一种提高轴流压气机气动性能的转动叶片排布局 一、 技术领域
本发明涉及轴流式叶轮机械领域， 具体是一种提高轴流压气机气动性能的转动叶 片排布局。 二、 背景技术
提高压气机气动性能是现代高性能轴流压气机气动设计的需要， 提高压气机气动 性能包括提高设计增压比、 效率以及气动稳定性。 一般来说， 现有常规的轴流压气机叶片排 采用完全轴对称的、 均匀布局的设计方案， 即同一排的所有叶片均具有同样的几何形状和 尺寸， 且在压气机轴向的排列位置相同， 相邻的叶片在圆周方向的间距均相同。 对于这种常 规排列的压气机转动叶片排来说， 当设计气动负荷较高而采用较大叶片稠度时， 增压比通 常是随压气机流量的减小而明显增加， 即动叶进口气流攻角越大， 增压比就越大。但是， 在 压气机气动设计中， 为了提高压气机的稳定裕度， 动叶设计的进口气流攻角不能太大， 因而 使得设计点的增压比并不高， 同时， 过分增大叶片稠度也使气动效率降低。
在公告号为 CN1955492 的中国发明专利中公开了一种压气机叶栅的气动布局方 案， 通过叶片排中的两个相邻叶片的前缘在压气机轴向的位置交错排列 ( 移动距离为叶片 轴向弦长的 5％～ 15％ )， 当位置在前的叶片 ( 叶片 1) 工作在大的进口正攻角状态时， 由于 叶片 1 的叶盆表面对流入气流的限制与导向作用， 前缘轴向位置向后移动的叶片 ( 叶片 2) 的进口气流攻角减小， 从而使叶片 2 的流动得到改善， 提高压气机的气动稳定性。
为了提高压气机动叶的气动负荷， 现有技术的压气机动叶必须加大叶片弯度并通 过增大稠度的方法来提高气流的转折角， 即加大叶片排的增压比。 但是， 当稠度增大到一定 值后， 对设计点小攻角状态下转折角的提高效果很有限， 并引起设计点附近流动损失明显 上升。 三、 发明内容
为克服现有技术中存在的压气机转动叶片排设计点小攻角状态下气流转折角难 以有效提高的不足， 本发明提出了一种提高轴流压气机气动性能的转动叶片排布局。
本发明的技术方案是将轴流压气机一个转动叶片排中的所有叶片沿圆周方向以 叶片组为单元进行周期性排列， 圆周方向的正向定义为由叶片的叶盆指向叶片的叶背 ； 每 个叶片组由 2N+1 个叶片构成， 其中的 N 等于 2 或 3 或 4， 且该叶片组中第 2N+1 个叶片同时 又是沿圆周方向相邻的下一个叶片组的第 1 个叶片 ； 在每个叶片组中， 第 2 个叶片位于第 1 个叶片的叶背表面一侧， 第 3 个叶片位于第 2 个叶片的叶背表面一侧， 而叶片组中其余的叶 片也按相同的方式进行排列 ； 每个叶片组中的各叶片前缘按压气机轴线方向的位置前后不 同进行排布， 其相邻叶片前缘位置的连线构成一个三角波， 三角波的周期 T 即为叶片组第 1 个叶片与第 2N+1 个叶片前缘沿圆周方向的距离 ； 每个叶片组中第 1 个叶片和第 2N+1 个叶 片的前缘位于三角波的波峰处， 第 N+1 个叶片的前缘位于三角波的波谷处 ； 三角波的波幅 并且 P 等于第 1 个叶片弦长在压气机 为波峰处与波谷处之间的距离在压气机轴向的投影 P，轴向投影长度的 0.10×N ～ 0.15×N 倍 ； 每个叶片组中第 2 至第 N+1 个叶片与同该叶片叶 盆一侧相邻的叶片相比， 第 2 至第 N+1 个叶片按照压气机轴向定义的叶片进口几何角分别 减小 0.5°～ 2.0°； 每个叶片组中第 N+2 至第 2N 个叶片与同该叶片叶盆一侧相邻的叶片相 比， 第 N+2 至第 2N 个叶片按照压气机轴向定义的叶片进口几何角分别增大 0.5°～ 2.0°。 每个叶片组中第 2 至第 2N 个叶片与第 1 个叶片相比， 叶片的弯角分别增大 0°～ 0.5°。
本发明中， X 方向为轴流压气机转动叶片排的圆周方向 ； Z 方向为压气机的轴向。
下面以本发明中 N ＝ 2 的技术方案说明其工作原理， N ＝ 3 及 N ＝ 4 的技术方案 与此类同。
