一種具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有葉頂開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及其設(shè)計(jì)方法，屬于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，其關(guān)鍵在于在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域采用了一種具有開(kāi)叉的葉片布局，即在保持壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中下部結(jié)構(gòu)不變的前提下，在其頂部開(kāi)叉形成葉頂前排葉片和葉頂后排葉片。該發(fā)明的具有葉頂開(kāi)叉的壓氣機(jī)葉片可直接用于高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)葉頂高負(fù)荷大彎角設(shè)計(jì)，在不增加流動(dòng)損失和壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度的前提下大幅度提高壓氣機(jī)加功增壓能力，提升壓氣機(jī)氣動(dòng)性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片及其設(shè)計(jì)方法，能夠有效控制高負(fù)荷壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片頂部吸力面氣流分離，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉頂高負(fù)荷大彎角設(shè)計(jì)，在不增加壓氣機(jī)重量和軸向尺寸的前提下大幅度提高壓氣機(jī)加功增壓能力，提升壓氣機(jī)氣動(dòng)性能，特別適用于高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]為了使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能指標(biāo)顯著提高，其中最重要的目標(biāo)是提高推重比，這就對(duì)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求，更高的單級(jí)壓比和效率，在更少的級(jí)數(shù)上實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷就成為壓氣機(jī)研制所追求的目標(biāo)。壓氣機(jī)單級(jí)負(fù)荷的提高對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)縮短軸向長(zhǎng)度、減輕結(jié)構(gòu)重量、減少部件數(shù)量起著重要的作用，然而，壓氣機(jī)級(jí)的負(fù)荷的提高意味這著氣流流過(guò)葉片的轉(zhuǎn)折角增加，高負(fù)荷大彎角葉片吸力面附面層、激波以及葉頂端區(qū)復(fù)雜流動(dòng)流動(dòng)之間相互作用使得壓氣機(jī)葉片吸力面容易出現(xiàn)流動(dòng)分離，導(dǎo)致壓氣機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性降低，在傳統(tǒng)的葉片布局下，壓氣機(jī)單級(jí)負(fù)荷的提高主要受到附面層分離的限制。
[0003]為了提升壓氣機(jī)性能，設(shè)計(jì)者們發(fā)展了一系列調(diào)控壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部分離的措施，如采用掠型設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)子頂部進(jìn)行卸載，或者在轉(zhuǎn)子葉頂機(jī)匣上加工一定數(shù)目的周向槽或者軸向縫，利用處理機(jī)匣的抽吸作用對(duì)轉(zhuǎn)子葉頂進(jìn)行卸載，從而提高控制轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域流動(dòng)分離，然而轉(zhuǎn)子葉片三維彎掠設(shè)計(jì)和處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的引入增加了壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、重量及加工制造成本，尤其是處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的引入在提升壓氣機(jī)裕度的同時(shí)會(huì)在一定程度上降低壓氣機(jī)的效率。因此，亟需尋求一種能夠有效提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂負(fù)荷且不增加壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工制造成本的新型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種設(shè)計(jì)合理，能夠有效提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂負(fù)荷水平，同時(shí)不增加壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工制成本的新型壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布局。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，所述轉(zhuǎn)子葉片在空間上沿周向均勻地布置在所述壓氣機(jī)輪轂上，所有開(kāi)叉葉片的葉根部分與所述壓氣機(jī)輪轂相連并繞著壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，相鄰兩開(kāi)叉葉片之間的夾角相等；所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在頂部范圍沿葉片排中間位置開(kāi)叉形成葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂前排葉片和葉頂后排葉片之間拉開(kāi)一定的軸向間距，并分別朝葉片吸力面和葉片壓力面傾斜，所述葉片中下部與葉尖前排葉片和葉后排葉片平滑過(guò)渡。即在保持壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中下部結(jié)構(gòu)不變的前提下，在其頂部開(kāi)叉形成葉頂前排葉片和葉頂后排葉片。
