專利名稱：一種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法
技術領域：
本發明涉及一種亞音速軸流壓氣機氣動設計方法，屬于軸流壓氣機技術領域。
背景技術：
軸流壓氣機其基本部件由轉子和靜子構成。對于壓氣機而言，其單級壓比提升，可以有效縮減發動機尺寸與重量，提升航空發動機推重比。通常提升壓氣機級壓比主要有兩種手段，提高轉子圓周速度或增加轉子葉片折轉角以獲得大的扭速增益。當圓周速度保持不變時，在確保壓氣機級效率的前提下，進一步增大轉子的扭速是提升壓氣機級壓比的唯
一途徑。在傳統的亞音速軸流壓氣機氣動設計中，動葉入口、出口以及靜葉出口軸向速度大小基本保持不變或相差不大。在此種設計前提下，為實現級的高負荷氣動設計，常見的流動控制技術有附面層抽吸技術，串列葉柵技術，大小葉片技術等。在轉動部件中進行附面層抽吸時會導致抽吸管路布局困難、葉片強度下降等系列問題。
發明內容
本發明的目的在于:針對亞音速軸流壓氣機級，解決葉片轉角增加、級負荷提升時動葉中的附面層分離流動問題，同時避免在動葉中進行附面層抽吸所造成的如抽吸管路布局困難、葉片強度下降等問題。本發明為解 決上述技術問題采取的技術方案是:
—種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法，所述方法是針對高負荷軸流壓氣機進行氣動設計，通過大幅提升動葉出口軸向速度，以確保動葉流動效率；與此同時結合附面層抽吸以控制靜葉中的氣體流動分離；動葉出口中徑處軸向速度確定方法如下:
u λ-> Δμ;D = 1---1--—(I)
wi Itw1其中:w2為出口相對速度值，W1為入口相對速度值，Awu為扭速，τ為稠度；wlu表示入口相對速度圓周方向的分速度；D表示擴壓因子；選取擴壓因子值；利用式(I)可計算得到動葉出口相對速度值W2 ;同時利用(2)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)W2:=小 — μ —(3)w2z表示動葉出口軸向速度，W2u表示出口相對速度圓周方向的分速度。上述方案中，擴壓因子取值一般不超過0.5。擴壓因子取值可取0.4。本發明方法的優點在于:本發明方法綜合考慮附面層抽吸技術對于控制附面層分離流動的顯著作用以及在轉動部件中進行附面層抽吸時導致的抽吸管路布局困難、葉片強度下降等系列問題，本發明提出了一種基于動葉出口軸向速度大幅度提升的亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計原理，利用該原理可實現壓氣機級的高負荷氣動設計。在動葉中，通過大幅度增加動葉出口軸向速度，有效降低轉子中的逆壓力梯度，在不采用任何主動控制技術的前提下，實現動葉的高效流動。相較在動葉中采用串列葉柵或大小葉片技術而言，可有效的減少轉動部件的葉片數，從而減少壓氣機尺寸與重量；相較在動葉與靜葉中都采用附面層抽吸以控制壓氣機級內流動而言，有效的避免了由于在轉動部件中進行附面層抽吸所造成的抽吸管道布局困難以及葉片強度下降等難題。本發明針對入口來流為亞聲速的軸流壓氣機級，在入口速度三角形不變的前提下，隨著其設計級負荷系數不斷提升并超過常規設計值時，可通過大幅增加動葉出口軸向速度以降低動葉中的擴壓因子，以確保動葉高效流動；與此同時，利用附面層抽吸以解決下游靜葉內部流動問題。本發明相較在動、靜葉中都進行附面層抽吸而言，有效避免了轉動部件葉片強度與抽吸結構設計等難題；相較采用串列葉柵技術而言，該原理可減少葉片數從而降低發動機尺寸與重量。本發明方法可用于高推重比航空發動機氣動設計。
圖1為本發明方法在亞音速條件下，動葉出口軸向速度大幅提升時的速度三角形(在亞音速入口且不同動葉負荷條件下，動葉出口軸向速度大幅提升時動葉速度三角形對比)；圖2為在本發明方法設計下，其輪轂曲線示意圖，圖2中，1-輪緣，2-輪緣二，3-輪緣一，4-靜葉出口，5-靜葉，6-輪轂，7-動葉，8表示入口亞音速來流；圖3為動葉中徑處速度三角形圖；圖4為動葉段的子午流道示意圖；圖5為動葉三維幾何造型圖；圖6為動葉10%葉高處馬赫數等值線圖；圖7為動葉50%葉高處馬赫數等值線圖；圖8為動葉90%葉高處馬赫數等直線圖；圖9為動葉在設計轉速下時的流量壓比特性曲線圖；圖10為動葉在設計轉速下時的效率壓比曲線圖；圖11為動葉出口絕對氣流角沿葉高分布圖；圖12為動葉出口絕對馬赫數沿葉高分布圖；圖13為動葉出口軸向速度沿葉高分布；圖14為靜葉三維造型圖；圖15為靜葉中抽吸結構示意圖；圖16為級在10%葉高處馬赫數等值線圖；圖17為級在50%葉高處馬赫數等值線圖；圖18為級在90%葉高處馬赫數等值線圖；圖19為在設計轉速下，級的流量壓比曲線；圖20為在設計轉速下，級的流量效率曲線。
具體實施例方式針對入口相對速度為亞音速的軸流壓氣機級，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。當在動葉入口速度三角形保持不變的前提下，隨著級負荷提升到一定水平時，動葉內部將出現附面層流動分離。此時，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中氣體的逆壓力梯度，避免動葉中出現附面層分離流動的同時提高動葉中氣體流動效率。從一維角度出發，其出口軸向速度增加的大小值確定方法如下:
權利要求
1.一種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法，其特征在于:所述方法是針對高負荷軸流壓氣機進行氣動設計，通過大幅提升動葉出口軸向速度，以確保動葉流動效率；與此同時結合附面層抽吸以控制靜葉中的氣體流動分離；動葉出口中徑處軸向速度確定方法如下:
2.根據權利要求1所述的一種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法，其特征在于:擴壓因子取值不超過0.5。
3.根據權利要求2所述的一種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法，其特征在于:擴壓因子取值為0.4。
全文摘要
一種亞音速吸附式軸流壓氣機氣動設計方法，屬于軸流壓氣機技術領域。本發明針對亞音速軸流壓氣機級葉片轉角增加、級負荷提升時動葉中的附面層分離流動問題，同時避免在動葉中進行附面層抽吸所造成的如抽吸管路布局困難、葉片強度下降等問題。在入口速度三角形不變的前提下，隨著其設計級負荷系數不斷提升并超過常規設計值時，大幅增加動葉出口軸向速度以降低動葉中的擴壓因子，以確保動葉高效流動；利用附面層抽吸以解決下游靜葉內部流動問題。本發明相較在動、靜葉中都進行附面層抽吸而言，有效避免了轉動部件葉片強度與抽吸結構設計等難題；相較采用串列葉柵技術而言，可減少葉片數從而降低發動機尺寸與重量。該方法可用于高推重比航空發動機氣動設計。
文檔編號F04D29/38GK103244459SQ201310148289
公開日2013年8月14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