轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机

技术领域

本公开涉及轴流压气机技术领域，尤其涉及一种轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机。

背景技术

轴流压气机是航空发动机和民用燃气轮机的核心部件之一，其性能好坏直接影响到航空发动机或燃气轮机的整体运行性能。现有技术中，通常借助降低轴流压气机单级叶片数量或者减少叶片级数来降低发动机质量，进而提高航空发动机或燃气轮机的推重比、运行效率、压比等性能。但是限于叶片材料及已有加工工艺水平的限制，通过此方法提高航空发动机或燃气轮机上述性能的程度有限。

本领域技术人员多数通过改进轴流压气机的叶型来提升轴流压气机性能。例如：通过增加轴流压气机叶片的气流折转角提高轴流压气机的单级压比，进而间接提高发动机的运行性能。然而，气流折转角的增大会引起叶片流动分离，导致轴流压气机的扩压能力严重下降，还可能会引起轴流压气机的通道堵塞。

因此，研发一种轴流压气机叶片来抑制轴流压气机叶片表面流动分离现象，进而提高发动机的运行性能显得尤为重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提出了一种轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机，以至少解决上述现有技术中存在的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本公开提供了一种轴流压气机叶片，包括：叶片本体；引气通道，引气通道位于叶片本体的吸力面与叶片本体的压力面之间，引气通道沿叶片的第一方向贯通设置在叶片本体上；第一方向与叶片展向相垂直，叶片展向由叶片本体的前缘沿吸力面指向叶片本体的尾缘；喷气缝，喷气缝的第一端设置在吸力面上，喷气缝的第二端与引气通道相连通。

可选地，喷气缝的缝隙间距沿叶片展向保持不变。

可选地，喷气缝的缝隙间距为0.2～0.5mm。

可选地，引气通道包括：上壁，与吸力面相接触；下壁，与压力面相接触；侧壁，与上壁和下壁相连，上壁、下壁和侧壁构成一连续曲面；喷气缝位于引气通道的上方，喷气缝包括：第一面，与吸力面相接触，第一面与下壁相连，第一面与下壁构成一连续曲面；第二面，与吸力面相接触，第二面与上壁相连。

可选地，引气通道包括：上壁，与吸力面相接触；下壁，与压力面相接触；侧壁，与上壁和下壁相连，上壁、下壁和侧壁构成一连续曲面；喷气缝位于引气通道的一端，喷气缝包括：第一面，与吸力面相接触，第一面与上壁相连，第一面与上壁构成一连续曲面；第二面，与下壁相接触，且第二面与下壁相连，第二面与下壁构成一连续曲面。

可选地，上壁与下壁的间距沿叶片展向逐渐增大。

可选地，上壁与下壁的间距沿叶片展向保持不变。

可选地，吸力面还包括：可控段，设置在喷气缝的第一端，且可控段沿叶片展向与吸力面相切，可控段的曲率大于吸力面的曲率。

可选地，的轴流压气机叶片，还包括：

至少一片第一导流叶片，设置在上壁上；

至少一片第二导流叶片，设置在下壁上。

本公开还提供了一种轴流压气机，包括：压气机机匣；轮毂，设置于压气机机匣中心轴位置；N排如权利要求1至9中任一项的轴流压气机叶片，设置于压气机机匣内侧，且沿压气机机匣轴向设置；其中，N为大于等于1的整数；M排动叶，设置于压气机机匣外侧，且沿压气机机匣轴向设置；其中，M为大于等于1的整数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的有益效果是：

(1)本公开通过在叶片本体上开设喷气缝，借助喷气为附面层的低能流体增加动量，使其抵抗叶片通道内逆压梯度的能力增强，进而使流动分离现象得到抑制。

(2)本公开通过在轴流压气机叶片上设置引气通道，有效抑制叶片吸力面的气体附面层的流动分离现象。

(3)本公开引气通道采用弧形结构，使喷气以均匀的轴向速度由喷气缝喷出，避免了喷气在流道内由于流动方向偏转而导致的展向分布不均匀。

(4)本公开的吸力面与喷气缝的开口处采用气动外型可控表面，可充分利用射流附壁效应，使喷气沿吸力面附壁流动，避免喷气与其主流速度、方向不一致而引起掺混损失，可提高压气机效率。

