一種小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及軸流壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片設(shè)計(jì)方法，屬葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 對于工業(yè)軸流壓氣機(jī)或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)，為了擴(kuò)大其高效率工作范 圍，可采用靜子葉片安裝角可調(diào)技術(shù)。為了避免不同安裝角下葉片進(jìn)口較大正、負(fù)攻角，可 將靜子葉片分成前后兩段、獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)。周正貴、曹暉申請的發(fā)明專利"前后半段可調(diào)的軸流 壓氣機(jī)靜子葉片系統(tǒng)及其工作方法"（專利【申請?zhí)枴?01510191499. 3)中提出一種前后半段 可調(diào)靜子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)方法，可實(shí)現(xiàn)前后半段的獨(dú)自轉(zhuǎn)動(dòng)；適用于中間級可調(diào)靜子 葉片。此外，還有適合于安裝在壓氣機(jī)進(jìn)口的后半段可調(diào)靜子、適用于安裝在出口的前半段 可調(diào)靜子（見上述專利中【背景技術(shù)】介紹）。
[0003] 葉片前后半段分開、獨(dú)自可調(diào)可有效解決葉片進(jìn)口較大正負(fù)攻角問題，但結(jié)構(gòu)略 顯復(fù)雜；并且前后半段在交接處型面突然轉(zhuǎn)折、以及為實(shí)現(xiàn)兩段相對轉(zhuǎn)動(dòng)留有的縫隙產(chǎn)生 的縫隙流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)損失。因此對于常規(guī)整體葉片靜子，如能避免較大正負(fù)攻角造成的 大流動(dòng)損失，則是一種可以選擇的較好設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出適用于軸流壓氣機(jī)可調(diào)靜子的整體葉片設(shè)計(jì)方法，達(dá)到較 小的葉片進(jìn)口正負(fù)攻角、減小流動(dòng)損失，同時(shí)避免前后半段可調(diào)靜子的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0005] -種小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法，其特征在于：葉片彎度小于安裝角轉(zhuǎn)動(dòng)角度，葉片 頭部呈尖楔狀。
[0006] 其特征體現(xiàn)在以下設(shè)計(jì)步驟中：
[0007] 步驟1、確定靜子葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度爐
[0008] 以靜子葉片出口氣流速度軸向?yàn)榛鶞?zhǔn)位置，靜子最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度貨等于靜子出口氣 流角與軸向的夾角Φ加上最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置氣流落后角32與基準(zhǔn)位置氣流落后角δ 差，其中Φ由下游葉片進(jìn)氣角決定，\與δ 2由該靜子葉片的安裝角、彎度以及該靜子葉 片組成的葉柵稠度決定；
[0009] 步驟2、確定葉片彎度Θ
[0011] 即葉片應(yīng)采用小彎度設(shè)計(jì)，保證最大正攻角和最大負(fù)攻角葉片通道內(nèi)流動(dòng)都處于 低損失范圍內(nèi)；Θ的具體取值由總壓損失系數(shù)與Θ函數(shù)關(guān)系的最小值點(diǎn)確定；
[0012] 步驟3、削尖葉片頭部
[0013] 為了避免葉片前段局部流動(dòng)分離，進(jìn)行葉片頭部削尖處理。最大負(fù)攻角時(shí)，壓力面 沿從前緣點(diǎn)位置沿來流方向截去多余的部分，避免在最大負(fù)攻角下壓力面前段局部分離； 最大正攻角時(shí)，吸力面沿從前緣點(diǎn)位置沿來流方向截去多余的部分，避免在最大正攻角下 吸力面前段局部分離。
[0014] 步驟4、頭部型線光順
[0015] 為了加工可行性和避免尖前緣造成前緣附近的小分離，將尖前緣修改成具有前緣 小圓的前緣。為了避免葉片前段平直段與后段之間不光滑產(chǎn)生流動(dòng)損失，采用樣條曲線對 削尖的頭部進(jìn)行光順處理。
[0016] 本項(xiàng)發(fā)明提出小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)有分段可調(diào)靜子葉片技術(shù)比較有以 下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、并且具有較小的流動(dòng)損失。
[0017] 本項(xiàng)發(fā)明所提出的小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法，可直接用于工業(yè)軸流壓氣機(jī)或燃?xì)?渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸流壓氣機(jī)靜子設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0018] 圖1二維葉型角度標(biāo)注；