[0006]本發(fā)明所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在0%?80%的葉高范圍為單排葉片，在80%?100%葉高范圍沿葉片40%?60%軸向弦長(zhǎng)位置處軸向開(kāi)叉，并沿周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜一定角度，形成一葉頂前排葉片和一葉頂后排葉片。本發(fā)明所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部前排葉片和后排葉片在100%葉高處軸向間距為1%?2%葉頂弦長(zhǎng)，所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部前排葉片和后排葉片在100%葉高處沿周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜了 Θ/8度(Θ = 360/葉頂葉片數(shù))，保證100%葉高處頂部前排葉片與頂部后排葉片之間的周向距離為1/4葉頂柵距，所述兩片頂部開(kāi)叉葉片在80%?100%的葉高范圍內(nèi)傾角由O度均勻增加至Θ /8度，軸向間距由O均勻增加至1%?2%葉頂弦長(zhǎng)。
[0007]本發(fā)明所述轉(zhuǎn)子葉片采用雙圓弧或者多圓弧葉型，葉片根部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的6 %?9 %，葉片尖部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的最大相對(duì)厚度沿徑向?yàn)殡p曲線分布規(guī)律。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種具有頂部分叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，首先按照傳統(tǒng)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法完成常規(guī)葉片設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子葉片采用雙圓弧或者多圓弧葉型，其葉片根部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的6%?9%，葉片尖部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的2.5%?4%，最大相對(duì)厚度沿徑向分布為雙曲線分布規(guī)律，設(shè)計(jì)中采用徑向積疊方式；然后保證0%?80%的葉高范圍葉片不變，而在80%?100%葉高范圍沿葉片40%?60%軸向弦長(zhǎng)位置處軸向開(kāi)叉，使得壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部前排葉片和頂部后排葉片之間在100%葉高處的軸向間距為1%?2%葉頂弦長(zhǎng)，同時(shí)使氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部前排葉片和頂部后排葉片在100%葉高處沿周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜Θ /8度(Θ = 360/葉頂葉片數(shù))，開(kāi)叉成為葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，兩片開(kāi)叉葉片在80%?100%的葉高范圍內(nèi)傾角由O度均勻增加至Θ /8度，軸向間距由O均勻增加至I %?2%葉頂弦長(zhǎng)；最后使得葉片中下部與葉頂前排葉片和葉頂后排葉片平滑過(guò)渡，形成一種頂部開(kāi)叉的轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)布局。
[0009]與傳統(tǒng)壓氣機(jī)相比，本發(fā)明在保證葉片排中下部不變的前提下，在葉頂范圍沿葉片排中間附近軸向開(kāi)叉，形成葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，一方面能夠有效減小葉頂區(qū)域附面層的厚度，抑制端區(qū)附面層分離；另一方面，前排葉片壓力面喉部的氣流速度較高，對(duì)后排葉片吸力面的邊界層具有加速作用，能夠有效抑制使激波后的氣流分離，在不增加壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子損失的前提下獲得更大的氣流偏轉(zhuǎn)和加功能力，有效提高壓氣機(jī)氣動(dòng)性能；同時(shí)，同傳統(tǒng)的串列葉片結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片能夠有效縮短壓氣機(jī)的軸向長(zhǎng)度、減輕壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)重量和零部件數(shù)，降低了加工成本，顯著提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的緊湊度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為設(shè)置本發(fā)明的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)葉片的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子三維示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。
[0012]如圖1所示，本實(shí)施例用于高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)輪盤(pán)1、壓氣機(jī)外機(jī)匣2和頂部開(kāi)叉葉片3組成。為了有效控制壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子尖部氣流分離，在壓氣機(jī)輪轂和壓氣機(jī)機(jī)匣之間沿周向均勻地布置若干頂部開(kāi)叉葉片3，所有開(kāi)叉葉片在0%?80%的葉高范圍為單排葉片，而在80%?100%葉高范圍沿葉片排40%?60%軸向弦長(zhǎng)位置處開(kāi)叉成為葉頂前排葉片4和葉頂后排葉片5，設(shè)計(jì)中使壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子頂部前排葉片和后排葉片100%葉高位置處的軸向間距為1%?2%葉頂弦長(zhǎng)，同時(shí)沿周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜Θ/8度(Θ = 360/葉頂葉片數(shù))，使得100%葉高處葉頂前排葉片與葉頂后排葉片之間的周向距離為1/4葉頂柵距，保證兩片開(kāi)叉葉片在80%?100%的葉高范圍內(nèi)傾角由O度均勻增加至Θ /8度，軸向間距由O均勻增加至I %?2 %葉頂弦長(zhǎng)，并使得葉片中下部與葉尖部分平滑過(guò)渡，形成一種頂部開(kāi)叉的轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)布局。
