一种高压比跨声速轴流压气机

技术领域

本发明属于压气机技术领域，具体为一种高压比跨声速轴流压气机。

背景技术

现代飞机对发动机推重比提出了更高的要求，目前第四代发动机的推重比已达到10一级，压气机作为航空发动机三大核心部件之一，其级数减少、级压比增加，可有效减小发动机尺寸与质量，提高发动机推重比。然而随着压气机级压比的提高，压气机中不可避免会出现流动分离，二次流动加剧，这将导致压气机内部流动恶化，损失增加，并最终限制级压比的提升。因此，控制流动分离、进一步提升压气机的级压比已经成为航空发动机压气机气动设计的重要研究内容。

串列叶片技术能较好的控制叶片表面的速度分布及附面层发展，具有气流转折角大、总压损失小等优点。串列叶片技术控制压气机内部流动，降低流动损失的原理主要有：1)通过前后相互独立的叶片排，使得附面层在后排叶片上重新发展；2)前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排叶片附面层的作用，从而抑制后排叶片附面层的发展，所以它可以在流动损失不明显增加的情况下承受更高的叶片负荷。

附面层抽吸技术作为主动流动控制技术的一种，由于其能有效控制流动分离、提高叶片负荷，自从1997年Kerrebrock教授首次提出吸附式压气机概念后，越来越受到叶轮机械研究人员的重视。其基本思想是在叶片表面进行开缝(包括孔或槽)，吸除叶片表面区域的低能流体，抑制附面层分离，提高气流转折角；在机匣和轮毂上沿流向或周向开孔或槽，吸除在端壁区域聚集的低速流体，削弱端壁效应，减小二次流损失。Merchant进行了高压比吸附式压气机的设计，其在转静子叶片表面分别抽吸2％的进口流量，同时在机匣和轮毂表面总计吸除3％的进口流量的前提下，实现了3.4的设计压比。然而，附面层抽吸技术虽然可以有效控制气流发生流动分离，但在转子中抽吸会带来叶片强度问题和抽吸路径布置等结构难题。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种高压比跨声速轴流压气机，包括：轮毂、前排转子叶片、后排转子叶片和静子叶片；

所述后排转子叶片设置于前排转子叶片和静子叶片之间；

多个前排转子叶片和多个后排转子叶片均沿圆周方向均匀设置在轮毂上；

所述前排转子叶片和后排转子叶片一一对应组成串列转子。

更进一步地，还包括：机匣；

所述前排转子叶片、后排转子叶片和静子叶片外围设置有机匣。

更进一步地，所述静子叶片的吸力面上设置有抽吸缝，内部设置有中空抽吸腔；

所述抽吸缝沿静子叶片的展向分布；

所述抽吸缝与中空抽吸腔贯通。

更进一步地，还包括：整流机匣；

所述静子叶片与整流机匣连接；

所述整流机匣为环形中空结构，内部设置有环形抽吸腔；

多个所述中空抽吸腔和环形抽吸腔贯通，多个所述中空抽吸腔和环形抽吸腔组成抽吸腔；

所述整流机匣与机匣连接。

更进一步地，还包括：管路；

多个所述管路均匀设置于整流机匣外侧。

更进一步地，所述抽吸缝设置在静子叶片的50％～60％弦长位置；

多块所述静子叶片的抽吸量为0.9～1.1kg/s。

更进一步地，所述前排转子叶片的弦长范围为91.9～112mm，进口几何角的范围为51～61°，出口几何角的范围为28～65°。

更进一步地，所述后排转子叶片的弦长范围为63～76mm，进口几何角的范围为35～61°，出口几何角的范围为-24～42°。

更进一步地，所述静子叶片的弦长范围为62.9～67mm，进口几何角的范围为44.1～45°，出口几何角的范围为-1.5～0°。

更进一步地，所述前排转子叶片和后排转子叶片的数量为30～45片；

所述静子叶片的数量为70～94片。

与现有技术相比，本发明的实施例至少具有以下优点：

1)串列转子的前排转子叶片进口马赫数较高，实现激波增压；通道正激波位于前排转子叶片的尾缘，减小激波和附面层的相互干扰的损失；

2)经过前排转子叶片后马赫数降低，在后排转子叶片通道内可以通过大弯角增压；

3)通过前后相互独立的叶片排，使得附面层在后排转子叶片上重新发展，同时前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排转子叶片附面层的作用，从而抑制后排转子叶片附面层的发展，所以它可以在流动损失不明显增加的情况下承受更高的叶片负荷；