在一个周期中， 由于 5 个叶片前缘的沿压气机轴向 Z 位置不同， 它们依次排列后所 构成的叶片气流通道为四种不同的形式， 即第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成气 流通道 A， 第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的气流通道 B， 第三个叶片的叶背与 第四个叶片的叶盆构成的气流通道 C， 第四个叶片的叶背与相邻的另一组的第一个叶片的 叶盆构成的气流通道 D。
一般来说， 构成同一气流通道的相邻叶片叶盆及叶背两个表面的相对轴向位置不 同时， 对流动产生的影响也是不同的。如构成一个气流通道的两相邻叶片的叶背和叶盆表 面的轴向相对位置相同时， 就是现有技术中常规的叶片均匀对称排布叶片排所对应的气流 通道。相比均匀对称叶栅， 当叶盆表面轴向位置在前时， 构成该通道的叶盆 表面对通道另 一侧的叶背表面气体流动产生作用的位置提前， 作用加强， 通道中的流动条件将得到改善， 叶背表面的附面层不易分离 ； 相反， 当叶盆表面轴向位置在后时， 构成该通道的叶盆表面对 通道另一侧的叶背表面气体流动产生作用的位置退后， 其作用减弱， 通道中的流动条件将 恶化， 叶背表面的附面层容易分离。 当叶片排工作在进口气流攻角为零度左右的小攻角状态时， 对于本发明的叶片排 布局， 因为一个周期中有 3 个叶片的轴向位置不同程度地后移， 叶片对气流作用的有效距 离加长， 且第 2、 第 3 和第 4 个叶片的弯度不同程度地加大， 与相同叶片弦长和 4 个叶片通道 在 X 方向总宽度不变的前提下， 使得气流在叶片的作用下产生更大的方向转折， 在相同转 速条件下获得更大的增压比 ； 尽管叶片排的轴向宽度增加， 但以叶片弦长计算的稠度并没 有增大， 没有增加气流的堵塞损失， 使小攻角状态的气流转折角相比现有技术是增大的， 气 动负荷得以有效提高， 动叶排的气动效率提高。
当叶片排工作在进口气流大攻角状态时， 对于本发明的叶片排中通道 C 和通道 D 来说， 一侧的叶盆表面均比另一侧的叶背表面轴向位置在前， 流入的气流首先受到叶盆表 面的作用， 使得流向位置在后的叶背表面的气流攻角有所减小， 通道 C 和通道 D 的流动条件 得到不同程度地改善， 可以有效地抑制通道 A 或通道 B 内的分离区沿周向传播， 提高压气机 动叶排在进口大攻角状态的气动性能和稳定性。
对本发明及常规均匀对称叶片排进行了设计与流场数值仿真计算的对比研究， 两 种叶片排的进口气动设计条件相同。设计和计算的结果表明， 本发明的动叶排与常规动叶 排相比， 设计点大流量小攻角状态以及小流量大攻角状态的增压比明显提高， 效率提高。
本发明在叶片弯度不变以及气动稳定性不降低并有可能得到改善的条件下， 使转 动叶片排在设计点小攻角状态的增压比提高、 堵塞流量 ( 流通能力 ) 增加、 效率不降低。采 用本发明叶片排布局的压气机， 可以选取零攻角甚至负攻角状态作为其气动设计点， 这样，
不仅可以依靠本发明的气动布局构型获得设计点附近的较高增压比及较高的效率， 而且设 计点攻角降低也意味着压气机的稳定裕度更大。 四、 附图说明
附图 1 是本发明的 N ＝ 2 的转动叶片排布局方案某半径处基元叶栅展开为平面后 的平面叶栅示意图。
附图 2 是本发明的 N ＝ 3 的转动叶片排布局方案某半径处基元叶栅展开为平面后 的平面叶栅示意图。
附图 3 是本发明的 N ＝ 4 的转动叶片排布局方案某半径处基元叶栅展开为平面后 的平面叶栅示意图。
附图中 ：
1. 第一个叶片 2. 第二个叶片 3. 第三个叶片 4. 第四个叶片
5. 第五个叶片 6. 第六个叶片 7. 第七个叶片 8. 第八个叶片
A. 实施例一第一个叶片的叶背与第二个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道
B. 实施例一第二个叶片的叶背与第三个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道
C. 实施例一第三个叶片的叶背与第四个叶片的叶盆构成的叶栅气流通道
D. 实施例一第四个叶片的叶背与相邻叶片组的第一个叶片的叶盆构成的叶栅气 流通道
L. 第一个叶片弦长的投影长度 X. 叶片排圆周方向 Z. 压气机轴向
T. 三角波的周期 P. 三角波的波幅 五、 具体实施方式
