專利名稱：一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軸流式葉輪機械領域，具體是一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉 片排布局。
背景技術：
提高壓氣機氣動性能是現代高性能軸流壓氣機氣動設計的需要，提高壓氣機氣動 性能包括提高設計增壓比、效率以及氣動穩(wěn)定性。一般來說，現有常規(guī)的軸流壓氣機葉片排 采用完全軸對稱的、均勻布局的設計方案，即同一排的所有葉片均具有同樣的幾何形狀和 尺寸，且在壓氣機軸向的排列位置相同，相鄰的葉片在圓周方向的間距均相同。對于這種常 規(guī)排列的壓氣機轉動葉片排來說，當設計氣動負荷較高而采用較大葉片稠度時，增壓比通 常是隨壓氣機流量的減小而明顯增加，即動葉進口氣流攻角越大，增壓比就越大。但是，在 壓氣機氣動設計中，為了提高壓氣機的穩(wěn)定裕度，動葉設計的進口氣流攻角不能太大，因而 使得設計點的增壓比并不高，同時，過分增大葉片稠度也使氣動效率降低。在公告號為CN1955492的中國發(fā)明專利中公開了一種壓氣機葉柵的氣動布局方 案，通過葉片排中的兩個相鄰葉片的前緣在壓氣機軸向的位置交錯排列(移動距離為葉片 軸向弦長的5% 15%)，當位置在前的葉片(葉片1)工作在大的進口正攻角狀態(tài)時，由于 葉片1的葉盆表面對流入氣流的限制與導向作用，前緣軸向位置向后移動的葉片(葉片2) 的進口氣流攻角減小，從而使葉片2的流動得到改善，提高壓氣機的氣動穩(wěn)定性。為了提高壓氣機動葉的氣動負荷，現有技術的壓氣機動葉必須加大葉片彎度并通 過增大稠度的方法來提高氣流的轉折角，即加大葉片排的增壓比。但是，當稠度增大到一定 值后，對設計點小攻角狀態(tài)下轉折角的提高效果很有限，并引起設計點附近流動損失明顯 上升。
發(fā)明內容
為克服現有技術中存在的壓氣機轉動葉片排設計點小攻角狀態(tài)下氣流轉折角難 以有效提高的不足，本發(fā)明提出了一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局。本發(fā)明的技術方案是將軸流壓氣機一個轉動葉片排中的所有葉片沿圓周方向以 葉片組為單元進行周期性排列，圓周方向的正向定義為由葉片的葉盆指向葉片的葉背；每 個葉片組由2N+1個葉片構成，其中的N等于2或3或4，且該葉片組中第2N+1個葉片同時 又是沿圓周方向相鄰的下一個葉片組的第1個葉片；在每個葉片組中，第2個葉片位于第1 個葉片的葉背表面一側，第3個葉片位于第2個葉片的葉背表面一側，而葉片組中其余的葉 片也按相同的方式進行排列；每個葉片組中的各葉片前緣按壓氣機軸線方向的位置前后不 同進行排布，其相鄰葉片前緣位置的連線構成一個三角波，三角波的周期T即為葉片組第1 個葉片與第2N+1個葉片前緣沿圓周方向的距離；每個葉片組中第1個葉片和第2N+1個葉 片的前緣位于三角波的波峰處，第N+1個葉片的前緣位于三角波的波谷處；三角波的波幅 為波峰處與波谷處之間的距離在壓氣機軸向的投影P，并且P等于第1個葉片弦長在壓氣機軸向投影長度的0. IOXN 0. 15XN倍；每個葉片組中第2至第N+1個葉片與同該葉片葉 盆一側相鄰的葉片相比，第2至第N+1個葉片按照壓氣機軸向定義的葉片進口幾何角分別 減小0.5° 2.0° ；每個葉片組中第N+2至第2N個葉片與同該葉片葉盆一側相鄰的葉片相 比，第N+2至第2N個葉片按照壓氣機軸向定義的葉片進口幾何角分別增大0.5° 2.0°。 每個葉片組中第2至第2N個葉片與第1個葉片相比，葉片的彎角分別增大0° 0.5°。本發(fā)明中，X方向為軸流壓氣機轉動葉片排的圓周方向；Z方向為壓氣機的軸向。