個葉片繞其前緣由葉背向葉盆方向 旋轉(zhuǎn)1° 3°，從而形成三個葉片不同軸向位置的排列方式，構(gòu)成了三個互不相同的、具 有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的氣流通道，氣流在三個不同通道中的流動特征不同于現(xiàn)有技術(shù)，從而可以獲 得葉柵氣動負(fù)荷及氣動穩(wěn)定性的提升。與兩個葉片一組交錯排列的葉柵(公告號為CN1955492的中國發(fā)明專利)相比， 本發(fā)明葉柵的氣流通道C與兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通道A相似，而本發(fā)明的通道 A和通道B則與兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通道B相似。當(dāng)葉柵工作在大的進(jìn)口氣流 攻角狀態(tài)時，對于兩個葉片一組交錯排列的葉柵，通道A的流動將惡化，而通道B的流動則 會得到改善，利用通道B來抑制通道A中分離區(qū)在葉柵切向的傳播，這是其提高氣動穩(wěn)定性 的基本思路，但由于通道A與通道B是彼此相鄰的，惡化的通道A中的流動必然會影響到相 鄰的通道B中的流動，從而消弱了其提高穩(wěn)定性的效果。對于本發(fā)明的葉柵來說，通道C的 流動將惡化，且第三個葉片相對于第一個葉片其后移的距離更大，導(dǎo)致通道中的流動惡化 程度加大，但由于第三個葉片繞其前緣向著另一組的第一個葉片方向旋轉(zhuǎn)了一個角度，使 得通道C的擴(kuò)張程度有所降低，因而會使流動惡化的程度得到一定的緩解，而且，葉片旋轉(zhuǎn) 一個角度后也使得氣流流過葉柵的轉(zhuǎn)折角增大。本發(fā)明的葉柵通道A和通道B的性質(zhì)與兩 個葉片一組交錯排列葉柵中的通道B相似，其流動也如同兩個葉片一組交錯排列葉柵中的 通道B的流動，均會得到改善，而且通道B將通道A及通道C分隔開來，即使通道C對通道B 產(chǎn)生影響減弱了通道B中流動的改善程度，但通道B仍可以使通道C對相鄰?fù)ǖ赖牟涣加?響局限于通道B中，從而確保了通道A的流動改善優(yōu)于兩個葉片一組交錯排列葉柵中的通 道B。因此，本發(fā)明與公告號為CN1955492的中國發(fā)明專利在擴(kuò)大穩(wěn)定性機(jī)理上的區(qū)別就在 于利用了兩個流動得到改善的葉柵通道來阻斷通道C中的分離區(qū)沿葉柵切向的傳播，使得 氣動穩(wěn)定性改善的效果得到加強(qiáng)。當(dāng)葉柵進(jìn)口氣流攻角為零度左右的小攻角狀態(tài)時，為了提高葉柵的氣動負(fù)荷即氣 流轉(zhuǎn)折角，在葉片彎度不變的前提下，通常需要增大葉柵的稠度。但對于常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵 和兩個葉片一組交錯排列葉柵來說，葉柵稠度增大到一定程度以后，再增加稠度對提高小 攻角狀態(tài)下的氣流轉(zhuǎn)折角幾乎沒有效果，同時，由于氣流堵塞而使流動損失明顯增大，這是現(xiàn)有技術(shù)不易解決的問題。對于本發(fā)明葉柵中的葉片排布方式，因?yàn)橐粋€葉片組中有兩個 葉片軸向位置后移，使得葉柵稠度較大的條件下進(jìn)口氣流堵塞減輕，而且第三個葉片繞其 前緣向著增大轉(zhuǎn)折角的方向旋轉(zhuǎn)了一定的角度，改變了其安裝角，保證了氣流流過葉柵的 轉(zhuǎn)折角增大，氣動負(fù)荷得以提高。對本發(fā)明的葉柵、常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵(公告號為 CN1955492的中國發(fā)明專利)進(jìn)行了流場計算的對比研究，三種葉柵的氣動設(shè)計條件相同， 葉片的彎角也相同，其中本發(fā)明的葉片組中第一個葉片與兩個葉片一組交錯排列葉柵的葉 片1相同，本發(fā)明的葉片組中第二個和第三個葉片與兩個葉片一組交錯排列葉柵的葉片2 相同。計算的結(jié)果表明，本發(fā)明葉柵的氣流轉(zhuǎn)折角比常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵和兩個葉片一組交 錯排列葉柵的氣流轉(zhuǎn)折角增大了 1° 2°，尤其是在小攻角范圍內(nèi)，本發(fā)明葉柵不僅氣流 轉(zhuǎn)折角增大，而且流動損失并未增大。