[发明专利]轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法

说明书

一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，采用高负荷悬臂静子叶片模型及工况，通过CFD数值模拟分析方法计算得出悬臂静子叶片总压损失随间隙大小的变化规律；采用强度计算确定机械强度安全裕度允许情况下的考虑离心力和温度变化所需要的最小径向间隙保证值；采用尺寸链计算确定在保证制造装配公差值允许情况下的最小径向间隙值，根据机械强度安全裕度与制造装配公差值之和实现轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的优化。本发明在兼顾机械强度安全裕度和制造装配公差的基础上，确保悬臂静子叶片气动性能的总压损失最小。

技术领域

本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法。

背景技术

轴流压气机是航空发动机和地面燃气轮机的重要组成部分之一，而高效率高增压比的轴流压气机对气动稳定性和减轻重量都提出了更高的要求。目前较常见的压气机静子叶片结构有带内环的静子叶片和悬臂静子叶片两种。在轴流压气机中，如果采用悬臂静子叶片的结构形式，那么相较于带内环的静子叶片，就可以做到结构更简单且使压气机更短更轻。高负荷悬臂静子叶片与高速旋转轮毂之间不可避免地存在径向间隙，因为只有这样才能保证压气机在旋转做功时转静子之间不刮碰，从而安全工作。在径向间隙内，受到叶片吸力面和压力面的压差影响，部分气流从压力面越过轮毂间隙流向吸力面，形成轮毂泄漏流。轮毂泄漏流不仅会带来泄漏损失，而且还与其他各种二次流相互作用使得悬臂静子叶片端区流场非常复杂，掺混损失和堵塞造成了压气机气动性能的下降。

发明内容

本发明针对现有轴流压气机中悬臂静子叶片轮毂径向间隙设计存在影响因素繁多、缺乏有效设计方法的缺陷，提出了一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，在兼顾机械强度安全裕度和制造装配公差的基础上，确保悬臂静子叶片气动性能的总压损失最小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种轴流压气机悬臂静子叶片优化轮毂径向间隙实现方法，采用高负荷悬臂静子叶片模型及工况，通过CFD数值模拟分析方法计算得出悬臂静子叶片总压损失随间隙大小的变化规律；采用强度计算确定机械强度安全裕度允许情况下的考虑离心力和温度变化所需要的最小径向间隙保证值；采用尺寸链计算确定在保证制造装配公差值允许情况下的最小径向间隙值，根据机械强度安全裕度与制造装配公差值之和实现轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的优化。

所述的高负荷悬臂静子叶片模型具体为可控扩散叶型(CDA)，取其设计点工况，即压气机的实际工作状况。

所述的轴流压气机悬臂静子叶片的一端固定设置于静子外环上，另一端为与高速旋转的轮毂间存在径向间隙的悬臂端。

所述的轮毂径向间隙h采用除以悬臂静子叶片叶根截面的轴向弦长c_轴向的相对百分比表示。

所述的变化规律是指悬臂静子叶片总压损失系数与轮毂径向间隙的正相关关系。

所述的轴流压气机悬臂静子叶片轮毂径向间隙的下限为考虑保证机械强度安全裕度和制造装配公差后的最小径向间隙值h_下限，上限为h_下限*1.5，即间隙值范围为[h_下限，h_下限*1.5]。

所述的CFD数值模拟分析方法是指：采用高负荷悬臂静子叶片模型，构造间隙值分别为相对弦长的0％～5％之间的至少5组径向间隙计算方案，对不同计算方案的悬臂静子叶片计算域，采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程，计算得出各个间隙方案的悬臂静子叶片总压损失系数，具体为：采用数值模拟方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程：其中：为守恒型参数向量，和分别是无粘矢通量和粘性矢通量，其中：热源项应力克罗内克符号源项为外作用力，W_f为这些外作用力所做的功，