[0013]綜上所述，本發(fā)明可直接用于高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)在葉頂范圍沿葉片排中間位置軸向開(kāi)叉形成葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，使附面層在后排葉片上重新發(fā)展，能夠允許更大的葉片載荷，抑制大彎度葉片吸力面上的氣流分離，在保持壓氣機(jī)高效率、高氣動(dòng)穩(wěn)定性的條件下具有比常規(guī)方案高得多的加功增壓能力。同時(shí)，本發(fā)明的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)葉片能夠有效縮短壓氣機(jī)的軸向長(zhǎng)度、減輕壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)重量和零部件數(shù)，降低了加工成本，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的緊湊度。
[0014]此外，需要說(shuō)明的是，本說(shuō)明書(shū)中所描述的具體實(shí)施例，其零、部件的形狀、所取名稱(chēng)等可以不同。凡依本發(fā)明專(zhuān)利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡(jiǎn)單變化，均包括于本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，適用于高推重比航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)，所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在空間上沿周向均勻地布置在壓氣機(jī)輪轂上，所有壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉根部分與所述壓氣機(jī)輪轂相連并繞著壓氣機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，相鄰兩壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片之間的夾角相等，其特征是:各所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中下部為單排葉片，在頂部區(qū)域沿葉片排中部開(kāi)叉成為葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，所述葉頂前排葉片和葉頂后排葉片之間拉開(kāi)一定的軸向間距，并分別朝葉片吸力面和葉片壓力面傾斜，所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片中下部單排葉片與葉尖部分的葉頂前排葉片和葉頂后排葉片平滑過(guò)渡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，其特征是:所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在O %?80 %的葉高范圍為單排葉片，所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在80 %?100 %葉高范圍沿葉片40%?60%軸向弦長(zhǎng)位置處軸向開(kāi)叉，同時(shí)在周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜一定角度，形成一葉頂前排葉片和一葉頂后排葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2所述的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，其特征是:所述葉頂前排葉片和葉頂后排葉片在100%葉高處軸向間距為1%?2%葉頂弦長(zhǎng)，所述葉頂前排葉片和葉頂后排葉片在100%葉高處在周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜Θ/8度(Θ = 360/葉頂葉片數(shù))，使得100%葉高處葉頂前排葉片與葉頂后排葉片之間的周向距離為1/4倍葉頂柵距，所述葉頂前排葉片與葉頂后排葉片在80%?100%的葉高范圍內(nèi)的傾角由O度均勻增加至Θ /8度，軸向間距由O均勻增加至1%?2%葉頂弦長(zhǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的具有葉頂開(kāi)叉葉片的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，其特征是:所述壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用雙圓弧或者多圓弧葉型，葉片根部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的6%?9%，葉片尖部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的2.5%?4%，最大相對(duì)厚度沿徑向?yàn)殡p曲線分布規(guī)律。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的具有頂部開(kāi)叉的壓氣機(jī)葉片的設(shè)計(jì)方法，其特征是:首先按照傳統(tǒng)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法完成常規(guī)葉片設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子葉片采用雙圓弧或者多圓弧葉型，其葉片根部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的6%?9%，葉片尖部最大厚度為葉片弦長(zhǎng)的`2.5%?4%，最大相對(duì)厚度沿徑向采用雙曲線分布規(guī)律，設(shè)計(jì)中采用徑向積疊方式；然后保證葉片排0%?80%葉高范圍不變，在80%?100%葉高范圍沿葉片40%?60%軸向弦長(zhǎng)位置軸向開(kāi)叉成為葉頂前排葉片和葉頂后排葉片，設(shè)計(jì)中保證葉頂前排葉片和葉頂后排葉片之間軸向間距在100%葉高處為1%?2%葉頂弦長(zhǎng)，同時(shí)使氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂前排葉片和葉頂后排葉片在100%葉高處沿周向分別朝葉片吸力面和壓力面傾斜0/8度(0 = 360/葉頂葉片數(shù))，兩片開(kāi)叉葉片在80%?100%的葉高范圍內(nèi)的傾角由O度均勻增加至Θ /8度，軸向間距由O均勻增加至1%?2%葉頂弦長(zhǎng)；最后使得葉片中下部與葉尖部分的葉頂前排葉片與葉頂后排葉片平滑過(guò)渡，形成一種頂部開(kāi)叉轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)布局。
【文檔編號(hào)】F04D29/26GK103953579SQ201410169055
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】盧新根, 朱俊強(qiáng), 張燕峰, 趙勝豐 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所