专利名称：一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法
技术领域：
本发明涉及一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，属于高负荷轴流压气机气动设计技术领域。
背景技术：
本专利涉及三方面的技术。分别为对转压气机技术，附面层抽吸技术，基于轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术。
1、对转压气机技术
对于涡轮而言，考虑到气流在涡轮中总体上处于顺压流动，因此在不减少其级负荷的前提下，可减少两列转子之间的静叶片而直接对转，使得发动机结构紧凑，重量下降，推重比提升。此外，对转技术也可减少传到飞机上的合力矩。
对于压气机而言，气流在其内部总体上属于扩压流动。气流在压气机叶片中流动需满足扩压因子的要求。在转速数值相同情况下，若需两列对转转子，直接实现原先两级压气机压比是困难的。其根本原因在于，在总压比不变情况下，压气机中静子叶片能够实现静压升从而降低转子叶片中的逆压梯度。若两列对转转子直接实现两级压气机(假设其反动度为0.5)总压比，平均每列转子需实现原先两倍的静压升。
因此，对于对转压气机而言，不是简单的减少静叶片那么简单，而是需重新对其每列转子气动参数进行评估。第一列转子出口气流参数需满足第二列转子入口参数需求。从
图1可看出，若两列转子在没有静叶前提下直接对转，其优点在于，第一列转子能够为第二例转子提供反预旋，提升了第二列转子的做功能力。但也有如下需注意的问题:
I)在特定圆周速度前提下，若想进一步提升第一列转子级负荷，会使得第二列转子的入口气流角或入口相对速度马赫数过高。事实证明，当叶栅入口马赫数超过1.5时，叶栅内部损失会显著增加。因此，在对转压气机前提下，第二列转子的参数需求限制了第一列转子负荷的进一步提升。同样，第一列转子在特定级负荷前提下，限制了第二列转子转速的进一步增加，以避免其入口相对马赫数和气流角增加。
2)为有效降低第二列转子的入口马赫数与气流角，提升负荷，有效办法为提高第一列转子入口正预旋。但当第一列转子入口马赫数已经达到特定水平时，正预旋会使得第一列转子入口相对马赫数进一步增加，激波损失提升。
2、附面层抽吸技术
附面层抽吸可改善压气机内部的流动状况，提升压气机级负荷与效率，从而使得压气机级数减少，发动机结构更加紧凑。但问题在于，附面层抽吸所吸走的经过压缩后的气体，能否进一步利用，以及如何利用。在实际应用过程中，不仅需考虑附面层抽吸的收益，而且需综合考虑当抽吸气体有不同用途时，抽吸所造成的额外损失。
针对超、跨音速转子而言，若不采用围带，由于激波损失与泄漏损失的共同影响，损失主要集中在转子70%叶高及以上区域的吸力面侧。当在转动部件上应用附面层抽吸时，抽吸管道的设计是一大挑战。此外，超音速叶型通常较薄，因此，抽吸槽的宽度，抽吸槽的数量，都受到强度的限制。
3、基于轴向速度提高的高效率高负荷动叶设计技术
对于动叶气动设计，无论是在亚音速入口来流还是在超音速入口来流的前提下，均可通过动叶出口轴向速度提升，降低动叶内的扩压因子，以确保动叶高效流动。从而避免在高负荷气动设计条件下，在动叶中采用附面层抽吸技术等主动控制措施。针对转子入口来流分别为亚音速或跨、超音速的流动情况，分别对该技术予以说明。
3.1在入口相对速度为亚音速时，基于出口轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术
当转子入口相对速度为亚音速时，在常规设计中，动叶入口处、动叶出口处以及静叶出口处，其轴向速度通常相等或变化不大。在动叶入口速度三角形保持不变的前提下，随着级负荷提升，动叶转角增加到一定水平时，其内部将出现附面层分离。此时，可通过增加子午流道的收缩幅度，提升动叶出口轴向速度以降低动叶扩压因子，避免动叶中出现附面层分离流动。
图2是在入口速度三角形相同且轴向进气前提下，不同出口轴向速度前提下的速度三角形对比。根据式(I)，可知，在入口速度三角形与扭速保持不变情况下，出口轴向速度增加，使得其出口相对速度增大，可有效降低动叶中的扩压因子。
权利要求
1.一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，对于第一列动叶，在高负荷气动设计条件下，大幅增加其出口轴向速度以确保第一列动叶效率；对于第一列静叶，结合附面层抽吸以控制其内部流动分离并为第二列动叶提供反预旋；对于第二列动叶，在高负荷设计条件下，通过大幅提升第二列列动叶出口轴向速度以确保第二列转子效率；对于第二列静叶，结合附面层抽吸以实现气流减速与轴向出气； 根据发动机整机性能的需求给定如下参数:设计转速，包括第一列动叶转速U1以及第二列动叶转速U2 ;设计负荷,包括第一列动叶设计负荷Awul与第二列动叶设计负荷Awu2 ；第一列动叶入口轴向速度Clz，第二列静子出口轴向速度C5z ； 