專利名稱：一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，屬于高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)氣動設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本專利涉及三方面的技術(shù)。分別為對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)技術(shù)，附面層抽吸技術(shù)，基于軸向速度提升的高效率高負(fù)荷動葉設(shè)計技術(shù)。
1、對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)技術(shù)
對于渦輪而言，考慮到氣流在渦輪中總體上處于順壓流動，因此在不減少其級負(fù)荷的前提下，可減少兩列轉(zhuǎn)子之間的靜葉片而直接對轉(zhuǎn)，使得發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，重量下降，推重比提升。此外，對轉(zhuǎn)技術(shù)也可減少傳到飛機(jī)上的合力矩。
對于壓氣機(jī)而言，氣流在其內(nèi)部總體上屬于擴(kuò)壓流動。氣流在壓氣機(jī)葉片中流動需滿足擴(kuò)壓因子的要求。在轉(zhuǎn)速數(shù)值相同情況下，若需兩列對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，直接實(shí)現(xiàn)原先兩級壓氣機(jī)壓比是困難的。其根本原因在于，在總壓比不變情況下，壓氣機(jī)中靜子葉片能夠?qū)崿F(xiàn)靜壓升從而降低轉(zhuǎn)子葉片中的逆壓梯度。若兩列對轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子直接實(shí)現(xiàn)兩級壓氣機(jī)(假設(shè)其反動度為0.5)總壓比，平均每列轉(zhuǎn)子需實(shí)現(xiàn)原先兩倍的靜壓升。
因此，對于對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)而言，不是簡單的減少靜葉片那么簡單，而是需重新對其每列轉(zhuǎn)子氣動參數(shù)進(jìn)行評估。第一列轉(zhuǎn)子出口氣流參數(shù)需滿足第二列轉(zhuǎn)子入口參數(shù)需求。從

圖1可看出，若兩列轉(zhuǎn)子在沒有靜葉前提下直接對轉(zhuǎn)，其優(yōu)點(diǎn)在于，第一列轉(zhuǎn)子能夠?yàn)榈诙D(zhuǎn)子提供反預(yù)旋，提升了第二列轉(zhuǎn)子的做功能力。但也有如下需注意的問題:
I)在特定圓周速度前提下，若想進(jìn)一步提升第一列轉(zhuǎn)子級負(fù)荷，會使得第二列轉(zhuǎn)子的入口氣流角或入口相對速度馬赫數(shù)過高。事實(shí)證明，當(dāng)葉柵入口馬赫數(shù)超過1.5時，葉柵內(nèi)部損失會顯著增加。因此，在對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)前提下，第二列轉(zhuǎn)子的參數(shù)需求限制了第一列轉(zhuǎn)子負(fù)荷的進(jìn)一步提升。同樣，第一列轉(zhuǎn)子在特定級負(fù)荷前提下，限制了第二列轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，以避免其入口相對馬赫數(shù)和氣流角增加。
2)為有效降低第二列轉(zhuǎn)子的入口馬赫數(shù)與氣流角，提升負(fù)荷，有效辦法為提高第一列轉(zhuǎn)子入口正預(yù)旋。但當(dāng)?shù)谝涣修D(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)已經(jīng)達(dá)到特定水平時，正預(yù)旋會使得第一列轉(zhuǎn)子入口相對馬赫數(shù)進(jìn)一步增加，激波損失提升。
2、附面層抽吸技術(shù)
附面層抽吸可改善壓氣機(jī)內(nèi)部的流動狀況，提升壓氣機(jī)級負(fù)荷與效率，從而使得壓氣機(jī)級數(shù)減少，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊。但問題在于，附面層抽吸所吸走的經(jīng)過壓縮后的氣體，能否進(jìn)一步利用，以及如何利用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，不僅需考慮附面層抽吸的收益，而且需綜合考慮當(dāng)抽吸氣體有不同用途時，抽吸所造成的額外損失。
針對超、跨音速轉(zhuǎn)子而言，若不采用圍帶，由于激波損失與泄漏損失的共同影響，損失主要集中在轉(zhuǎn)子70%葉高及以上區(qū)域的吸力面?zhèn)?。?dāng)在轉(zhuǎn)動部件上應(yīng)用附面層抽吸時，抽吸管道的設(shè)計是一大挑戰(zhàn)。此外，超音速葉型通常較薄，因此，抽吸槽的寬度，抽吸槽的數(shù)量，都受到強(qiáng)度的限制。
3、基于軸向速度提高的高效率高負(fù)荷動葉設(shè)計技術(shù)
對于動葉氣動設(shè)計，無論是在亞音速入口來流還是在超音速入口來流的前提下，均可通過動葉出口軸向速度提升，降低動葉內(nèi)的擴(kuò)壓因子，以確保動葉高效流動。從而避免在高負(fù)荷氣動設(shè)計條件下，在動葉中采用附面層抽吸技術(shù)等主動控制措施。針對轉(zhuǎn)子入口來流分別為亞音速或跨、超音速的流動情況，分別對該技術(shù)予以說明。
3.1在入口相對速度為亞音速時，基于出口軸向速度提升的高效率高負(fù)荷動葉設(shè)計技術(shù)
當(dāng)轉(zhuǎn)子入口相對速度為亞音速時，在常規(guī)設(shè)計中，動葉入口處、動葉出口處以及靜葉出口處，其軸向速度通常相等或變化不大。在動葉入口速度三角形保持不變的前提下，隨著級負(fù)荷提升，動葉轉(zhuǎn)角增加到一定水平時，其內(nèi)部將出現(xiàn)附面層分離。此時，可通過增加子午流道的收縮幅度，提升動葉出口軸向速度以降低動葉擴(kuò)壓因子，避免動葉中出現(xiàn)附面層分離流動。