实施例一
本实施例的转动叶片排中叶片排布方式为 ： 取 N ＝ 2， 在叶片排圆周方向 X， 由相邻 的 5 个叶片构成一个叶片组， 第五个叶片即为下一个叶片组中的第一个叶片 1 ； 在同一叶片 组中， 第二个叶片 2 位于第一个叶片 1 的叶背表面一侧， 第三个叶片 3 位于第二个叶片 2 的 叶背表面一侧， 第四个叶片 4 位于第三个叶片 3 的叶背表面一侧， 第一个叶片 1 位于前一个 叶片组中的第四个叶片 4 的叶背表面一侧， 以此类推。一个叶片组中各叶片前缘的压气机 轴向 Z 的位置构成一个三角波， 叶片组中第一个叶片 1 的前缘位于三角波的波峰处， 第三个 叶片 3 的前缘位于三角波的波谷处， 三角波的周期 T 即为该叶片组 4 叶片通道在圆周方向 的总宽度， 三角波的波幅 P 为叶片 1 的弦长在压气机轴向 Z 的投影长度 L 的 0.25 倍。第二 个叶片 2 与同该叶片叶盆一侧相邻的第一个叶片 1 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何 角比第一个叶片 1 减小 0.5° ； 第三个叶片 3 同该叶片叶盆一侧相邻的第二个叶片 2 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第二个叶片 2 减小 1.5° ； 第四个叶片 4 与同该叶片 叶盆一侧相邻的第三个叶 片 3 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第三个叶片 3 增 大 1.5°。第二个叶片 2、 第三个叶片 3 和第四个叶片 4 的弯角与叶片 1 相同。
所述叶片叶型设计状态的攻角为 0°， 选取某压气机第一级动叶尖部截面基元级 作为对比研究的基准。 本实施例的动叶片排与常规均匀动叶片排均按照相同样进口条件进 行流场数值优化设计， 叶栅流场数值仿真计算的结果表明， 在较宽的流量范围内， 本实施例的增压比明显高于相应的常规叶片， 且效率也高于常规叶片的结果。尤其是在小攻角大流 量的近堵塞点状态， 本实施例的增压比和效率都显著高于常规叶片。
实施例二
本实施例的转动叶片排中叶片排布方式为 ： 取 N ＝ 3， 在叶片排圆周方向 X， 由相邻 的 7 个叶片构成一个叶片组， 第七个叶片即为下一个叶片组中的第一个叶片 1 ； 在同一叶片 组中， 第二个叶片 2 位于第一个叶片 1 的叶背表面一侧， 第三个叶片 3 位于第二个叶片 2 的 叶背表面一侧， 第四个叶片 4 位于第三个叶片 3 的叶背表面一侧， 第五个叶片 5 位于第四个 叶片 4 的叶背表面一侧， 第六个叶片 6 位于第五个叶片 5 的叶背表面一侧， 第一个叶片 1 位 于前一个叶片组中的第 4 个叶片 6 的叶背表面一侧， 以此类推。一个叶片组中各叶片前缘 的压气机轴向 Z 的位置构成一个三角波， 叶片组中第一个叶片 1 的前缘位于三角波的波峰 处， 第四个叶片 4 的前缘位于三角波的波谷处， 三角波的周期 T 即为该叶片组 6 叶片通道在 圆周方向的总宽度， 三角波的波幅 P 为叶片 1 的弦长在压气机轴向 Z 的投影长度 L 的 0.40 倍。第二个叶片 2 与同该叶片叶盆一侧相邻的第一个叶片 1 相比， 以压气机轴向 Z 定义的 进口几何角比第一个叶片 1 减小 0.5°； 第三个叶片 3 与同该叶片叶盆一侧相邻的第二个叶 片 2 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第二个叶片 2 减小 1.5° ； 第四个叶片 4 与 同该叶片叶盆一侧相邻的第三个叶片 3 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第三个 叶片 3 减小 2.0° ； 第五个叶片 5 与同该叶片叶盆一侧相邻的第四个叶片 4 相比， 以压气机 轴向 Z 定义的进口几何角比第四个叶片 4 增大 2.0° ； 第六个叶片 6 与同该叶片叶盆一侧 相邻的第五个叶片 5 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第五个叶片 5 增大 1.5°。 