[发明专利]一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，属于高负荷轴流压气机气动设计技术领域。

背景技术

本专利涉及三方面的技术。分别为对转压气机技术，附面层抽吸技术，基于轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术。

1、对转压气机技术

对于涡轮而言，考虑到气流在涡轮中总体上处于顺压流动，因此在不减少其级负荷的前提下，可减少两列转子之间的静叶片而直接对转，使得发动机结构紧凑，重量下降，推重比提升。此外，对转技术也可减少传到飞机上的合力矩。

对于压气机而言，气流在其内部总体上属于扩压流动。气流在压气机叶片中流动需满足扩压因子的要求。在转速数值相同情况下，若需两列对转转子，直接实现原先两级压气机压比是困难的。其根本原因在于，在总压比不变情况下，压气机中静子叶片能够实现静压升从而降低转子叶片中的逆压梯度。若两列对转转子直接实现两级压气机(假设其反动度为0.5)总压比，平均每列转子需实现原先两倍的静压升。

因此，对于对转压气机而言，不是简单的减少静叶片那么简单，而是需重新对其每列转子气动参数进行评估。第一列转子出口气流参数需满足第二列转子入口参数需求。从图1可看出，若两列转子在没有静叶前提下直接对转，其优点在于，第一列转子能够为第二例转子提供反预旋，提升了第二列转子的做功能力。但也有如下需注意的问题：

1)在特定圆周速度前提下，若想进一步提升第一列转子级负荷，会使得第二列转子的入口气流角或入口相对速度马赫数过高。事实证明，当叶栅入口马赫数超过1.5时，叶栅内部损失会显著增加。因此，在对转压气机前提下，第二列转子的参数需求限制了第一列转子负荷的进一步提升。同样，第一列转子在特定级负荷前提下，限制了第二列转子转速的进一步增加，以避免其入口相对马赫数和气流角增加。

2)为有效降低第二列转子的入口马赫数与气流角，提升负荷，有效办法为提高第一列转子入口正预旋。但当第一列转子入口马赫数已经达到特定水平时，正预旋会使得第一列转子入口相对马赫数进一步增加，激波损失提升。

2、附面层抽吸技术

附面层抽吸可改善压气机内部的流动状况，提升压气机级负荷与效率，从而使得压气机级数减少，发动机结构更加紧凑。但问题在于，附面层抽吸所吸走的经过压缩后的气体，能否进一步利用，以及如何利用。在实际应用过程中，不仅需考虑附面层抽吸的收益，而且需综合考虑当抽吸气体有不同用途时，抽吸所造成的额外损失。

针对超、跨音速转子而言，若不采用围带，由于激波损失与泄漏损失的共同影响，损失主要集中在转子70％叶高及以上区域的吸力面侧。当在转动部件上应用附面层抽吸时，抽吸管道的设计是一大挑战。此外，超音速叶型通常较薄，因此，抽吸槽的宽度，抽吸槽的数量，都受到强度的限制。

3、基于轴向速度提高的高效率高负荷动叶设计技术

对于动叶气动设计，无论是在亚音速入口来流还是在超音速入口来流的前提下，均可通过动叶出口轴向速度提升，降低动叶内的扩压因子，以确保动叶高效流动。从而避免在高负荷气动设计条件下，在动叶中采用附面层抽吸技术等主动控制措施。针对转子入口来流分别为亚音速或跨、超音速的流动情况，分别对该技术予以说明。

3.1在入口相对速度为亚音速时，基于出口轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术

当转子入口相对速度为亚音速时，在常规设计中，动叶入口处、动叶出口处以及静叶出口处，其轴向速度通常相等或变化不大。在动叶入口速度三角形保持不变的前提下，随着级负荷提升，动叶转角增加到一定水平时，其内部将出现附面层分离。此时，可通过增加子午流道的收缩幅度，提升动叶出口轴向速度以降低动叶扩压因子，避免动叶中出现附面层分离流动。

图2是在入口速度三角形相同且轴向进气前提下，不同出口轴向速度前提下的速度三角形对比。根据式(1)，可知，在入口速度三角形与扭速保持不变情况下，出口轴向速度增加，使得其出口相对速度增大，可有效降低动叶中的扩压因子。