[发明专利]半串列叶片及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于压气机技术领域，尤其指代一种可用于轴流压气机转静子以及离心或斜流压气机转子的半串列叶片及其设计方法。

背景技术

在以航空燃气涡轮发动机为代表的各类轴流、斜流、离心压气机中，气流在叶片构成的通道中减速扩压将动能最大可能的转化成压力能。在大型涡轮发动机中，以单级压气机获得尽可能高的压比是压气机领域长期以来的发展方向，国内外的发展趋势都体现为压气机级数越来越少，平均级压比越来越高；在微小型涡轮发动机中，由于尺寸的限制，压气机内气流沿程逆压梯度更大，粘性效应更为明显。这些因素都导致高负荷压气机容易在某些叶高产生分离，从而使压缩效率大大降低，这是压气机设计中面临的重要问题。

针对压气机中由于大扩压度产生的分离问题，国内外已对此展开了大量研究，综合该领域已有的工作，相关技术主要有如下几类：(1)先进的叶形设计；(2)采用流动控制技术，如吸附式压气机技术、零质量流量合成射流技术、脉冲微射流控制技术、振动壁面流动控制技术、等离子体流动控制技术、声学控制技术等；(3)压气机叶片开槽设计方案；(4)采用整体叶片串列技术方案。

上述这些技术都从各方层面推动了大扩压度压气机叶片设计能力的进步，但是，也存在着一些不足：(1)采用各种先进的设计方法来获得更优化的三维几何造型可以使分离点位置延后甚至消除分离，增大压气机压比和效率，但是，这种设计思路目前已接近技术可实现的极限，当压气机某些叶高的扩压负荷超过当前水平时，该技术即无法产生有效作用。(2)采用流动控制技术能有效抑制甚至消除流动分离，但往往要引入复杂甚至笨重、成本高昂的额外机构，如复杂气路、吹/吸气源、合成射流装置、等离子体发生装置、作动机构等，对于追求高推重比及紧凑性的航空发动机来说，尚难以在实际工程中有效应用。(3)该技术通过开槽，将一股气流由叶片压力面经过槽道吹向吸力面，并由此控制叶背气流分离。这与在外流中得到广泛应用的飞机机翼的襟翼或多段翼型技术是基本相同的，因此该工作原理已得到有效验证，该技术可认为是串列叶片周向位置PP略小于1，轴向位置AO为一定负值的一个特例，相比串列叶片，可调参数范围较小。(4)整体叶片串列技术通过后叶片附面层重生成和前后排叶片的相互耦合影响，达到抑制流动分离，增加压气机压比和效率的目的；对于一般高负荷单列压气机而言，分离往往由于高扩压度或激波附面层干涉作用发生于或率先发生于某些叶高，采用整体叶片串列技术能通过上述的两个机理有效抑制单列叶片会发生分离叶高的附面层分离，但在不分离叶高，由于压气机叶片在湍流条件下，叶片由于附面层摩擦和掺混带来的总压损失系数与以叶片弦长表征的雷诺数的-1/5～-1/7次方成生比，因此采用串列叶片由于附面层重生成造成叶片总压损失系数约为单列叶片的1.1～1.15倍，通过前后排叶片的相互耦合影响能略微减小这个比例系数，却难以将其降低至1以下。因此采用整体串列技术能在分离叶高产生正收益，却因为在不发生分离叶高的负收益，降低了整体串列叶片的实际正收益，甚至产生实际负收益。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种半串列叶片及其设计方法，从而实现进一步提高压气机压比与效率，能有效抑制高扩压度叶高流动分离，同时避免低扩压度叶高因附面层重新生成带来的额外损失。

为达到上述目的，本发明的一种半串列叶片，其结构为：周向周期性安置若干叶片，叶片沿叶高方向采用部分单列与部分串列，并通过叶片分叉的方式实现单列向串列的平滑、连续过渡。

进一步地，所述叶片在原型单列叶片的基础上，保证子午形状不变，通过半串列技术得到，应用于轴流压气机转静子及离心或斜流压气机转子上。

进一步地，所述的叶片仅在原型单列叶片产生分离的叶高采用串列叶片，通过叶片分叉与其他部分平滑、连续连接，并形成连通的整体，根据采用串列叶片叶高的位置，可分为Y型、Λ型、K型、O型半串列叶片，分别对应串列位置在叶尖、叶根、叶尖和叶根、叶中。

进一步地，所述的串列叶片部分通过合理分配前后叶片载荷，及调整后排叶片的叶片角，保证总损失最低；并通过优化轴向间隙AO和周向位置PP，利用前后叶片相互的耦合影响，抑制流动分离，提高叶片扩压性能，其中AO定义为前叶片尾缘和后叶片前缘轴向间隙与叶片总轴向弦长的比值，取值范围为-0.2～0.2(负号表示前后排叶片有轴向重合)，PP定义为后叶片前缘和前叶片尾缘背风侧的周向距离与叶片通道周向宽度的比值，取值范围为0.5～0.95；在串列与单列的过渡位置，A0取值范围为0～0.2，PP的取值为0.95～1。