附图说明

图1是本公开第一实施例轴流压气机叶片的立体图；

图2是本公开第二实施例轴流压气机叶片的立体图；

图3是本公开第三实施例轴流压气机叶片的立体图；

图4是本公开第三实施例轴流压气机叶片的俯视图。

【符号说明】

1：本体；

2：前缘；

3：引气通道；

31：上壁；

32：下壁；

33：侧壁；

4：压力面；

5：尾缘；

6：吸力面；

7：可控段；

8：喷气缝；

81：第一面；

82：第二面；

9：第一导流叶片；

10：第二导流叶片；

x：叶片展向；

y：第一方向。

具体实施方式

本公开提供了一种轴流压气机叶片，包括：叶片本体、引气通道和喷气缝，引气通道位于叶片本体的吸力面与叶片本体的压力面之间，引气通道沿叶片的第一方向贯通设置在叶片本体上，该第一方向与叶片展向相垂直，叶片展向由叶片本体的前缘沿吸力面指向叶片本体的尾缘，喷气缝的第一端设置在吸力面上，喷气缝的第二端与引气通道相连通。本公开通过在叶片本体上开设喷气缝，借助喷气为附面层的低能流体增加动量，使其抵抗叶片通道内逆压梯度的能力增强，进而使流动分离现象得到抑制，有效抑制叶片吸力面的气体附面层的流动分离现象。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

实施例一：

本实施例一提供了一种轴流压气机叶片，如图1所示，该叶片包括本体1、引气通道3和喷气缝8。

引气通道3连接至喷气气源，该喷气气源可由外部气源提供也可自轴流压气机的高压级位置引气，喷气量根据运行工况进行主动控制。

为后续表述方便，现定义叶片展向及第一方向。叶片展向由前缘2沿吸力面6指向尾缘5，如图1中x轴所示方向。第一方向与叶片展向相垂直，且由该叶片的前视面指向叶片的后视面，如图1中y轴所示方向。

引气通道3沿叶片第一方向贯通设置在叶片本体1上。引气通道3包括上壁31、下壁32和侧壁33，其上壁31与吸力面6相接触，下壁32与压力面4相接触，侧壁33将上壁31、下壁32相连，使三者构成一连续的曲面。上壁31与下壁32的间距沿叶片展向逐渐增大。

引气通道3的上壁31、下壁32和侧壁33构成的曲面避免了喷射气流在引气通道内部由于发生流动方偏转而出现“流动死区”的显现，同时保证了喷气缝的出口喷气动量的展向一致性。

喷气缝8与引气通道3相连通，且位于引气通道3的上方，该喷气缝8的缝隙间距为0.2～0.5mm。例如，缝隙间距可以选取的是0.2mm、0.3mm和0.5mm。缝隙间距沿叶片展向保持不变。

喷气缝8包括：第一面81和第二面82，其中：第一面81与吸力面6相接触，且第一面81与引气通道3的下壁32相连，第一面81与引气通道3的下壁32构成一连续曲面；第二面82与吸力面6相接触，且第二面82与引气通道3的上壁31相连。

上述引气通道3与喷气缝8相连通的结构采用气流反向偏转式引气设计，使喷射入轴流压气机的气体流经引气通道3的后由布置在叶片吸力面6的喷气缝8射流而出，进而提高主流在吸力面6的附面层内低能流体的动量，使其抵抗压气机内部通道内逆压梯度的能力增强，减弱或完全抑制流动分离。

此外，喷气缝8出口附近的吸力面6设置一可控段7，该可控段7采用气动外型可控表面，即为了减少气体在吸力面6上的运动阻力，而采用的利于气流运动喷射的外形。该气动外型表面由轴流压气机的大小、长度、推力、稳定性等客观因素所组成的函数方程确定。可控段7沿叶片展向与吸力面6相切，且该可控段7的曲率大于吸力面6的曲率。上述气动外型可控表面的应用充分借助射流附壁效应，使喷气附壁流动，避免喷气与主流速度方向不一致引起的掺混损失，进一步提高了压气机效率。

实施例二：

本实施例提供了一种轴流压气机叶片，如图2所示，该叶片包括本体1、引气通道3和喷气缝8。

与实施例一不同的是，喷气缝8与引气通道3相连通，且位于引气通道3的一端。引气通道3的上壁31与下壁32的间距沿叶片展向保持不变。

喷气缝8包括：第一面81和第二面82，其中：第一面81与吸力面6相接触，且第一面81与引气通道3的上壁31相连，第一面81与引气通道3的上壁31构成一连续曲面；第二面82与吸力面6相接触，且第二面82与引气通道3的下壁32相连。