第二个叶片 2、 第三个叶片 3、 第四个叶片 4、 第五个叶片 5 和第六个叶片 6 的弯角与第一个 叶片 1 相同。 所述叶片叶型设计状态的攻角为 0°， 选取某压气机第一级动叶尖部截面基元级 作为对比研究的基准。 本实施例的动叶片排与常规均匀动叶片排均按照相同样进口条件进 行流场数值优化设计， 叶栅流场数值仿真计算的结果表明， 在常规均匀动叶片排的流量范 围内， 本实施例的增压比明显高于相应的常规叶片， 且效率也高于常规叶片的结果， 尤其是 在小攻角大流量的设计点状态， 本实施例的增压比和效率都显著高于常规叶片。
实施例三
本实施例中， 转动叶片排中叶片排布方式为 ： 取 N ＝ 4， 在叶片排圆周方向 X， 由相 邻的 9 个叶片构成一个叶片组， 第九个叶片即为下一个叶片组中的第一个叶片 1。 在同一个 叶片组中， 第二个叶片 2 位于第一个叶片 1 的叶背表面一侧， 第三个叶片 3 位于第二个叶片 2 的叶背表面一侧， 第四个叶片 4 位于第三个叶片 3 的叶背表面一侧， 第五个叶片 5 位于第 四个叶片 4 的叶背表面一侧， 第六个叶片 6 位于第五个叶片 5 的叶背表面一侧， 第七个叶片 7 位于第六个叶片 6 的叶背表面一侧， 第八个叶片 8 位于第七个叶片 7 的叶背表面一侧， 第 一个叶片 1 位于前一个叶片组中的第八个叶片 8 的叶背表面一侧， 以此类推。一个叶片组 中各叶片前缘的压气机轴向 Z 的位置构成一个三角波， 叶片组中第一个叶片 1 的前缘位于 三角波的波峰处， 第五个叶片 5 的前缘位于三角波的波谷处， 三角波的周期 T 即为该叶片组 8 叶片通道在圆周方向的总宽度， 三角波的波幅 P 为叶片 1 的弦长在压气机轴向 Z 的投影长 度 L 的 0.51 倍。第二个叶片 2 与同该叶片的叶盆一侧相邻的第一个叶片 1 相比， 以压气机 轴向 Z 定义的进口几何角比第一个叶片 1 减小 0.5° ； 第三个叶片 3 与同该叶片叶盆一侧
相邻的第二个叶片 2 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第二个叶片 2 减小 0.5° ； 第四个叶片 4 与同该叶片叶盆一侧相邻的第三个叶片 3 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口 几何角比第三个叶片 3 减小 0.5°； 第五个叶片 5 与同该叶片叶盆一侧相邻的第四个叶片 4 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第四个叶片 4 减小 0.5° ； 第六个叶片 6 与同该 叶片叶盆一侧相邻的第五个叶片 5 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第五个叶片 5 增大 0.5° ； 第七个叶片 7 与同该叶片叶盆一侧相邻的第六个叶片 6 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第六个叶片 6 增大 0.5° ； 第八个叶片 8 与同该 叶片叶盆一侧相邻 的第七个叶片 7 相比， 以压气机轴向 Z 定义的进口几何角比第七个叶片 7 增大 0.5°。第二 个叶片 2、 第三个叶片 3、 第四个叶片 4 和第五个叶片 5 的弯角与第一个叶片 1 相同 ； 第六个 叶片 6 的弯角比第一个叶片 1 增大 0.5° ； 第七个叶片 7 和第八个叶片 8 的弯角与第一个 叶片 1 相同。
所述叶片叶型设计状态的攻角为 0°， 选取某压气机第一级动叶尖部截面基元级 作为对比研究的基准。 本实施例的动叶片排与常规均匀动叶片排均按照相同样进口条件进 行流场数值优化设计， 叶栅流场数值仿真计算的结果表明， 在常规均匀动叶片排的流量范 围内， 本实施例的增压比明显高于相应的常规叶片， 且效率也高于常规叶片的结果， 尤其是 在小攻角大流量的设计点状态， 本实施例的增压比和效率都显著高于常规叶片， 而且堵塞 流量也大于常规均匀动叶片排。