4)由于转子压比超过常规设计，不可避免会导致静子进口马赫数高、气流偏转角大，极大增加了静子负荷，通过采用吸附式静子叶片可以控制静子内部流动分离，实现低损失设计；

5)在转子叶片不抽吸的前提下，压气机总压比达3.35，远远超过常规负荷水平，且绝热效率达到87.1％。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的高压比跨声速轴流压气机的三维图；

图2示出了本发明的高压比跨声速轴流压气机的内部视图；

图3示出了从进气方向观察的本发明的高压比跨声速轴流压气机的三维图；

图4示出了从出气方向观察的本发明的高压比跨声速轴流压气机的三维图；

图5示出了本发明的高压比跨声速轴流压气机的轴向二维剖视图；

图6示出了吸附式静子叶片结构示意图；

图7示出了叶尖部位前排转子叶片、后排转子叶片和静子叶片叶型图；

图8示出了叶中部位前排转子叶片、后排转子叶片和静子叶片叶型图；

图9示出了叶根部位前排转子叶片、后排转子叶片和静子叶片叶型图；

图10示出了根据本发明实施例的高负荷压气机子午流道图；

图11示出了根据本发明实施例的前后排串列转子的速度三角形示意图；

图12示出了根据本发明实施例的90％叶高前排转子叶片和后排转子叶片的马赫数云图；

图13示出了根据本发明实施例的50％叶高前排转子叶片和后排转子叶片的马赫数云图；

图14示出了根据本发明实施例的10％叶高前排转子叶片和后排转子叶片的马赫数云图；

图15示出了根据本发明实施例的静子叶片根部抽吸前后流场对比图；

图16示出了根据本发明实施例的压气机出口截面总压比云图；

图中：1、轮毂；2、机匣；3、前排转子叶片；4、后排转子叶片；5、静子叶片；6、整流机匣；7、抽吸缝；8、抽吸腔；9、管路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明在高压比设计的前提下，为了避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如结构强度等问题，对转子采用串列叶片设计技术，并通过前排转子叶片3进行激波增压、后排转子叶片4完成大的气流转折，大幅提升转子加功能力，同时采用吸附式静子叶片5减少或防止了叶片通道气流分离，显著提高了压气机级压比，改善了压气机的气动性能，压气机的转速为10431～11530r/min，流量65.8～72.8kg/s，压比达到了3.35～3.5，绝热效率不低于87.1％。

如图1所示，本发明提出的一种高压比跨声速轴流压气机，包括：轮毂1、机匣2、前排转子叶片3、后排转子叶片4和静子叶片5；

所述后排转子叶片4设置于前排转子叶片3和静子叶片5之间；

多个前排转子叶片3(如图3所示)和多个后排转子叶片4均沿圆周方向均匀设置在轮毂1上；

轮毂1，用于带动前排转子叶片3和后排转子叶片4以共同转速转动；

所述前排转子叶片3、后排转子叶片4和静子叶片5外围设置有机匣2；

机匣2，用于包容前排转子叶片3、后排转子叶片4和静子叶片5；

所述前排转子叶片3和后排转子叶片4一一对应组成串列转子，用于在流动损失不明显增加的情况下显著提升叶片负荷。

串列转子的前排转子叶片3进口马赫数较高，用于实现激波增压；经过前排转子叶片3后马赫数降低，后排转子叶片4用于大弯角增压；通过前后相互独立的前排转子叶片3和后排转子叶片4，使得附面层在后排转子叶片4上重新发展，同时前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排转子叶片4附面层的作用，从而抑制后排转子叶片4附面层的发展；