对于第一列转子，根据其入口马赫数需求给定预旋，当第一列转子在轴向进气前提下已是跨音速或超音速时，通常直接轴向进气，即对于第一级动叶来说，其入口速度三角形已知，即U1, C1, W1均已知; 其特征在于:所述结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法的具体实现过程为:步骤一、利用基于动叶出口轴向速度提升的方式，在给定高负荷气动设计目标下，对第一列转子进行气动设计，其动叶出口轴向速度确定方法如下: 已知第一列转子入口速度三角形和动叶负荷，在给定稠度τ值情况下，利用式(I)利用式(I)计算得到第一列转子出口相对速度W2: D = 1- (I) in 2ru\ 由第一列转子入口速度三角形可求得第一列转子入口相对速度Wl和第一列转子入口相对速度在圆周方向的分速度Wlu ；由动叶负荷可求得扭速△ Wu ；选取扩压因子D值；同时利用⑵式和⑶式可计算得到动叶出口轴向速度W2z,其中w2z = C2z ；W2u = Wlu Δ Wu (2) 根据第一列转子入口速度三角形，动叶出口轴向速度与动叶负荷，求得第一列转子中径处速度三角形； 步骤二、根据第二列动叶转速U2确定第二列动叶入口处的绝对速度C3的轴向分速度C3z:其确定方法如下，选取第二列动叶入口轴向速度值等于0.5或0.6倍的第二列动叶的圆周速度； 根据第二列转子入口马赫数需求与第一列转子负荷，计算第二列转子的入口预旋角；步骤三、根据第二列转子的入口轴向速度与入口预旋角度，以及由第一列转子的出口轴向速度与出口气流角，求得第一列静子中径处出口速度； 步骤四、根据第二列转子的入口预旋角、圆周速度、入口轴向速度，得到第二列转子中径处入口速度三角形；根据步骤一再求得第二列转子中径处出口速度三角形； 步骤五、根据第二列转子出口轴向速度与出口气流角、第二列静子出口轴向速度C5z求得第二列静叶中径出、入口速度；至此，对转压气机的中径处速度三角形求解完毕。
2.根据权利要求1所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:在步骤一中，扩压因子值不超过0.5。
3.根据权利要求2所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:扩压因子取值为0.4。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:步骤二中所述的第二列转子入口马赫数需求不大于1.2。
全文摘要
一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，属于高负荷轴流压气机气动设计技术领域。该发明能够有效解决现有对转轴流压气机两列转子直接对转时存在的系列问题，同时也能避免附面层抽吸在转子中进行。利用基于动叶出口轴向速度提升的方式，在给定高负荷气动设计目标下，对第一列转子进行气动设计；根据第二列动叶转速确定第二列动叶入口处的绝对速度的轴向分速度；根据第二列转子入口马赫数需求与第一列转子负荷，计算第二列转子的入口预旋角；根据第二列转子出口轴向速度与出口气流角、第二列静子出口轴向速度求得第二列静叶中径出、入口速度。本发明能够充分挖掘对转压气机每列转子的做功能力，实现对转压气机高负荷气动设计。
文档编号F04D29/38GK103195757SQ20131014828
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者王松涛, 胡应交 申请人:哈尔滨工业大学
技术领域：
本发明涉及一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，属于高负荷轴流压气机气动设计技术领域。
背景技术：
本专利涉及三方面的技术。分别为对转压气机技术，附面层抽吸技术，基于轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术。
1、对转压气机技术
对于涡轮而言，考虑到气流在涡轮中总体上处于顺压流动，因此在不减少其级负荷的前提下，可减少两列转子之间的静叶片而直接对转，使得发动机结构紧凑，重量下降，推重比提升。此外，对转技术也可减少传到飞机上的合力矩。
对于压气机而言，气流在其内部总体上属于扩压流动。气流在压气机叶片中流动需满足扩压因子的要求。在转速数值相同情况下，若需两列对转转子，直接实现原先两级压气机压比是困难的。其根本原因在于，在总压比不变情况下，压气机中静子叶片能够实现静压升从而降低转子叶片中的逆压梯度。若两列对转转子直接实现两级压气机(假设其反动度为0.5)总压比，平均每列转子需实现原先两倍的静压升。
因此，对于对转压气机而言，不是简单的减少静叶片那么简单，而是需重新对其每列转子气动参数进行评估。第一列转子出口气流参数需满足第二列转子入口参数需求。从
图1可看出，若两列转子在没有静叶前提下直接对转，其优点在于，第一列转子能够为第二例转子提供反预旋，提升了第二列转子的做功能力。但也有如下需注意的问题:
