專利名稱：一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法
技術領域：
本發明涉及一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，屬于高負荷軸流壓氣機氣動設計技術領域。
背景技術：
本專利涉及三方面的技術。分別為對轉壓氣機技術，附面層抽吸技術，基于軸向速度提升的高效率高負荷動葉設計技術。
1、對轉壓氣機技術
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荷的前提下，可減少兩列轉子之間的靜葉片而直接對轉，使得發動機結構緊湊，重量下降，推重比提升。此外，對轉技術也可減少傳到飛機上的合力矩。
對于壓氣機而言，氣流在其內部總體上屬于擴壓流動。氣流在壓氣機葉片中流動需滿足擴壓因子的要求。在轉速數值相同情況下，若需兩列對轉轉子，直接實現原先兩級壓氣機壓比是困難的。其根本原因在于，在總壓比不變情況下，壓氣機中靜子葉片能夠實現靜壓升從而降低轉子葉片中的逆壓梯度。若兩列對轉轉子直接實現兩級壓氣機(假設其反動度為0.5)總壓比，平均每列轉子需實現原先兩倍的靜壓升。
因此，對于對轉壓氣機而言，不是簡單的減少靜葉片那么簡單，而是需重新對其每列轉子氣動參數進行評估。第一列轉子出口氣流參數需滿足第二列轉子入口參數需求。從
圖1可看出，若兩列轉子在沒有靜葉前提下直接對轉，其優點在于，第一列轉子能夠為第二例轉子提供反預旋，提升了第二列轉子的做功能力。但也有如下需注意的問題:
I)在特定圓周速度前提下，若想進一步提升第一列轉子級負荷，會使得第二列轉子的入口氣流角或入口相對速度馬赫數過高。事實證明，當葉柵入口馬赫數超過1.5時，葉柵內部損失會顯著增加。因此，在對轉壓氣機前提下，第二列轉子的參數需求限制了第一列轉子負荷的進一步提升。同樣，第一列轉子在特定級負荷前提下，限制了第二列轉子轉速的進一步增加，以避免其入口相對馬赫數和氣流角增加。
2)為有效降低第二列轉子的入口馬赫數與氣流角，提升負荷，有效辦法為提高第一列轉子入口正預旋。但當第一列轉子入口馬赫數已經達到特定水平時，正預旋會使得第一列轉子入口相對馬赫數進一步增加，激波損失提升。
2、附面層抽吸技術
附面層抽吸可改善壓氣機內部的流動狀況，提升壓氣機級負荷與效率，從而使得壓氣機級數減少，發動機結構更加緊湊。但問題在于，附面層抽吸所吸走的經過壓縮后的氣體，能否進一步利用，以及如何利用。在實際應用過程中，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，損失主要集中在轉子70%葉高及以上區域的吸力面側。當在轉動部件上應用附面層抽吸時，抽吸管道的設計是一大挑戰。此外，超音速葉型通常較薄，因此，抽吸槽的寬度，抽吸槽的數量，都受到強度的限制。
3、基于軸向速度提高的高效率高負荷動葉設計技術
對于動葉氣動設計，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，降低動葉內的擴壓因子，以確保動葉高效流動。從而避免在高負荷氣動設計條件下，在動葉中采用附面層抽吸技術等主動控制措施。針對轉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荷動葉設計技術
當轉子入口相對速度為亞音速時，在常規設計中，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，隨著級負荷提升，動葉轉角增加到一定水平時，其內部將出現附面層分離。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壓因子，避免動葉中出現附面層分離流動。
圖2是在入口速度三角形相同且軸向進氣前提下，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壓因子。
權利要求
1.一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，對于第一列動葉，在高負荷氣動設計條件下，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，結合附面層抽吸以控制其內部流動分離并為第二列動葉提供反預旋；對于第二列動葉，在高負荷設計條件下，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子效率；對于第二列靜葉，結合附面層抽吸以實現氣流減速與軸向出氣； 根據發動機整機性能的需求給定如下參數:設計轉速，包括第一列動葉轉速U1以及第二列動葉轉速U2 ;設計負荷,包括第一列動葉設計負荷Awul與第二列動葉設計負荷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 ； 對于第一列轉子，根據其入口馬赫數需求給定預旋，當第一列轉子在軸向進氣前提下已是跨音速或超音速時，通常直接軸向進氣，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:所述結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法的具體實現過程為:步驟一、利用基于動葉出口軸向速度提升的方式，在給定高負荷氣動設計目標下，對第一列轉子進行氣動設計，其動葉出口軸向速度確定方法如下: 已知第一列轉子入口速度三角形和動葉負荷，在給定稠度τ值情況下，利用式(I)利用式(I)計算得到第一列轉子出口相對速度W2: D = 1- (I) in 2ru\ 由第一列轉子入口速度三角形可求得第一列轉子入口相對速度Wl和第一列轉子入口相對速度在圓周方向的分速度Wlu ；由動葉負荷可求得扭速△ Wu ；選取擴壓因子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) 根據第一列轉子入口速度三角形，動葉出口軸向速度與動葉負荷，求得第一列轉子中徑處速度三角形； 步驟二、根據第二列動葉轉速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； 根據第二列轉子入口馬赫數需求與第一列轉子負荷，計算第二列轉子的入口預旋角；步驟三、根據第二列轉子的入口軸向速度與入口預旋角度，以及由第一列轉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、根據第二列轉子的入口預旋角、圓周速度、入口軸向速度，得到第二列轉子中徑處入口速度三角形；根據步驟一再求得第二列轉子中徑處出口速度三角形； 步驟五、根據第二列轉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，對轉壓氣機的中徑處速度三角形求解完畢。
2.根據權利要求1所述的一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，其特征在于:在步驟一中，擴壓因子值不超過0.5。
3.根據權利要求2所述的一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，其特征在于:擴壓因子取值為0.4。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，其特征在于:步驟二中所述的第二列轉子入口馬赫數需求不大于1.2。
全文摘要
一種結合附面層抽吸的對轉壓氣機氣動設計方法，屬于高負荷軸流壓氣機氣動設計技術領域。該發明能夠有效解決現有對轉軸流壓氣機兩列轉子直接對轉時存在的系列問題，同時也能避免附面層抽吸在轉子中進行。利用基于動葉出口軸向速度提升的方式，在給定高負荷氣動設計目標下，對第一列轉子進行氣動設計；根據第二列動葉轉速確定第二列動葉入口處的絕對速度的軸向分速度；根據第二列轉子入口馬赫數需求與第一列轉子負荷，計算第二列轉子的入口預旋角；根據第二列轉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。本發明能夠充分挖掘對轉壓氣機每列轉子的做功能力，實現對轉壓氣機高負荷氣動設計。
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 優先權日2013年4月25日
發明者王松濤, 胡應交 申請人:哈爾濱工業大學