專利名稱：一種亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種亞音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬于軸流壓氣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
軸流壓氣機(jī)其基本部件由轉(zhuǎn)子和靜子構(gòu)成。對(duì)于壓氣機(jī)而言，其單級(jí)壓比提升，可以有效縮減發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。通常提升壓氣機(jī)級(jí)壓比主要有兩種手段，提高轉(zhuǎn)子圓周速度或增加轉(zhuǎn)子葉片折轉(zhuǎn)角以獲得大的扭速增益。當(dāng)圓周速度保持不變時(shí)，在確保壓氣機(jī)級(jí)效率的前提下，進(jìn)一步增大轉(zhuǎn)子的扭速是提升壓氣機(jī)級(jí)壓比的唯
一途徑。在傳統(tǒng)的亞音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，動(dòng)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(shè)計(jì)前提下，為實(shí)現(xiàn)級(jí)的高負(fù)荷氣動(dòng)設(shè)計(jì)，常見的流動(dòng)控制技術(shù)有附面層抽吸技術(shù)，串列葉柵技術(shù)，大小葉片技術(shù)等。在轉(zhuǎn)動(dòng)部件中進(jìn)行附面層抽吸時(shí)會(huì)導(dǎo)致抽吸管路布局困難、葉片強(qiáng)度下降等系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于:針對(duì)亞音速軸流壓氣機(jī)級(jí)，解決葉片轉(zhuǎn)角增加、級(jí)負(fù)荷提升時(shí)動(dòng)葉中的附面層分離流動(dòng)問題，同時(shí)避免在動(dòng)葉中進(jìn)行附面層抽吸所造成的如抽吸管路布局困難、葉片強(qiáng)度下降等問題。本發(fā)明為解 決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:
—種亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，所述方法是針對(duì)高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，通過(guò)大幅提升動(dòng)葉出口軸向速度，以確保動(dòng)葉流動(dòng)效率；與此同時(shí)結(jié)合附面層抽吸以控制靜葉中的氣體流動(dòng)分離；動(dòng)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(duì)速度值，W1為入口相對(duì)速度值，Awu為扭速，τ為稠度；wlu表示入口相對(duì)速度圓周方向的分速度；D表示擴(kuò)壓因子；選取擴(kuò)壓因子值；利用式(I)可計(jì)算得到動(dòng)葉出口相對(duì)速度值W2 ;同時(shí)利用(2)式和⑶式可計(jì)算得到動(dòng)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(dòng)葉出口軸向速度，W2u表示出口相對(duì)速度圓周方向的分速度。上述方案中，擴(kuò)壓因子取值一般不超過(guò)0.5。擴(kuò)壓因子取值可取0.4。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明方法綜合考慮附面層抽吸技術(shù)對(duì)于控制附面層分離流動(dòng)的顯著作用以及在轉(zhuǎn)動(dòng)部件中進(jìn)行附面層抽吸時(shí)導(dǎo)致的抽吸管路布局困難、葉片強(qiáng)度下降等系列問題，本發(fā)明提出了一種基于動(dòng)葉出口軸向速度大幅度提升的亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)原理，利用該原理可實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)級(jí)的高負(fù)荷氣動(dòng)設(shè)計(jì)。在動(dòng)葉中，通過(guò)大幅度增加動(dòng)葉出口軸向速度，有效降低轉(zhuǎn)子中的逆壓力梯度，在不采用任何主動(dòng)控制技術(shù)的前提下，實(shí)現(xiàn)動(dòng)葉的高效流動(dòng)。相較在動(dòng)葉中采用串列葉柵或大小葉片技術(shù)而言，可有效的減少轉(zhuǎn)動(dòng)部件的葉片數(shù)，從而減少壓氣機(jī)尺寸與重量；相較在動(dòng)葉與靜葉中都采用附面層抽吸以控制壓氣機(jī)級(jí)內(nèi)流動(dòng)而言，有效的避免了由于在轉(zhuǎn)動(dòng)部件中進(jìn)行附面層抽吸所造成的抽吸管道布局困難以及葉片強(qiáng)度下降等難題。本發(fā)明針對(duì)入口來(lái)流為亞聲速的軸流壓氣機(jī)級(jí)，在入口速度三角形不變的前提下，隨著其設(shè)計(jì)級(jí)負(fù)荷系數(shù)不斷提升并超過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)值時(shí)，可通過(guò)大幅增加動(dòng)葉出口軸向速度以降低動(dòng)葉中的擴(kuò)壓因子，以確保動(dòng)葉高效流動(dòng)；與此同時(shí)，利用附面層抽吸以解決下游靜葉內(nèi)部流動(dòng)問題。本發(fā)明相較在動(dòng)、靜葉中都進(jìn)行附面層抽吸而言，有效避免了轉(zhuǎn)動(dòng)部件葉片強(qiáng)度與抽吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等難題；相較采用串列葉柵技術(shù)而言，該原理可減少葉片數(shù)從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量。本發(fā)明方法可用于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。