對稠度增大后的常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵的流場計算研 究結(jié)果表明，雖然稠度增大后使得常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵及兩個葉片一組交錯排列葉柵在大攻 角狀態(tài)下的氣流轉(zhuǎn)折角加大，但在小攻角狀態(tài)下，常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵及兩個葉片一組交錯 排列葉柵的流動損失明顯上升，而其氣流轉(zhuǎn)折角增加卻不明顯，轉(zhuǎn)折角低于更低稠度的本 發(fā)明葉柵的氣流轉(zhuǎn)折角，且其流動損失高于本發(fā)明的葉柵。因此，與現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵及公告號為CN1955492的中國發(fā)明專利相 比，采用本發(fā)明的葉柵中葉片排布方式，在葉片彎度不變以及葉柵氣動穩(wěn)定性得到改善的 條件下，使葉柵的氣流轉(zhuǎn)折角增大、氣動負(fù)荷增加。采用本發(fā)明葉柵的壓氣機(jī)，可以選取零 攻角甚至負(fù)攻角作為其氣動設(shè)計點(diǎn)的攻角，這樣，不僅可以依靠本發(fā)明的葉柵氣動構(gòu)型獲 得設(shè)計點(diǎn)附近的較高氣動負(fù)荷及較高的效率，而且設(shè)計點(diǎn)攻角更小也意味著壓氣機(jī)的失速 裕度更大。
四

附圖1是本發(fā)明葉柵的葉片排布方式。附圖中1-第一個葉片2-第二個葉片3-第三個葉片A-第一個葉片的葉盆與第二個葉片的葉背構(gòu)成的葉柵氣流通道B-第二個葉片的葉盆與第三個葉片的葉背構(gòu)成的葉柵氣流通道C-第三個葉片的葉盆與相鄰葉片組的第一個葉片的葉背構(gòu)成的葉柵氣流通道L-第一個葉片的軸向弦長X-葉柵切向方向坐標(biāo)Z-葉柵軸向方向坐標(biāo)
五具體實(shí)施例方式實(shí)施例一本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的11% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣軸向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一 個葉片1軸向弦長L的5. 7% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)2°，即 葉片3以軸向定義的進(jìn)口和出口幾何角比葉片2分別減小了 2°。所述各葉片葉型設(shè)計彎角均為41°，本發(fā)明的葉柵與常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵和兩個葉 片一組交錯排列的葉柵均按照同樣進(jìn)、出口條件進(jìn)行流場數(shù)值優(yōu)化設(shè)計，葉柵流場數(shù)值仿 真計算的結(jié)果表明，在小攻角狀態(tài)下彼此之間損失基本相當(dāng)，本發(fā)明葉柵的氣流轉(zhuǎn)折角比 常規(guī)均勻葉柵增大約1.5°，比兩個葉片一組交錯排列的葉柵增大約2.0°。當(dāng)常規(guī)均勻?qū)ΨQ葉柵和兩個葉片一組交錯排列葉柵的稠度增大后，流場計算結(jié)果 顯示，在小攻角狀態(tài)下，其流動損失高于本發(fā)明的葉柵，且其氣流轉(zhuǎn)折角仍低于本發(fā)明葉柵 約1.0°左右。
實(shí)施例二本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣軸 向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一個 葉片1軸向弦長L的15% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)2°。實(shí)施例三本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的15% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣 軸向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一 個葉片1軸向弦長L的5% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)2°。實(shí)施例四本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的10% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣 軸向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一 個葉片1軸向弦長L的10% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)2°。