[0019] 圖2彎度為零的葉型示意圖；
[0020] 圖3彎度最大的葉型示意圖；
[0021] 圖4小彎度前緣削尖的葉型示意圖；
[0022] 圖5小彎度前緣削尖光順后的葉型示意圖；
[0023] 圖中符號及標(biāo)號名稱：Θ .葉片彎度、夢.葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度、δ ρ基準(zhǔn)位置落后 角、S2.最大轉(zhuǎn)角位置落后角、Φ.氣流轉(zhuǎn)角、^.基準(zhǔn)位置負(fù)攻角、i2.最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置正 攻角、1.中弧線前緣點(diǎn)切線、2.中弧線后緣點(diǎn)切線、3.基準(zhǔn)位置軸向氣流出氣方向、4.最大 轉(zhuǎn)角位置氣流出氣方向、5.與基準(zhǔn)位置出氣方向平行的輔助線、6.軸向輔助線、7.彎度為 零的最大轉(zhuǎn)角位置葉型、8.轉(zhuǎn)動(dòng)軸、9.彎度為零的基準(zhǔn)位置葉型、10.彎度最大的最大轉(zhuǎn)角 位置葉型、11.彎度最大的基準(zhǔn)位置葉型、12.小彎度最大轉(zhuǎn)角位置的前緣削尖葉型、13.小 彎度最大轉(zhuǎn)角位置的初始葉型、14.小彎度基準(zhǔn)位置的初始葉型、15.小彎度基準(zhǔn)位置的前 緣削尖葉型、16.小彎度最大轉(zhuǎn)角位置的前緣削尖光順葉型、17.小彎度基準(zhǔn)位置的前緣削 尖光順葉型。
[0024] 具體實(shí)施方法
[0025] 以下結(jié)合圖1至圖5說明小彎度可調(diào)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方法。
[0026] 步驟1.根據(jù)靜子出口氣流角最大偏轉(zhuǎn)角度Φ及基準(zhǔn)位置氣流落后角δ i與最大 轉(zhuǎn)角位置氣流落后角S 2，從幾何關(guān)系可得靜子葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度
[0027] 幾何關(guān)系具體說明：圖1中2、3、4、5這四條線存在簡單的幾何關(guān)系。Φ是兩個(gè)帶 箭頭的線之間的夾角，即線3與線4的夾角，等同于線4與線5的夾角，因?yàn)榫€3與線5平 行；史是標(biāo)注2的兩條虛線之間的夾角（為了說明方便，把基準(zhǔn)位置的線命名為線2-1，最 大轉(zhuǎn)角位置的線命名為線2-2) ; Φ + δ 2是線2-2與線5的夾角（即線2-2與線3的夾角）； φ + ( δ 2- δ D是線2-2與線2-1的夾角，即夢:.6
[0028] 步驟2.確定葉片彎度Θ
[0029] 由下式，Δ為葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度#與葉片彎度Θ之差，其中Δ +Si對應(yīng)于葉片
[0031] 最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)的正攻角i2數(shù)值；θ - δ i對應(yīng)于葉片基準(zhǔn)位置最大負(fù)攻角i 3女 值。如果Θ =〇(直葉片），基準(zhǔn)位置落后角為零、攻角為零，流動(dòng)損失最??；但最大轉(zhuǎn) 角時(shí)正攻角為Δ、達(dá)最大，損失最大（圖2所示）；如果6>=卞，基準(zhǔn)位置時(shí)負(fù)攻角為切-?、達(dá) 最大，損失最大，最大轉(zhuǎn)角位置攻角為接近零），損失最?。▓D3所示）。由于轉(zhuǎn)角最 大時(shí)靜子葉柵是收斂通道、未轉(zhuǎn)動(dòng)是等通流面積通道，因此較大正負(fù)攻角在葉片后段不會(huì) 產(chǎn)生流動(dòng)分離；但可能造成前段局部附面層增厚甚至流動(dòng)分離，因此本專利提出Θ在下式 范圍內(nèi)：
[0033] 即葉片應(yīng)采用小彎度設(shè)計(jì)，保證最大正攻角和最大負(fù)攻角葉片通道內(nèi)流動(dòng)都處于 低損失范圍內(nèi)。Θ的具體取值由總壓損失系數(shù)與Θ函數(shù)關(guān)系的最小值點(diǎn)確定。
[0034] 步驟3.為了避免葉片前段局部流動(dòng)分離，進(jìn)行葉片頭部削尖處理。根據(jù)葉片基準(zhǔn) 位置圖，削平葉片頭部下面線段，使其與來流平行、避免在最大負(fù)攻角下壓力面前段局部分 離（如圖4-a所示）；根據(jù)葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，削平葉片頭部上面線段，使其與來流平行，避 免在最大正攻角下吸力面前段局部分離（如圖4-b所示）。
[0035] 步驟4.為了加工可行性和避免尖前緣造成前緣附近的小分離，將尖前緣修改成 具有前緣小圓的前緣，小圓半徑可取1%~2%葉片弦長。為了避免葉片前段平直段與后段 之間不光滑產(chǎn)生流動(dòng)損失，采用樣條曲線對此段進(jìn)行修改。
[0036] 通過上述過程完成靜子葉片設(shè)計(jì)，圖5為最終所得葉片示意。
[0037] 按以上所述設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行一變循環(huán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉的葉中 二維葉型設(shè)計(jì)。
