一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法

专利名称：一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法技术领域：本发明涉及一种亚音速轴流压气机气动设计方法，属于轴流压气机技术领域。背景技术：轴流压气机其基本部件由转子和静子构成。对于压气机而言，其单级压比提升，可以有效缩减发动机尺寸与重量，提升航空发动机推重比。通常提升压气机级压比主要有两种手段，提高转子圆周速度或增加转子叶片折转角以获得大的扭速增益。当圆周速度保持不变时，在确保压气机级效率的前提下，进一步增大转子的扭速是提升压气机级压比的唯一途径。在传统的亚音速轴流压气机气动设计中，动叶入口、出口以及静叶出口轴向速度大小基本保持不变或相差不大。在此种设计前提下，为实现级的高负荷气动设计，常见的流动控制技术有附面层抽吸技术，串列叶栅技术，大小叶片技术等。在转动部件中进行附面层抽吸时会导致抽吸管路布局困难、叶片强度下降等系列问题。发明内容本发明的目的在于:针对亚音速轴流压气机级，解决叶片转角增加、级负荷提升时动叶中的附面层分离流动问题，同时避免在动叶中进行附面层抽吸所造成的如抽吸管路布局困难、叶片强度下降等问题。本发明为解 决上述技术问题采取的技术方案是: —种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，所述方法是针对高负荷轴流压气机进行气动设计，通过大幅提升动叶出口轴向速度，以确保动叶流动效率；与此同时结合附面层抽吸以控制静叶中的气体流动分离；动叶出口中径处轴向速度确定方法如下: u λ-> Δμ;D = 1---1--—(I) wi Itw1其中:w2为出口相对速度值，W1为入口相对速度值，Awu为扭速，τ为稠度；wlu表示入口相对速度圆周方向的分速度；D表示扩压因子；选取扩压因子值；利用式(I)可计算得到动叶出口相对速度值W2 ;同时利用(2)式和⑶式可计算得到动叶出口轴向速度W2z,其中w2z = C2z:w2u = Wlu+ Δ wu(2)W2:=小 — μ —(3)w2z表示动叶出口轴向速度，W2u表示出口相对速度圆周方向的分速度。上述方案中，扩压因子取值一般不超过0.5。扩压因子取值可取0.4。本发明方法的优点在于:本发明方法综合考虑附面层抽吸技术对于控制附面层分离流动的显著作用以及在转动部件中进行附面层抽吸时导致的抽吸管路布局困难、叶片强度下降等系列问题，本发明提出了一种基于动叶出口轴向速度大幅度提升的亚音速吸附式轴流压气机气动设计原理，利用该原理可实现压气机级的高负荷气动设计。在动叶中，通过大幅度增加动叶出口轴向速度，有效降低转子中的逆压力梯度，在不采用任何主动控制技术的前提下，实现动叶的高效流动。相较在动叶中采用串列叶栅或大小叶片技术而言，可有效的减少转动部件的叶片数，从而减少压气机尺寸与重量；相较在动叶与静叶中都采用附面层抽吸以控制压气机级内流动而言，有效的避免了由于在转动部件中进行附面层抽吸所造成的抽吸管道布局困难以及叶片强度下降等难题。本发明针对入口来流为亚声速的轴流压气机级，在入口速度三角形不变的前提下，随着其设计级负荷系数不断提升并超过常规设计值时，可通过大幅增加动叶出口轴向速度以降低动叶中的扩压因子，以确保动叶高效流动；与此同时，利用附面层抽吸以解决下游静叶内部流动问题。本发明相较在动、静叶中都进行附面层抽吸而言，有效避免了转动部件叶片强度与抽吸结构设计等难题；相较采用串列叶栅技术而言，该原理可减少叶片数从而降低发动机尺寸与重量。本发明方法可用于高推重比航空发动机气动设计。图1为本发明方法在亚音速条件下，动叶出口轴向速度大幅提升时的速度三角形(在亚音速入口且不同动叶负荷条件下，动叶出口轴向速度大幅提升时动叶速度三角形对比)；图2为在本发明方法设计下，其轮毂曲线示意图，图2中，1-轮缘，2-轮缘二，3-轮缘一，4-静叶出口，5-静叶，6-轮毂，7-动叶，8表示入口亚音速来流；图3为动叶中径处速度三角形图；图4为动叶段的子午流道示意图；图5为动叶三维几何造型图；图6为动叶10%叶高处马赫数等值线图；图7为动叶50%叶高处马赫数等值线图；图8为动叶90%叶高处马赫数等直线图；图9为动叶在设计转速下时的流量压比特性曲线图；图10为动叶在设计转速下时的效率压比曲线图；图11为动叶出口绝对气流角沿叶高分布图；图12为动叶出口绝对马赫数沿叶高分布图；图13为动叶出口轴向速度沿叶高分布；图14为静叶三维造型图；图15为静叶中抽吸结构示意图；图16为级在10%叶高处马赫数等值线图；图17为级在50%叶高处马赫数等值线图；图18为级在90%叶高处马赫数等值线图；图19为在设计转速下，级的流量压比曲线；图20为在设计转速下，级的流量效率曲线。具体实施例方式针对入口相对速度为亚音速的轴流压气机级，在常规设计中，动叶入口处、动叶出口处以及静叶出口处，其轴向速度通常相等或变化不大。当在动叶入口速度三角形保持不变的前提下，随着级负荷提升到一定水平时，动叶内部将出现附面层流动分离。此时，通过增加子午流道的收缩幅度，提升动叶出口轴向速度以降低动叶中气体的逆压力梯度，避免动叶中出现附面层分离流动的同时提高动叶中气体流动效率。从一维角度出发，其出口轴向速度增加的大小值确定方法如下:权利要求1.一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，其特征在于:所述方法是针对高负荷轴流压气机进行气动设计，通过大幅提升动叶出口轴向速度，以确保动叶流动效率；与此同时结合附面层抽吸以控制静叶中的气体流动分离；动叶出口中径处轴向速度确定方法如下:2.根据权利要求1所述的一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，其特征在于:扩压因子取值不超过0.5。3.根据权利要求2所述的一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，其特征在于:扩压因子取值为0.4。全文摘要一种亚音速吸附式轴流压气机气动设计方法，属于轴流压气机技术领域。本发明针对亚音速轴流压气机级叶片转角增加、级负荷提升时动叶中的附面层分离流动问题，同时避免在动叶中进行附面层抽吸所造成的如抽吸管路布局困难、叶片强度下降等问题。在入口速度三角形不变的前提下，随着其设计级负荷系数不断提升并超过常规设计值时，大幅增加动叶出口轴向速度以降低动叶中的扩压因子，以确保动叶高效流动；利用附面层抽吸以解决下游静叶内部流动问题。本发明相较在动、静叶中都进行附面层抽吸而言，有效避免了转动部件叶片强度与抽吸结构设计等难题；相较采用串列叶栅技术而言，可减少叶片数从而降低发动机尺寸与重量。该方法可用于高推重比航空发动机气动设计。文档编号F04D29/38GK103244459SQ201310148289公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日发明者王松涛, 胡应交 申请人:哈尔滨工业大学