下面以本發(fā)明中N = 2的技術方案說明其工作原理，N = 3及N = 4的技術方案 與此類同。在一個周期中，由于5個葉片前緣的沿壓氣機軸向Z位置不同，它們依次排列后所 構成的葉片氣流通道為四種不同的形式，即第一個葉片的葉背與第二個葉片的葉盆構成氣 流通道A，第二個葉片的葉背與第三個葉片的葉盆構成的氣流通道B，第三個葉片的葉背與 第四個葉片的葉盆構成的氣流通道C，第四個葉片的葉背與相鄰的另一組的第一個葉片的 葉盆構成的氣流通道D。一般來說，構成同一氣流通道的相鄰葉片葉盆及葉背兩個表面的相對軸向位置不 同時，對流動產生的影響也是不同的。如構成一個氣流通道的兩相鄰葉片的葉背和葉盆表 面的軸向相對位置相同時，就是現有技術中常規(guī)的葉片均勻對稱排布葉片排所對應的氣流 通道。相比均勻對稱葉柵，當葉盆表面軸向位置在前時，構成該通道的葉盆表面對通道另 一側的葉背表面氣體流動產生作用的位置提前，作用加強，通道中的流動條件將得到改善， 葉背表面的附面層不易分離；相反，當葉盆表面軸向位置在后時，構成該通道的葉盆表面對 通道另一側的葉背表面氣體流動產生作用的位置退后，其作用減弱，通道中的流動條件將 惡化，葉背表面的附面層容易分離。當葉片排工作在進口氣流攻角為零度左右的小攻角狀態(tài)時，對于本發(fā)明的葉片排 布局，因為一個周期中有3個葉片的軸向位置不同程度地后移，葉片對氣流作用的有效距 離加長，且第2、第3和第4個葉片的彎度不同程度地加大，與相同葉片弦長和4個葉片通道 在X方向總寬度不變的前提下，使得氣流在葉片的作用下產生更大的方向轉折，在相同轉 速條件下獲得更大的增壓比；盡管葉片排的軸向寬度增加，但以葉片弦長計算的稠度并沒 有增大，沒有增加氣流的堵塞損失，使小攻角狀態(tài)的氣流轉折角相比現有技術是增大的，氣 動負荷得以有效提高，動葉排的氣動效率提高。當葉片排工作在進口氣流大攻角狀態(tài)時，對于本發(fā)明的葉片排中通道C和通道D 來說，一側的葉盆表面均比另一側的葉背表面軸向位置在前，流入的氣流首先受到葉盆表 面的作用，使得流向位置在后的葉背表面的氣流攻角有所減小，通道C和通道D的流動條件 得到不同程度地改善，可以有效地抑制通道A或通道B內的分離區(qū)沿周向傳播，提高壓氣機 動葉排在進口大攻角狀態(tài)的氣動性能和穩(wěn)定性。對本發(fā)明及常規(guī)均勻對稱葉片排進行了設計與流場數值仿真計算的對比研究，兩 種葉片排的進口氣動設計條件相同。設計和計算的結果表明，本發(fā)明的動葉排與常規(guī)動葉 排相比，設計點大流量小攻角狀態(tài)以及小流量大攻角狀態(tài)的增壓比明顯提高，效率提高。本發(fā)明在葉片彎度不變以及氣動穩(wěn)定性不降低并有可能得到改善的條件下，使轉 動葉片排在設計點小攻角狀態(tài)的增壓比提高、堵塞流量(流通能力)增加、效率不降低。采 用本發(fā)明葉片排布局的壓氣機，可以選取零攻角甚至負攻角狀態(tài)作為其氣動設計點，這樣，
4不僅可以依靠本發(fā)明的氣動布局構型獲得設計點附近的較高增壓比及較高的效率，而且設 計點攻角降低也意味著壓氣機的穩(wěn)定裕度更大。
四
附圖1是本發(fā)明的N = 2的轉動葉片排布局方案某半徑處基元葉柵展開為平面后 的平面葉柵示意圖。附圖2是本發(fā)明的N = 3的轉動葉片排布局方案某半徑處基元葉柵展開為平面后 的平面葉柵示意圖。附圖3是本發(fā)明的N = 4的轉動葉片排布局方案某半徑處基元葉柵展開為平面后 的平面葉柵示意圖。附圖中1.第一個葉片2.第二個葉片3.第三個葉片4.第四個葉片5.第五個葉片6.第六個葉片7.第七個葉片8.第八個葉片A.實施例一第一個葉片的葉背與第二個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道B.實施例一第二個葉片的葉背與第三個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道C.實施例一第三個葉片的葉背與第四個葉片的葉盆構成的葉柵氣流通道D.實施例一第四個葉片的葉背與相鄰葉片組的第一個葉片的葉盆構成的葉柵氣 流通道L.第一個葉片弦長的投影長度X.葉片排圓周方向Z.壓氣機軸向T.三角波的周期P.三角波的波幅