圖2是在入口速度三角形相同且軸向進(jìn)氣前提下，不同出口軸向速度前提下的速度三角形對比。根據(jù)式(I)，可知，在入口速度三角形與扭速保持不變情況下，出口軸向速度增加，使得其出口相對速度增大，可有效降低動葉中的擴(kuò)壓因子。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，對于第一列動葉，在高負(fù)荷氣動設(shè)計條件下，大幅增加其出口軸向速度以確保第一列動葉效率；對于第一列靜葉，結(jié)合附面層抽吸以控制其內(nèi)部流動分離并為第二列動葉提供反預(yù)旋；對于第二列動葉，在高負(fù)荷設(shè)計條件下，通過大幅提升第二列列動葉出口軸向速度以確保第二列轉(zhuǎn)子效率；對于第二列靜葉，結(jié)合附面層抽吸以實(shí)現(xiàn)氣流減速與軸向出氣； 根據(jù)發(fā)動機(jī)整機(jī)性能的需求給定如下參數(shù):設(shè)計轉(zhuǎn)速，包括第一列動葉轉(zhuǎn)速U1以及第二列動葉轉(zhuǎn)速U2 ;設(shè)計負(fù)荷,包括第一列動葉設(shè)計負(fù)荷Awul與第二列動葉設(shè)計負(fù)荷Awu2 ；第一列動葉入口軸向速度Clz，第二列靜子出口軸向速度C5z ； 對于第一列轉(zhuǎn)子，根據(jù)其入口馬赫數(shù)需求給定預(yù)旋，當(dāng)?shù)谝涣修D(zhuǎn)子在軸向進(jìn)氣前提下已是跨音速或超音速時，通常直接軸向進(jìn)氣，即對于第一級動葉來說，其入口速度三角形已知，即U1, C1, W1均已知; 其特征在于:所述結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法的具體實(shí)現(xiàn)過程為:步驟一、利用基于動葉出口軸向速度提升的方式，在給定高負(fù)荷氣動設(shè)計目標(biāo)下，對第一列轉(zhuǎn)子進(jìn)行氣動設(shè)計，其動葉出口軸向速度確定方法如下: 已知第一列轉(zhuǎn)子入口速度三角形和動葉負(fù)荷，在給定稠度τ值情況下，利用式(I)利用式(I)計算得到第一列轉(zhuǎn)子出口相對速度W2: D = 1- (I) in 2ru\ 由第一列轉(zhuǎn)子入口速度三角形可求得第一列轉(zhuǎn)子入口相對速度Wl和第一列轉(zhuǎn)子入口相對速度在圓周方向的分速度Wlu ；由動葉負(fù)荷可求得扭速△ Wu ；選取擴(kuò)壓因子D值；同時利用⑵式和⑶式可計算得到動葉出口軸向速度W2z,其中w2z = C2z ；W2u = Wlu+ Δ Wu (2) 根據(jù)第一列轉(zhuǎn)子入口速度三角形，動葉出口軸向速度與動葉負(fù)荷，求得第一列轉(zhuǎn)子中徑處速度三角形； 步驟二、根據(jù)第二列動葉轉(zhuǎn)速U2確定第二列動葉入口處的絕對速度C3的軸向分速度C3z:其確定方法如下，選取第二列動葉入口軸向速度值等于0.5或0.6倍的第二列動葉的圓周速度； 根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)需求與第一列轉(zhuǎn)子負(fù)荷，計算第二列轉(zhuǎn)子的入口預(yù)旋角；步驟三、根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子的入口軸向速度與入口預(yù)旋角度，以及由第一列轉(zhuǎn)子的出口軸向速度與出口氣流角，求得第一列靜子中徑處出口速度； 步驟四、根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子的入口預(yù)旋角、圓周速度、入口軸向速度，得到第二列轉(zhuǎn)子中徑處入口速度三角形；根據(jù)步驟一再求得第二列轉(zhuǎn)子中徑處出口速度三角形； 步驟五、根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子出口軸向速度與出口氣流角、第二列靜子出口軸向速度C5z求得第二列靜葉中徑出、入口速度；至此，對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)的中徑處速度三角形求解完畢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，其特征在于:在步驟一中，擴(kuò)壓因子值不超過0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，其特征在于:擴(kuò)壓因子取值為0.4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，其特征在于:步驟二中所述的第二列轉(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)需求不大于1.2。
全文摘要
一種結(jié)合附面層抽吸的對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)氣動設(shè)計方法，屬于高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)氣動設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。該發(fā)明能夠有效解決現(xiàn)有對轉(zhuǎn)軸流壓氣機(jī)兩列轉(zhuǎn)子直接對轉(zhuǎn)時存在的系列問題，同時也能避免附面層抽吸在轉(zhuǎn)子中進(jìn)行。利用基于動葉出口軸向速度提升的方式，在給定高負(fù)荷氣動設(shè)計目標(biāo)下，對第一列轉(zhuǎn)子進(jìn)行氣動設(shè)計；根據(jù)第二列動葉轉(zhuǎn)速確定第二列動葉入口處的絕對速度的軸向分速度；根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子入口馬赫數(shù)需求與第一列轉(zhuǎn)子負(fù)荷，計算第二列轉(zhuǎn)子的入口預(yù)旋角；根據(jù)第二列轉(zhuǎn)子出口軸向速度與出口氣流角、第二列靜子出口軸向速度求得第二列靜葉中徑出、入口速度。本發(fā)明能夠充分挖掘?qū)D(zhuǎn)壓氣機(jī)每列轉(zhuǎn)子的做功能力，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)高負(fù)荷氣動設(shè)計。
文檔編號F04D29/38GK103195757SQ20131014828
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者王松濤, 胡應(yīng)交 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)