實(shí)施例五本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L的15% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣 軸向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一 個葉片1軸向弦長L的15% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)3°。實(shí)施例六本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z 方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的12% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣 軸向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一 個葉片1軸向弦長L的13% ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)3°。實(shí)施例七本實(shí)施例葉柵的排布方式為沿葉柵切向，即X方向的同一排葉片的前緣按葉柵 軸向，即Z方向位置的前后不同排布。在同一葉片組中，以第一個葉片的前緣軸向位置為軸 向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片2位于第一個葉片1的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相 對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動一段距離，所移動的距離為第一個葉片1軸向弦長L 的8% ；與第二個葉片2相鄰的第三個葉片3位于第二個葉片2的葉盆表面一側(cè)，其前緣軸 向位置相對于第二個葉片2的前緣沿葉柵軸線方向后移一段距離，所移動的距離為第一個 葉片1軸向弦長L的 % ；且葉片3以其前緣為中心由葉背向著葉盆方向旋轉(zhuǎn)1°。
權(quán)利要求
一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的葉片排布方式，包括由葉片組成的葉片排，并且同一葉片排中的各葉片前緣按葉柵的軸向，即Z方向位置的前后不同排布，由相鄰葉片的葉盆和葉背構(gòu)成葉柵氣流通道，其特征在于，同一葉片排中每相鄰的三個葉片為一個葉片組；在同一葉片組中，以第一個葉片(1)的前緣軸向位置為軸向的定位基準(zhǔn)，與其相鄰的第二個葉片(2)位于第一個葉片的葉盆表面一側(cè)，其前緣位置相對于定位基準(zhǔn)沿葉柵的軸向向后移動，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的7％～15％；與第二個葉片(2)相鄰的第三個葉片(3)位于第二個葉片的葉盆表面一側(cè)，其前緣相對于第二個葉片的前緣沿葉柵軸線方向后移，所移動的距離為第一個葉片軸向弦長L的5％～15％；第三個葉片繞其前緣旋轉(zhuǎn)1°～3°；同一葉片排的其它葉片組則按此方式排布。
2.如權(quán)利要求1所述一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的葉片排布方式，其特 征在于，第三個葉片⑶的旋轉(zhuǎn)方向是由葉片的葉背指向葉盆。
全文摘要
一種增加氣動負(fù)荷及穩(wěn)定性的壓氣機(jī)葉柵的葉片排布方式，同一葉片排中每相鄰的三個葉片為一組，以第一個葉片(1)前緣軸向位置為基準(zhǔn)，相鄰的第二個葉片(2)位于第一個葉片葉盆表面一側(cè)，其前緣位置沿葉柵的軸向后移，移動距離為第一個葉片軸向弦長L的7％～15％；與第二個葉片相鄰的第三個葉片(3)位于第二個葉片葉盆表面一側(cè)，其前緣相對于第二個葉片(2)前緣沿葉柵軸向后移，移動距離為第一個葉片(1)軸向弦長的5％～15％；第三個葉片繞其前緣旋轉(zhuǎn)1°～3°。本發(fā)明在一個葉片排中形成三個互不相同的氣流通道，氣流在其中的流動能夠提高壓氣機(jī)的氣動穩(wěn)定性，并在各葉片葉型設(shè)計彎度不變的條件下明顯增大葉片的氣動負(fù)荷。
文檔編號F04D29/34GK101846098SQ20091002166
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者劉前智, 廖明夫, 楊伸記, 王儼剴, 王四季 申請人:西北工業(yè)大學(xué)