五具體實施例方式實施例一本實施例的轉動葉片排中葉片排布方式為取N = 2，在葉片排圓周方向X，由相鄰 的5個葉片構成一個葉片組，第五個葉片即為下一個葉片組中的第一個葉片1 ；在同一葉片 組中，第二個葉片2位于第一個葉片1的葉背表面一側，第三個葉片3位于第二個葉片2的 葉背表面一側，第四個葉片4位于第三個葉片3的葉背表面一側，第一個葉片1位于前一個 葉片組中的第四個葉片4的葉背表面一側，以此類推。一個葉片組中各葉片前緣的壓氣機 軸向Z的位置構成一個三角波，葉片組中第一個葉片1的前緣位于三角波的波峰處，第三個 葉片3的前緣位于三角波的波谷處，三角波的周期T即為該葉片組4葉片通道在圓周方向 的總寬度，三角波的波幅P為葉片1的弦長在壓氣機軸向Z的投影長度L的0.25倍。第二 個葉片2與同該葉片葉盆一側相鄰的第一個葉片1相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何 角比第一個葉片1減小0. 5° ；第三個葉片3同該葉片葉盆一側相鄰的第二個葉片2相比， 以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第二個葉片2減小1. 5° ；第四個葉片4與同該葉片 葉盆一側相鄰的第三個葉片3相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第三個葉片3增 大1.5°。第二個葉片2、第三個葉片3和第四個葉片4的彎角與葉片1相同。所述葉片葉型設計狀態(tài)的攻角為0°，選取某壓氣機第一級動葉尖部截面基元級 作為對比研究的基準。本實施例的動葉片排與常規(guī)均勻動葉片排均按照相同樣進口條件進 行流場數值優(yōu)化設計，葉柵流場數值仿真計算的結果表明，在較寬的流量范圍內，本實施例的增壓比明顯高于相應的常規(guī)葉片，且效率也高于常規(guī)葉片的結果。尤其是在小攻角大流 量的近堵塞點狀態(tài)，本實施例的增壓比和效率都顯著高于常規(guī)葉片。實施例二本實施例的轉動葉片排中葉片排布方式為取N = 3，在葉片排圓周方向X，由相鄰 的7個葉片構成一個葉片組，第七個葉片即為下一個葉片組中的第一個葉片1 ；在同一葉片 組中，第二個葉片2位于第一個葉片1的葉背表面一側，第三個葉片3位于第二個葉片2的 葉背表面一側，第四個葉片4位于第三個葉片3的葉背表面一側，第五個葉片5位于第四個 葉片4的葉背表面一側，第六個葉片6位于第五個葉片5的葉背表面一側，第一個葉片1位 于前一個葉片組中的第4個葉片6的葉背表面一側，以此類推。一個葉片組中各葉片前緣 的壓氣機軸向Z的位置構成一個三角波，葉片組中第一個葉片1的前緣位于三角波的波峰 處，第四個葉片4的前緣位于三角波的波谷處，三角波的周期T即為該葉片組6葉片通道在 圓周方向的總寬度，三角波的波幅P為葉片1的弦長在壓氣機軸向Z的投影長度L的0. 40 倍。第二個葉片2與同該葉片葉盆一側相鄰的第一個葉片1相比，以壓氣機軸向Z定義的 進口幾何角比第一個葉片1減小0.5° ；第三個葉片3與同該葉片葉盆一側相鄰的第二個葉 片2相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第二個葉片2減小1. 5° ；第四個葉片4與 同該葉片葉盆一側相鄰的第三個葉片3相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第三個 葉片3減小2. 