[发明专利]压气机三段式可调串列叶片

说明书

一种压气机三段式可调串列叶片，包括第一段叶片、第二段叶片和第三段叶片，并由该第一段叶片构成了压气机三段式可调串列叶片的前缘，由该第三段叶片构成了压气机三段式可调串列叶片的后缘，并且该前缘顶点至后缘顶点之间连线的长度为总弦长。本发明减少或防止了叶栅通道气流分离，提高级负荷，改善压气机的气动性能，进一步提高叶片的抗附面层分离能力。与现有技术相比较，本发明能够承受更高的负荷，满足了气流在较大气流偏转角的情况下的扩压减速的作用，克服了现有技术中操作的采用常规压气机叶片在变工况下会产生附面层分离，从而降低压气机气动性能，采用常规的两段式的串列叶片亦不能有效提高叶片的抗分离能力的不足。

技术领域

本发明涉及压气机领域，具体是一种压气机三段式可调串列叶片设计方法。

背景技术

轴流式压气机的内部流动易产生基于较大逆压梯度所造成的叶片三维角区流动分离的现象。该现象极大的影响压气机压比、效率和裕度等压气机性能相关参数，阻碍了整个航空发动机推重比的提升。

基于对压气机三维角区流动机理认识的深入，压气机叶片三维角区流动分离控制现今发展出了依靠主动控制的等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等技术；依靠被动控制的有旋涡发生器、翼刀、端壁造型和串联叶片等技术。其中串列叶片的应用对被动控制叶片吸力面流动分离的效果较高。

串列叶片的概念最早来源于飞机的机翼。20世纪20年代初,阿尔伯特·贝茨(Albert Betz)提出采用开缝式机翼来取代传统机翼,使气流偏转由原先一个完整的机翼来承担改由机翼的几个部分来实现,从而使机翼表面的边界层流动分离推迟，很大程度上增加了机翼的升力。考虑到开缝式机翼在外流中表现出优异的性能，串列叶片被引入到压气机的设计中。

机翼设计需考虑其开阔流场的小转折角工况，所以开缝式翼型设计所开设的缝隙较大，且设计的前缘缝翼及尾缘襟翼对整体机翼长度占比更大。而在轴流式压气机的叶片设计需要考虑在发动机机匣狭小的空间对流体进行主动做功的设计需求。因此，在对压气机叶片设计时需要对调整叶片构型以及前后叶片间间距以保证其能在机匣内能正常工作并达到设计目标。并且在压气机中，多组叶片共同工作对流体进行做功。在叶片设计中同样需要基于叶片相互影响作用调整叶片叶型以及多段式叶片的间隙，以便在基于达到预期串列叶片设计目标基础上该叶型对相邻叶片工作影响降低至最小。

由于附面层会在串列叶片后叶排重新生成，因此，串列叶片能够在增大负荷时不会产生大的流动分离。并且因为串列叶片可以在较大负荷时控制流动分离，所以串联叶片通过增大气流转折角来增大压气机的级负荷并保证其正常工作。同时增大叶片气流角也减小压气机的轴向距离，增加发动机的推重比。

美国的Liu等通过比较单叶片结构和串列叶片结构得到了高转角串列叶片的设计方法，合理的设计能使串列叶片在实现高转角、高压比的同时，获得比单叶片结构更高的效率。1972年，NASA的Donald等对某跨音速串列转子进行了一系列试验，该转子在设计点的效率可以达到0.88，总压升为1.77。1972年，Weber设计了1:2形式的跨音速串列叶栅并进行了优化与分析，该设计降低叶栅的损失。Hergt等在总结现有跨音速串列叶栅的基础上，设计并优化一种新型跨音速串列叶栅，并做了实验研究。结果表明利用现代设计方法有可能实现高负荷、高效率的跨音速串列叶栅的设计，同时提出串列叶栅中的三维流动和二维流动效应应该成为未来的研究重点。

虽然串列叶片能实现更高的级负荷，但仍有角区分离存在，并且会存在与一般叶栅不同的泄漏流结构。McGlumphy等在研究中提到在串列转子前叶排和后叶排的端壁/吸力面角区存在回流，会限制串列转子效率的提升。Zhang等在串列叶栅耦合端壁抽吸的研究中发现在串列叶栅前叶片通道中会有严重的角区失速。Kumar等在对串列转子的试验研究中发现串列转子会在前叶排和后叶排分别形成一个泄漏涡，并且会在下游汇合成一个更大的涡。Han等发现跨音速串列转子的失速主要与叶尖泄漏流和靠近叶尖的间隙喷射有关，且前叶排的间隙大小是影响串列转子失速的主要因素。目前针对串列叶栅角区分离与叶尖泄漏流的研究较少，对其流动机理认识还不清楚，需要进一步的研究。