静子叶片5用于气流整流和减速增压。

如图2所示，所述静子叶片5的吸力面上设置有抽吸缝7，内部设置有中空抽吸腔(吸力面和压力面之间开有中空抽吸腔)，所述静子叶片5外设置整流机匣6和管路9；

所述抽吸缝7沿静子叶片5的展向分布；

所述抽吸缝7与中空抽吸腔贯通。

抽吸缝7，用于吸除吸力面的低能流体，减弱或消除流动分离；

如图5所示，所述静子叶片5与轮毂1不连接，与整流机匣6连接；

图6(a)为静子叶片的结构示意图。如图6(a)所示，所述整流机匣6为环形中空结构，内部设置有环形抽吸腔；示例性的，环形抽吸腔的截面呈长方形、圆角矩形、多边形、椭圆形等形状；

图6(b)为静子叶片的剖视图。如图6(b)所示，多个所述中空抽吸腔和环形抽吸腔贯通，多个所述中空抽吸腔和环形抽吸腔组成抽吸腔8；

所述整流机匣6与机匣2焊接或螺栓连接。

抽吸腔8，用于容纳经由抽吸缝7吸入的低能流体。

整流机匣6，用于包容抽吸腔8、整流低能流体；

多个所述管路9均匀设置于整流机匣6外侧。

管路9，用于将低能流体经过抽吸缝7和抽吸腔8排出系统外。

在一些实施例中，所述轮毂1进口半径范围是228～252.5mm。优选的，轮毂1进口半径是240.4mm。

所述机匣2进口半径范围是415～459mm。优选的，机匣2进口半径是434.17mm。

在一些实施例中，所述抽吸缝7设置在静子叶片5的50％～60％弦长位置；优选的，抽吸缝7设置在静子叶片5的55％弦长位置，对静子流动分离的控制效果最显著；

多块所述静子叶片5的抽吸量为0.9～1.1kg/s。优选的，多块静子叶片5的抽吸量为1.0kg/s，对静子流动分离的控制效果最显著。

在一些实施例中，所述前排转子叶片3的弦长范围为91.9～112mm，进口几何角的范围为51～61°，出口几何角的范围为28～65°。

在一些实施例中，所述后排转子叶片4的弦长范围为63～76mm，进口几何角的范围为35～61°，出口几何角的范围为-24～42°。

在一些实施例中，所述静子叶片5的弦长范围为62.9～67mm，进口几何角的范围为44.1～45°，出口几何角的范围为-1.5～0°。

在一些实施例中，所述前排转子叶片3和后排转子叶片4的数量为30～45片；优选的，前排转子叶片3和后排转子叶片4的数量为37片；

所述静子叶片5的数量为70～94片。优选的，静子叶片5的数量为82片。

上述弦长、进口几何角、出口几何角和叶片数范围，压气机可以获得最优气动性能。

高压比跨声速轴流压气机转子叶片进口马赫数较高，在前排转子叶片3中实现激波增压，叶尖激波位置位于前排转子叶片3的尾缘；经过前排转子叶片3后马赫数降低，在后排转子叶片4通道内可以通过大弯角增压；通过前后相互独立的叶片排，使得附面层在后排转子叶片4上重新发展前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排转子叶片4附面层的作用，从而抑制后排转子叶片4附面层的发展，所以它可以在流动损失不明显增加的情况下承受更高的叶片负荷。

由于前排转子叶片3和后排转子叶片4负荷超过常规设计，因此不可避免会导致静子叶片5进口马赫数高、气流偏转角大，极大增加了静子负荷，通过采用吸附式静子叶片5可以控制静子内部流动分离，实现低损失设计。