0° ；第五個葉片5與同該葉片葉盆一側相鄰的第四個葉片4相比，以壓氣機 軸向Z定義的進口幾何角比第四個葉片4增大2. 0° ；第六個葉片6與同該葉片葉盆一側 相鄰的第五個葉片5相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第五個葉片5增大1. 5°。 第二個葉片2、第三個葉片3、第四個葉片4、第五個葉片5和第六個葉片6的彎角與第一個 葉片1相同。所述葉片葉型設計狀態(tài)的攻角為0°，選取某壓氣機第一級動葉尖部截面基元級 作為對比研究的基準。本實施例的動葉片排與常規(guī)均勻動葉片排均按照相同樣進口條件進 行流場數值優(yōu)化設計，葉柵流場數值仿真計算的結果表明，在常規(guī)均勻動葉片排的流量范 圍內，本實施例的增壓比明顯高于相應的常規(guī)葉片，且效率也高于常規(guī)葉片的結果，尤其是 在小攻角大流量的設計點狀態(tài)，本實施例的增壓比和效率都顯著高于常規(guī)葉片。實施例三本實施例中，轉動葉片排中葉片排布方式為取N = 4，在葉片排圓周方向X，由相 鄰的9個葉片構成一個葉片組，第九個葉片即為下一個葉片組中的第一個葉片1。在同一個 葉片組中，第二個葉片2位于第一個葉片1的葉背表面一側，第三個葉片3位于第二個葉片 2的葉背表面一側，第四個葉片4位于第三個葉片3的葉背表面一側，第五個葉片5位于第 四個葉片4的葉背表面一側，第六個葉片6位于第五個葉片5的葉背表面一側，第七個葉片 7位于第六個葉片6的葉背表面一側，第八個葉片8位于第七個葉片7的葉背表面一側，第 一個葉片1位于前一個葉片組中的第八個葉片8的葉背表面一側，以此類推。一個葉片組 中各葉片前緣的壓氣機軸向Z的位置構成一個三角波，葉片組中第一個葉片1的前緣位于 三角波的波峰處，第五個葉片5的前緣位于三角波的波谷處，三角波的周期T即為該葉片組 8葉片通道在圓周方向的總寬度，三角波的波幅P為葉片1的弦長在壓氣機軸向Z的投影長 度L的0. 51倍。第二個葉片2與同該葉片的葉盆一側相鄰的第一個葉片1相比，以壓氣機 軸向Z定義的進口幾何角比第一個葉片1減小0. 5° ；第三個葉片3與同該葉片葉盆一側
6相鄰的第二個葉片2相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第二個葉片2減小0. 5° ； 第四個葉片4與同該葉片葉盆一側相鄰的第三個葉片3相比，以壓氣機軸向Z定義的進口 幾何角比第三個葉片3減小0. 5° ；第五個葉片5與同該葉片葉盆一側相鄰的第四個葉片4 相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第四個葉片4減小0. 5° ；第六個葉片6與同該 葉片葉盆一側相鄰的第五個葉片5相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第五個葉片 5增大0. 5° ；第七個葉片7與同該葉片葉盆一側相鄰的第六個葉片6相比，以壓氣機軸向 Z定義的進口幾何角比第六個葉片6增大0.5° ；第八個葉片8與同該葉片葉盆一側相鄰 的第七個葉片7相比，以壓氣機軸向Z定義的進口幾何角比第七個葉片7增大0.5°。第二 個葉片2、第三個葉片3、第四個葉片4和第五個葉片5的彎角與第一個葉片1相同；第六個 葉片6的彎角比第一個葉片1增大0. 5° ；第七個葉片7和第八個葉片8的彎角與第一個 葉片1相同。 所述葉片葉型設計狀態(tài)的攻角為0°，選取某壓氣機第一級動葉尖部截面基元級 作為對比研究的基準。本實施例的動葉片排與常規(guī)均勻動葉片排均按照相同樣進口條件進 行流場數值優(yōu)化設計，葉柵流場數值仿真計算的結果表明，在常規(guī)均勻動葉片排的流量范 圍內，本實施例的增壓比明顯高于相應的常規(guī)葉片，且效率也高于常規(guī)葉片的結果，尤其是 在小攻角大流量的設計點狀態(tài)，本實施例的增壓比和效率都顯著高于常規(guī)葉片，而且堵塞 流量也大于常規(guī)均勻動葉片排。
