[發(fā)明專利]一種高負(fù)荷超、跨音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210369706.6
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102852857A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王松濤;胡應(yīng)交
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: F04D29/38
• 分類號: F04D29/38
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 楊立超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種軸流壓氣機(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)其目的在于把葉輪機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體壓力能。其基本部件由轉(zhuǎn)子和靜子構(gòu)成。對于壓氣機(jī)而言，其單級壓比提升，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)級壓比主要有兩種手段，提高轉(zhuǎn)子的圓周速度或增加轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)折角。

對于各類型燃?xì)廨啓C(jī)，目前其低壓風(fēng)扇通常都屬于跨音級。且當(dāng)轉(zhuǎn)子圓周速度進(jìn)一步提升，此時(shí)低壓風(fēng)扇可變?yōu)槌艏墸慈肟谙鄬λ俣妊卣麄€(gè)葉高均超音。對于入口來流沿整個(gè)葉高均超音的超音速軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩類，一類是內(nèi)激波式轉(zhuǎn)子，另一類是沖動(dòng)式轉(zhuǎn)子。

所謂內(nèi)激波式轉(zhuǎn)子，是指入口超音速來流，在幾何與背壓的共同作用下，在葉柵流道入口處產(chǎn)生一道激波，激波過后氣流降為亞音速氣流，并在接下擴(kuò)張流道中進(jìn)一步減速擴(kuò)壓流動(dòng)。其主要的流動(dòng)問題在于，在動(dòng)葉不采用流動(dòng)控制措施的前提下，由于激波與附面層的干涉，若增大葉柵轉(zhuǎn)角易引發(fā)附面層出現(xiàn)大尺度分離，限制了級負(fù)荷的進(jìn)一步提升。為有效提升級負(fù)荷，若在動(dòng)葉柵內(nèi)采用附面層抽吸進(jìn)行流動(dòng)控制，會(huì)存在抽吸管道布局困難，轉(zhuǎn)動(dòng)部件強(qiáng)度下降等問題；若采用串列葉柵控制技術(shù)進(jìn)行流動(dòng)控制，又會(huì)使得轉(zhuǎn)子葉片數(shù)增多，質(zhì)量增加，成本上升等。

所謂沖動(dòng)式轉(zhuǎn)子，是指超音速來流，在入口激波過后，氣流進(jìn)一步加速流動(dòng)，葉柵出口相對速度與絕對速度均超音。由于激波過后葉柵內(nèi)氣流加速流動(dòng)，因此相較于內(nèi)激波式轉(zhuǎn)子，在不采用流動(dòng)控制的前提下，可實(shí)現(xiàn)更大的氣流折轉(zhuǎn)，更高的級負(fù)荷。其問題在于，激波過后氣流加速流動(dòng)，氣流出口壓升很小甚至為負(fù)值，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，出口相對速度與絕對速度均超音。動(dòng)葉機(jī)械能大部分轉(zhuǎn)化為氣體動(dòng)能，因此動(dòng)葉出口絕對馬赫數(shù)過高，下游靜葉柵設(shè)計(jì)難度大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了避免在動(dòng)葉中進(jìn)行附面層抽吸或串列葉柵等控制手段造成的如抽吸管道布局困難、葉片強(qiáng)度下降、葉片數(shù)目增加等系列問題，進(jìn)而提供了一種高負(fù)荷超、跨音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明所述高負(fù)荷超、跨音速軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟一、動(dòng)葉高負(fù)荷氣動(dòng)設(shè)計(jì)：

對動(dòng)葉進(jìn)行高負(fù)荷大轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)：在軸向進(jìn)氣前提下，使動(dòng)葉出口相對氣流方向沿軸向，控制動(dòng)葉各截面轉(zhuǎn)角等于入口相對氣流角的大小，各截面轉(zhuǎn)角θ_max的數(shù)值可由公式(1)確定；動(dòng)葉各截面上氣流轉(zhuǎn)角為50～65度，各截面上扭速等于各截面上的圓周速度；如果入口有正預(yù)旋，使各截面上扭速大于截面上的圓周速度；

θmax=atan(UVz)---(1)]]>

U代表該截面圓周速度；Vz代表該截面軸向速度；θ_max代表該截面氣流轉(zhuǎn)角；

步驟二、通流形式的設(shè)計(jì)：在動(dòng)葉大轉(zhuǎn)角條件下，結(jié)合葉型以及子午流道設(shè)計(jì)，使得動(dòng)葉柵流道整體呈收縮縮放型；此時(shí)動(dòng)葉中氣流的流動(dòng)狀態(tài)如下：在動(dòng)葉入口，超音速氣流經(jīng)過入口激波后，氣流速度降為亞音速氣流；亞音速氣流在縮放流道中的收縮段繼續(xù)加速，使亞音速氣流在喉部處加速到音速，并在后續(xù)擴(kuò)張流道中進(jìn)一步加速；在葉柵結(jié)尾處產(chǎn)生一道正激波，激波過后，超音速相對氣流降為亞音速氣流；

使得結(jié)尾正激波波前馬赫數(shù)小于1.2，出口截面面積與流道最小截面面積即臨界截面面積之比不超過1.03；

步驟三、靜葉設(shè)計(jì)：利用附面層抽吸有效控制靜葉柵中的流動(dòng)。