压气机转子叶片及其设计方法技术

本发明专利技术的一个目的在于提供一种压气机转子叶片，能够减少小翼结构带来的额外离心力。本发明专利技术的另一目的在于提供一种压气机转子叶片的设计方法。为实现前述一个目的的压气机转子叶片包括叶片本体以及设置于叶片本体上的叶尖小翼，叶尖小翼分别设置在叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装叶尖小翼的叶片本体具有第一重心，在叶顶的表面处的叶型截面中，叶尖小翼的起点与叶片本体前缘之间的距离小于5％的叶片本体的弦长，叶尖小翼的终点位于第一重心与叶片本体尾缘之间。其中，第一重心连线成为叶片本体的积叠轴，在转子叶片的子午视图中，积叠轴呈直线或曲线状，并自叶片本体叶根处至叶顶处朝向尾缘倾斜或凸起。缘倾斜或凸起。缘倾斜或凸起。

【技术实现步骤摘要】
压气机转子叶片及其设计方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机领域，尤其涉及一种压气机转子叶片及其设计方法。

技术介绍

[0002]在航空发动机或燃气轮机的设计、试验验证、工作服役等的过程中，轴流压气机气动性能是一组极其重要的参数指标，通过这一组参数评价压气机设计方案的优劣、监测压气机的工作状态是否正常、分析压气机工作过程中出现的故障问题等。
[0003]轴流压气机气动性能由各级的气动性能共同决定。其中，在高转速下，后面级的性能尤为重要。压气机转子叶片和机匣之间存在径向间隙，间隙中存在如图1所示的、由压力面91到吸力面92的泄漏流动93。这不仅会导致叶尖部分截面的效率降低，还会降低其做功量，进而导致流量下降，正攻角增大，从而容易失速。间隙相比于叶高的比例越大，泄漏越严重，对性能的影响越大。随着气体的逐级压缩，轴流压气机的叶高总是逐级降低的，但各级在工作状态下的叶尖间隙却相差不大。因此处于越下游的级，叶尖泄漏问题越严重。目前，转子叶片的叶尖泄漏已成为制约后面级性能的最主要因素之一。
[0004]叶尖小翼技术能有效抑制叶尖泄漏，改善叶片气动性能，在涡轮领域已有大量应用，如图2示意性示出了现有带小翼结构94的压气机叶片9的示意图。但压气机叶片远比涡轮叶片更薄，使用同样的叶尖小翼会给叶片带来大得多的应力和应变，从而带来一系列强度隐患。因此，叶尖小翼目前在航空及地面燃气轮机所用的高转速、高温工作的轴流压气机中的实际应用极少。同时，对于叶片上加装叶尖小翼结构，不仅会带来额外的离心力，同时可能导致额外的扭转力矩。因而亟需提供一种构型适用于轴流压气机中具有叶尖小翼的叶片。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的在于提供一种压气机转子叶片，能够减少小翼结构带来的额外离心力。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种压气机转子叶片的设计方法，其用于设计如前所述的转子叶片。
[0007]为实现前述一个目的的压气机转子叶片，包括叶片本体以及设置于所述叶片本体上的叶尖小翼，所述叶尖小翼分别设置在所述叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装所述叶尖小翼的所述叶片本体具有第一重心，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长，所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；其中，所述第一重心连线成为所述叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至所述叶顶处朝向所述尾缘倾斜或凸起。
[0008]在一个或多个实施方式中，在所述子午视图中，所述积叠轴呈曲线状，并具有位于所述叶片本体叶顶处的积叠轴起点以及位于所述叶片本体叶根处的积叠轴终点，自所述积叠轴终点沿垂直水平方向延伸有基准轴；其中，所述积叠轴中具有相比所述基准轴更加靠近所述尾缘的第一部分，以及相比所述基准轴更加靠近所述前缘的第二部分，所述第一部分与所述基准轴围出的面积总和大于所述第二部分与所述基准轴围出的面积总和。
[0009]在一个或多个实施方式中，对应所述叶片本体的前缘处的前缘金属角与对应所述叶片主体的尾缘处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应两侧叶尖小翼联合起点的起始金属角与对应两侧叶尖小翼联合终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第一差值比所述第二差值的40%大。
[0010]在一个或多个实施方式中，所述第一差值比所述第二差值的60%大。
[0011]在一个或多个实施方式中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于2％的所述叶片本体的弦长。
[0012]在一个或多个实施方式中，所述叶尖小翼的宽度具有自所述起点至所述终点呈先增大后减小平滑变化趋势。
[0013]在一个或多个实施方式中，在同一弦向位置，设置在所述叶片主体的吸力面的所述叶尖小翼的宽度是设置在所述叶片主体的压力面的所述叶尖小翼的宽度的0至1倍。
[0014]在一个或多个实施方式中，对于每一所述叶尖小翼，所述叶尖小翼的最大宽度为对应该最大宽度处同一弦向位置的所述叶片本体厚度的0.25至1.5倍。
[0015]在一个或多个实施方式中，对于每一叶尖小翼，所述起点的弦向位置是C0，所述终点的弦向位置是C1，该叶尖小翼的宽度最大的部位的弦向位置是Cm，则有：0.8*(C0+C1)/2＜Cm<1.2*(C0+C1)/2。