圖1為本發(fā)明方法在亞音速條件下，動(dòng)葉出口軸向速度大幅提升時(shí)的速度三角形(在亞音速入口且不同動(dòng)葉負(fù)荷條件下，動(dòng)葉出口軸向速度大幅提升時(shí)動(dòng)葉速度三角形對(duì)比)；圖2為在本發(fā)明方法設(shè)計(jì)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(dòng)葉，8表示入口亞音速來(lái)流；圖3為動(dòng)葉中徑處速度三角形圖；圖4為動(dòng)葉段的子午流道示意圖；圖5為動(dòng)葉三維幾何造型圖；圖6為動(dòng)葉10%葉高處馬赫數(shù)等值線圖；圖7為動(dòng)葉50%葉高處馬赫數(shù)等值線圖；圖8為動(dòng)葉90%葉高處馬赫數(shù)等直線圖；圖9為動(dòng)葉在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下時(shí)的流量壓比特性曲線圖；圖10為動(dòng)葉在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下時(shí)的效率壓比曲線圖；圖11為動(dòng)葉出口絕對(duì)氣流角沿葉高分布圖；圖12為動(dòng)葉出口絕對(duì)馬赫數(shù)沿葉高分布圖；圖13為動(dòng)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(jié)構(gòu)示意圖；圖16為級(jí)在10%葉高處馬赫數(shù)等值線圖；圖17為級(jí)在50%葉高處馬赫數(shù)等值線圖；圖18為級(jí)在90%葉高處馬赫數(shù)等值線圖；圖19為在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，級(jí)的流量壓比曲線；圖20為在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，級(jí)的流量效率曲線。
具體實(shí)施例方式針對(duì)入口相對(duì)速度為亞音速的軸流壓氣機(jī)級(jí)，在常規(guī)設(shè)計(jì)中，動(dòng)葉入口處、動(dòng)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(dāng)在動(dòng)葉入口速度三角形保持不變的前提下，隨著級(jí)負(fù)荷提升到一定水平時(shí)，動(dòng)葉內(nèi)部將出現(xiàn)附面層流動(dòng)分離。此時(shí)，通過(guò)增加子午流道的收縮幅度，提升動(dòng)葉出口軸向速度以降低動(dòng)葉中氣體的逆壓力梯度，避免動(dòng)葉中出現(xiàn)附面層分離流動(dòng)的同時(shí)提高動(dòng)葉中氣體流動(dòng)效率。從一維角度出發(fā)，其出口軸向速度增加的大小值確定方法如下:
權(quán)利要求
1.一種亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述方法是針對(duì)高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)，通過(guò)大幅提升動(dòng)葉出口軸向速度，以確保動(dòng)葉流動(dòng)效率；與此同時(shí)結(jié)合附面層抽吸以控制靜葉中的氣體流動(dòng)分離；動(dòng)葉出口中徑處軸向速度確定方法如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:擴(kuò)壓因子取值不超過(guò)0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種亞音速吸附式軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于:擴(kuò)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(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，屬于軸流壓氣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)亞音速軸流壓氣機(jī)級(jí)葉片轉(zhuǎn)角增加、級(jí)負(fù)荷提升時(shí)動(dòng)葉中的附面層分離流動(dòng)問題，同時(shí)避免在動(dòng)葉中進(jìn)行附面層抽吸所造成的如抽吸管路布局困難、葉片強(qiáng)度下降等問題。在入口速度三角形不變的前提下，隨著其設(shè)計(jì)級(jí)負(fù)荷系數(shù)不斷提升并超過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)值時(shí)，大幅增加動(dòng)葉出口軸向速度以降低動(dòng)葉中的擴(kuò)壓因子，以確保動(dòng)葉高效流動(dòng)；利用附面層抽吸以解決下游靜葉內(nèi)部流動(dòng)問題。本發(fā)明相較在動(dòng)、靜葉中都進(jìn)行附面層抽吸而言，有效避免了轉(zhuǎn)動(dòng)部件葉片強(qiáng)度與抽吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等難題；相較采用串列葉柵技術(shù)而言，可減少葉片數(shù)從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量。該方法可用于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)F04D29/38GK103244459SQ201310148289
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者王松濤, 胡應(yīng)交 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)