本实施例公开的轴流压气机叶片的其他特征与实施例一中的特征及技术效果相同，以下不再赘述。

实施例三：

本实施例提供了一种轴流压气机叶片，如图3所示，该叶片包括本体1、两个引气通道3和与两个引气通道3对应设置的喷气缝8。

位于前缘2一侧的引气通道3、喷气缝8的结构与实施例一中的引气通道3和喷气缝8的结构相同；位于尾缘5一侧的引气通道3、喷气缝8的结构与实施例二中的引气通道3和喷气缝8的结构相同。

在高马赫数、大攻角来流条件下，两个喷气缝8的组合设计理论上可以完全抑制吸力面6出现的附面层流动分离现象，降低压气机通道内部因流动分离而引起的流动损失。

叶片本体1中靠近前缘2的位置处流体马赫数高、攻角大，因而更容易发生流动分离，而靠近前缘的喷气缝8喷射出的气流可以为此位置处的流体注入能量，减小流动分离损失。叶片尾缘5附近布置的喷气缝8继续向来自前缘2的气流附面层中注入能量，增加附面层中流体的动量，增强流体抵抗逆压梯度的能力。在本体1的前缘、尾缘附近布置上述两个喷气缝8可以保证吸力面6上的附面层不会发生大的流动分离，保证压气机的高效率的稳定运行。

本实施例公开的轴流压气机叶片的其他特征与实施例一中的特征及技术效果相同，以下不再赘述。

实施例四：

如图4所示，在实施例三的基础上，为轴流压气机叶片设置导流叶片。具体地包括：第一导流叶片9和第二导流叶片10，本实施例的其余结构与实施例三中所述的轴流压气机叶片的结构相同，以下不再赘述。

第一导流叶片9分别均布于引气通道3的上壁31上，第二导流叶片10分别均布于引气通道3的下壁32上。本实施例中，靠近前缘2的引气通道3内设置了三个的第一导流叶片9和三个第二导流叶片10；靠近尾缘5的引气通道3内的导流叶片的布置方式与前述引气通道3内的布置方式相同。

上述导流叶片可对通过引气通道内的气体进行导流，即通过对导流叶片的结构、位置进行优化，可以使喷气在引气通道内进行转折，重整后以展向均匀的速度沿与可控段7的表面切线一致的方向流出。

在可控段7的设计过程中，首先要考虑曲率的影响，曲率太小，附壁效应增加的气流折转能力下降；曲率太大，气流附壁时间太短而易产生分离。确定可控段表面曲率后，以喷气缝的缝隙间距与可控段7表面半径的比值小于0.02为设计标准，同时考虑机械加工的可行性，确定缝隙间距为0.2～0.5mm。在缝高确定后，对吸力面6的型线进行调整，确定可控段7与吸力面6的交点位置。需保证调整后的喷气缝8附近的吸力面为圆弧的一部分且与相邻吸力面的曲率相连续，此外还需保证叶片的弦长不变。调整后的叶片气动性能应与调整前的叶片气动性能尽量一致，在改变型线后，即使喷气量为0时叶片性能也可以优于调整前的叶片性能，在较小的喷气量下(相对于主流流量2％以内)，喷气可以有效抑制流动分离，提高压气机效率和稳定性。

在叶片设计的基础上，可以针对不同轴流压气机选取不同径向缝隙间距的叶片截面进行上述设计，再将不同截面的数据调整结合，形成压气机叶片的设计方案。

本公开还提供了一种采用上述叶片的轴流压气机。具体地，该轴流压气机包括：压气机机匣、轮毂、N排上述实施例一至实施例三中所述的轴流压气机叶片(N为大于等于1的整数)和M排动叶(M为大于等于1的整数)。

轮毂设置于压气机机匣中心轴位置，沿压气机机匣轴向设置N排轴流压气机叶片且该叶片位于机匣内侧，沿压气机机匣轴向设置M排动叶且该动叶位于机匣外侧。

综上所述，本公开提供的轴流压气机叶片能够充分利用喷气附壁效应，有效抑制航空发动机在高马赫数、大攻角来流条件下运行时，高负荷压气机容易发生的叶片吸力面附面层流动分离现象，避免喘振和失速的发生。有利于提高压气机乃至航空发动机的效率和稳定性，具有良好的推广应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。