实施例1

如图3所示，前排转子叶片3和后排转子叶片4各37片，沿圆周方向均布在轮毂1上。

如图4所示，静子叶片5共82片；低能流体经抽吸缝7和抽吸腔8排出外部管路9。

本发明高压比跨声速压气机流量为69.3kg/s，压比为3.35，绝热效率为87.1％，具体参数如表1所示，压气机内部流动分离现象得到很好的控制。图10示出了根据本发明实施例的高负荷压气机子午流道图。如图10所示，前排转子叶片3和后排转子叶片4是两排串列转子，后排静子叶片5在55％弦长位置进行附面层抽吸。

表1高压比跨声速压气机参数

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前后排转子叶片叶根、叶中和叶尖截面的弦长、进口几何角、出口几何角，以及各截面相对位置如表2所示；图7、图8、图9分别示出了叶尖、叶中和叶根三个截面的叶型图。

表2高压比跨声速压气机转静子几何参数

图11示出了根据本发明实施例的前后排串列转子的速度三角形。图11(a)为前排转子的速度三角形，图11(b)为后排转子的速度三角形。如图11(a)所示，前排转子激波增压，相对速度方向基本不变，轴向速度减小显著，其中，C1为前排转子叶片3的进口绝对速度；C

由于后排转子叶片4出口绝对气流角过大，在静子中需要完成大的气流折转，因此，在静子中需要采用附面层抽吸，在静子55％弦长位置有沿叶高方向贯穿的抽吸缝7，叶片内部是中空抽吸腔，低能流体自抽吸缝7进入叶身空腔，低能流体经抽吸缝7和抽吸腔8排出外部管路9，如图6所示。

由图12、13、14可知，前排转子叶片3从根到尖均形成了不同强度的激波结构，其中前排转子叶片3叶尖截面通道中呈现典型的双激波系结构，一道斜激波和一道通道正激波，正激波在前排转子叶片3的尾缘出口处，避免了激波和附面层相互干涉诱发的流动分离。由于前排转子叶片3进口马赫数较高，叶片弯角不大，主要依靠激波增压，而气流经过前排转子叶片3后马赫数有所降低，后排转子叶片4的弯角可以增大，主要依靠大弯角增压。此外，通过前后相互独立的叶片排，使得附面层在后排转子叶片4上重新发展，同时前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排转子叶片4附面层的作用，从而抑制后排转子叶片4附面层的发展，因此转子内部流动整体上较为顺畅。

图15示出了根据本发明实施例的静子叶片根部抽吸前后流场对比图。如图15(a)所示，为静子叶片5 10％叶高抽吸前的流场，由于静子叶片5根部进口马赫数高达1.26，叶片弯度达到45度，因此抽吸前10％叶高静子叶背出现大范围的流动分离，自45％弦长左右一直延伸到通道出口，周向分离范围占到通道的四分之一；如图15(b)所示，为静子叶片510％叶高抽吸后的流场，抽吸后流动明显改善，弦长方向和周向的分离尺度都显著减小。

图16示出了根据本发明实施例的压气机出口截面总压比云图。由图16可知，该压气机中低叶展的总压比很高，高达3.8左右，最终整个压气机的总压比也高达3.35。

本发明中提出的一种高压比跨声速轴流压气机，至少具有以下优点：

1)串列转子的前排转子叶片进口马赫数较高，实现激波增压；通道正激波位于前排转子叶片的尾缘，减小激波和附面层的相互干扰的损失；

2)经过前排转子叶片后马赫数降低，在后排转子叶片通道内可以通过大弯角增压；

3)通过前后相互独立的叶片排，使得附面层在后排转子叶片上重新发展，同时前后叶片排之间的缝隙具有吹除后排转子叶片附面层的作用，从而抑制后排转子叶片附面层的发展，所以它可以在流动损失不明显增加的情况下承受更高的叶片负荷；

4)由于转子压比超过常规设计，不可避免会导致静子进口马赫数高、气流偏转角大，极大增加了静子负荷，通过采用吸附式静子叶片可以控制静子内部流动分离，实现低损失设计；

5)在转子叶片不抽吸的前提下，压气机总压比为3.35，远远超过常规负荷水平，且绝热效率达到87.1％。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。