權利要求
一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，將軸流壓氣機一個轉動葉片排中的所有葉片沿圓周方向以葉片組為單元進行周期性排列，在每個葉片組中，第2個葉片位于第1個葉片的葉背表面一側，第3個葉片位于第2個葉片的葉背表面一側，且葉片組中其余的葉片也依此排列；每個葉片組中的各葉片前緣按壓氣機軸線方向的位置前后不同進行排布；其特征在于，各組中相鄰葉片前緣位置的連線構成一個三角波，三角波的周期(T)即為葉片組第1個葉片(1)與第2N+1個葉片前緣沿圓周方向(X)的距離；每個葉片組中第1個葉片(1)和第2N+1個葉片的前緣位于三角波的波峰處，第N+1個葉片的前緣位于三角波的波谷處；三角波的波幅(P)為波峰處與波谷處之間的距離在軸向的投影，并且三角波的波幅(P)等于第1個葉片(1)弦長的投影長度(L)的0.10×N～0.15×N倍。
2.如權利要求1所述一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，其特征在于， 每個葉片組中第2個葉片⑵至第N+1個葉片與同該葉片葉盆一側相鄰的葉片相比，第2 個葉片(2)至第N+1個葉片按照壓氣機軸向(Z)定義的葉片進口幾何角分別減小0.5° 2. 0° ；每個葉片組中第N+2至第2N個葉片與同該葉片葉盆一側相鄰的葉片相比，第N+2至 第2N個葉片按照壓氣機軸向(Z)定義的葉片進口幾何角分別增大0.5° 2.0°。
3.如權利要求1所述一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，其特征在于， 每個葉片組中第2個葉片⑵至第2N個葉片與第1個葉片⑴相比，葉片的彎角分別增大 0° 0.5°。
4.如權利要求1所述一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，其特征在于， 構成每個葉片組的葉片有2N+1個，其中的N等于2或3或4，且該葉片組中第2N+1個葉片 同時又是沿圓周方向(X)相鄰的下一個葉片組的第1個葉片(1)。
5.如權利要求1所述一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，其特征在于， 所述的第1個葉片⑴弦長的投影長度(L)為第1個葉片⑴在軸向的投影。
全文摘要
本發(fā)明是一種提高軸流壓氣機氣動性能的轉動葉片排布局，將軸流壓氣機葉片沿圓周方向X周期性排列，每個周期由2N個葉片通道構成，每個周期中排列的各葉片前緣軸向位置的連線構成一個三角波；每個周期中第1個葉片(1)和第2N+1個葉片的前緣位于三角波的波峰處，第N+1個葉片的前緣位于三角波的波谷處。本發(fā)明在葉片彎度不變以及氣動穩(wěn)定性不降低并有可能得到改善的條件下，使轉動葉片排在設計點小攻角狀態(tài)的增壓比提高、堵塞流量增加、效率不降低。采用本發(fā)明的壓氣機，可選取零攻角甚至負攻角狀態(tài)作為其氣動設計點，不僅能夠獲得設計點附近的較高增壓比及較高的效率，而且壓氣機的穩(wěn)定裕度更大。
文檔編號F04D29/38GK101900133SQ20091002344
公開日2010年12月1日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權日2009年7月28日
發(fā)明者劉前智, 廖明夫, 王儼剴, 王四季 申請人:西北工業(yè)大學