[0038] 表1兩種工作模式的工作要求
[0040] 根據(jù)表1可知，二維葉型兩種模式的氣流轉(zhuǎn)角Φ =25°。
[0041] 步驟1.計(jì)算供.本實(shí)施例中，已知φ = 25。，可估算得δ 1= 1. 5°， δ 2= 2.0。，因此可得供=25.5。。
[0042] 步驟2.在滿足0 <#<，的范圍內(nèi)，進(jìn)行初步嘗試計(jì)算，結(jié)果如表2?？扇∪~片彎度 Θ = 150 〇
[0043] 表2不同彎度的總壓損失和的比較
[0045] 步驟3.對步驟2生成的二維葉型進(jìn)行前緣削尖。根據(jù)葉片基準(zhǔn)位置圖，削平葉片 頭部下面線段，使其與來流平行、避免在最大負(fù)攻角下壓力面前段局部分離（如圖4-a所 示）；根據(jù)葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，削平葉片頭部上面線段，使其與來流平行，避免在最大正攻 角下吸力面前段局部分離（如圖4-b所示）。
[0046] 步驟4.在步驟3生成二維葉型的基礎(chǔ)上進(jìn)行光順。前緣小圓取1%弦長，用二次 樣條曲線擬合得到光順后的二維葉型。
[0047] 總壓損失比較如表3。
[0048] 表3各葉型總壓損失比較
[0050] 從上表可以看出，初始直葉片雙涵道總壓損失系數(shù)過大。采用小彎度葉型重新設(shè) 計(jì)后，雙涵道總壓損失系數(shù)大大下降，但是單涵道總壓損失系數(shù)變大了。進(jìn)一步進(jìn)行切割、 光順后，兩種工作模式的總壓損失系數(shù)均令人滿意。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下設(shè)計(jì)步驟： 步驟1、確定靜子葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度P 以靜子葉片出口氣流速度軸向?yàn)榛鶞?zhǔn)位置，靜子最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度@等于靜子出口氣流角 與軸向的夾角Φ加上最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度位置氣流落后角S2與基準(zhǔn)位置氣流落后角δ i之差， 其中Φ由下游葉片進(jìn)氣角決定，\與S 2由該靜子葉片的安裝角、彎度以及該靜子葉片組 成的葉柵稠度決定； 步驟2、確定葉片彎度Θ即葉片應(yīng)采用小彎度設(shè)計(jì)，保證最大正攻角和最大負(fù)攻角葉片通道內(nèi)流動(dòng)都處于低損 失范圍內(nèi)；Θ的具體取值由總壓損失系數(shù)與Θ函數(shù)關(guān)系的最小值點(diǎn)確定； 步驟3、削尖葉片頭部 為了避免葉片前段局部流動(dòng)分離，進(jìn)行葉片頭部削尖處理；最大負(fù)攻角時(shí)，壓力面沿從 前緣點(diǎn)位置沿來流方向截去多余的部分，避免在最大負(fù)攻角下壓力面前段局部分離；最大 正攻角時(shí)，吸力面沿從前緣點(diǎn)位置沿來流方向截去多余的部分，避免在最大正攻角下吸力 面前段局部分離； 步驟4、頭部型線光順 為了加工可行性和避免尖前緣造成前緣附近的小分離，將尖前緣修改成具有前緣小圓 的前緣；為了避免葉片前段平直段與后段之間不光滑產(chǎn)生流動(dòng)損失，采用樣條曲線對削尖 的頭部進(jìn)行光順處理。
【專利摘要】一種小彎度可調(diào)靜子設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明涉及小彎度可調(diào)導(dǎo)葉氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬葉輪機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。步驟1、根據(jù)靜子出口氣流角最大偏轉(zhuǎn)角度φ及基準(zhǔn)位置氣流落后角δ1與最大轉(zhuǎn)角位置氣流落后角δ2，由幾何關(guān)系可得靜子葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度步驟2、根據(jù)損失與安裝角變化曲線確定葉片彎度θ，滿足θ的具體取值由總壓損失系數(shù)與θ函數(shù)關(guān)系的最小值點(diǎn)確定；步驟3、將上步設(shè)計(jì)的二維葉型進(jìn)行葉片頭部削尖處理，避免葉片前段局部流動(dòng)分離；步驟4、采用樣條曲線對葉片頭部進(jìn)行進(jìn)一步光順，避免葉片前段平直段與后段之間不光滑產(chǎn)生流動(dòng)損失。本發(fā)明提出一種小彎度可調(diào)導(dǎo)葉氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，在保證靜子葉片氣動(dòng)性能前提下有效的簡化了調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、并且具有較小的流動(dòng)損失。
【IPC分類】F04D29/56
【公開號】CN105332952
【申請?zhí)枴緾N201510734515
【發(fā)明人】曹暉, 周正貴, 崔翠
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月2日