[0016]在一个或多个实施方式中，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，具有第一弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第一叶型轮廓内接圆，所述第一叶型轮廓内接圆具有第一圆心，所述第一圆心至所述前缘之间的距离除以所述第一弦长得到第一比值；在所述叶片本体叶根处的叶型截面中，具有第二弦长，在该叶型截面的最大厚度处具有第二叶型轮廓内接圆，所述第二叶型轮廓内接圆具有第二圆心，所述第二圆心至所述前缘之间的距离除以所述第二弦长得到第二比值；其中，所述第一比值大于0.6，所述第二比值小于0.4。
[0017]为实现前述另一目的的压气机转子叶片的设计方法，包括：提供初始叶片模型，在每一叶型截面中，所述初始叶片模型具有第一重心，所述第一重心连线成为所述叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，设计所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至所述叶顶处朝向所述尾缘倾斜；在所述初始叶片模型的吸力面和压力面分别设计叶尖小翼的位置，包括：设计所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长；设计所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间。
[0018]在一个或多个实施方式中，设计所述初始叶片模型的叶高大于30mm。
[0019]本专利技术的进步效果包括以下之一或组合：
1）本专利技术通过将叶尖小翼设置于转子叶片顶面的部分区域，而非覆盖整个转子叶片，并对叶尖小翼在叶片顶面的具体布置位置进行限定，以使本压气机转子叶片能够以较低的强度负荷换取较高的气动收益，使得叶尖小翼容易在压气机叶片中安全应用，从而能够缓解轴流压气机后面级叶片最关注的叶尖失速问题；2）通过对叶片本体的积叠轴结构进行变化设计，使得叶片本体与叶尖小翼的离心力相对于叶根处第一重心的力矩相互抵消，降低了因额外的离心力以及因额外的离心力所导致的额外的扭转力矩所导致的叶片安全问题。
[0020]3）通过将积叠轴形状设计为整体后掠而叶尖局部前掠，保证了叶尖区域的气动性能。
[0021]4）通过定制叶片顶面中弧线的弯曲规律，使得小翼覆盖区域承担了较多的做功量，而无小翼覆盖区域的做功量较小，从而使得同样面积下的叶尖小翼对气动性能的改善作用能够被发挥到最大；且无小翼覆盖的部分泄漏不至于过强。
附图说明
[0022]本专利技术的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：图1示出了现有压气机转子叶片的示意图；图2示出了现有带小翼结构的压气机叶片的示意图；图3示出了本压气机转子叶片一个实施方式下的示意图；图4为图3沿俯视角度视本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压气机转子叶片，包括叶片本体以及设置于所述叶片本体上的叶尖小翼，其特征在于：所述叶尖小翼分别设置在所述叶片本体吸力面以及压力面的叶顶处，在每一叶型截面中，对于未加装所述叶尖小翼的所述叶片本体具有第一重心，在所述叶顶的表面处的叶型截面中，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于5％的所述叶片本体的弦长，所述叶尖小翼的终点位于所述第一重心与所述叶片本体尾缘之间；其中，所述第一重心连线成为所述叶片本体的积叠轴，在所述转子叶片的子午视图中，所述积叠轴呈直线或曲线状，并自所述叶片本体叶根处至所述叶顶处朝向所述尾缘倾斜或凸起。2.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，在所述子午视图中，所述积叠轴呈曲线状，并具有位于所述叶片本体叶顶处的积叠轴起点以及位于所述叶片本体叶根处的积叠轴终点，自所述积叠轴终点沿垂直水平方向延伸有基准轴；其中，所述积叠轴中具有相比所述基准轴更加靠近所述尾缘的第一部分，以及相比所述基准轴更加靠近所述前缘的第二部分，所述第一部分与所述基准轴围出的面积总和大于所述第二部分与所述基准轴围出的面积总和。3.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，对应所述叶片本体的前缘处的前缘金属角与对应所述叶片主体的尾缘处的尾缘金属角之间具有第一差值，对应两侧叶尖小翼联合起点的起始金属角与对应两侧叶尖小翼联合终点的终止金属角之间具有第二差值，所述第一差值比所述第二差值的40%大。4.如权利要求3所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述第一差值比所述第二差值的60%大。5.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述叶尖小翼的起点与所述叶片本体前缘之间的距离小于2％的所述叶片本体的弦长。6.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，所述叶尖小翼的宽度具有自所述起点至所述终点呈先增大后减小平滑变化趋势。7.如权利要求1所述的压气机转子叶片，其特征在于，在同一弦向位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天一，姜逸轩，张晓诗，吴帆，翟志龙，曹传军，李游，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：