I)在特定圆周速度前提下，若想进一步提升第一列转子级负荷，会使得第二列转子的入口气流角或入口相对速度马赫数过高。事实证明，当叶栅入口马赫数超过1.5时，叶栅内部损失会显著增加。因此，在对转压气机前提下，第二列转子的参数需求限制了第一列转子负荷的进一步提升。同样，第一列转子在特定级负荷前提下，限制了第二列转子转速的进一步增加，以避免其入口相对马赫数和气流角增加。
2)为有效降低第二列转子的入口马赫数与气流角，提升负荷，有效办法为提高第一列转子入口正预旋。但当第一列转子入口马赫数已经达到特定水平时，正预旋会使得第一列转子入口相对马赫数进一步增加，激波损失提升。
2、附面层抽吸技术
附面层抽吸可改善压气机内部的流动状况，提升压气机级负荷与效率，从而使得压气机级数减少，发动机结构更加紧凑。但问题在于，附面层抽吸所吸走的经过压缩后的气体，能否进一步利用，以及如何利用。在实际应用过程中，不仅需考虑附面层抽吸的收益，而且需综合考虑当抽吸气体有不同用途时，抽吸所造成的额外损失。
针对超、跨音速转子而言，若不采用围带，由于激波损失与泄漏损失的共同影响，损失主要集中在转子70%叶高及以上区域的吸力面侧。当在转动部件上应用附面层抽吸时，抽吸管道的设计是一大挑战。此外，超音速叶型通常较薄，因此，抽吸槽的宽度，抽吸槽的数量，都受到强度的限制。
3、基于轴向速度提高的高效率高负荷动叶设计技术
对于动叶气动设计，无论是在亚音速入口来流还是在超音速入口来流的前提下，均可通过动叶出口轴向速度提升，降低动叶内的扩压因子，以确保动叶高效流动。从而避免在高负荷气动设计条件下，在动叶中采用附面层抽吸技术等主动控制措施。针对转子入口来流分别为亚音速或跨、超音速的流动情况，分别对该技术予以说明。
3.1在入口相对速度为亚音速时，基于出口轴向速度提升的高效率高负荷动叶设计技术
当转子入口相对速度为亚音速时，在常规设计中，动叶入口处、动叶出口处以及静叶出口处，其轴向速度通常相等或变化不大。在动叶入口速度三角形保持不变的前提下，随着级负荷提升，动叶转角增加到一定水平时，其内部将出现附面层分离。此时，可通过增加子午流道的收缩幅度，提升动叶出口轴向速度以降低动叶扩压因子，避免动叶中出现附面层分离流动。
图2是在入口速度三角形相同且轴向进气前提下，不同出口轴向速度前提下的速度三角形对比。根据式(I)，可知，在入口速度三角形与扭速保持不变情况下，出口轴向速度增加，使得其出口相对速度增大，可有效降低动叶中的扩压因子。
权利要求
1.一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，对于第一列动叶，在高负荷气动设计条件下，大幅增加其出口轴向速度以确保第一列动叶效率；对于第一列静叶，结合附面层抽吸以控制其内部流动分离并为第二列动叶提供反预旋；对于第二列动叶，在高负荷设计条件下，通过大幅提升第二列列动叶出口轴向速度以确保第二列转子效率；对于第二列静叶，结合附面层抽吸以实现气流减速与轴向出气； 根据发动机整机性能的需求给定如下参数:设计转速，包括第一列动叶转速U1以及第二列动叶转速U2 ;设计负荷,包括第一列动叶设计负荷Awul与第二列动叶设计负荷Awu2 ；第一列动叶入口轴向速度Clz，第二列静子出口轴向速度C5z ； 对于第一列转子，根据其入口马赫数需求给定预旋，当第一列转子在轴向进气前提下已是跨音速或超音速时，通常直接轴向进气，即对于第一级动叶来说，其入口速度三角形已知，即U1, C1, W1均已知; 其特征在于:所述结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法的具体实现过程为:步骤一、利用基于动叶出口轴向速度提升的方式，在给定高负荷气动设计目标下，对第一列转子进行气动设计，其动叶出口轴向速度确定方法如下: 已知第一列转子入口速度三角形和动叶负荷，在给定稠度τ值情况下，利用式(I)利用式(I)计算得到第一列转子出口相对速度W2: D = 1- (I) in 2ru\ 由第一列转子入口速度三角形可求得第一列转子入口相对速度Wl和第一列转子入口相对速度在圆周方向的分速度Wlu ；由动叶负荷可求得扭速△ Wu ；选取扩压因子D值；同时利用⑵式和⑶式可计算得到动叶出口轴向速度W2z,其中w2z = C2z ；W2u = Wlu Δ Wu (2) 根据第一列转子入口速度三角形，动叶出口轴向速度与动叶负荷，求得第一列转子中径处速度三角形； 步骤二、根据第二列动叶转速U2确定第二列动叶入口处的绝对速度C3的轴向分速度C3z:其确定方法如下，选取第二列动叶入口轴向速度值等于0.5或0.6倍的第二列动叶的圆周速度； 根据第二列转子入口马赫数需求与第一列转子负荷，计算第二列转子的入口预旋角；步骤三、根据第二列转子的入口轴向速度与入口预旋角度，以及由第一列转子的出口轴向速度与出口气流角，求得第一列静子中径处出口速度； 步骤四、根据第二列转子的入口预旋角、圆周速度、入口轴向速度，得到第二列转子中径处入口速度三角形；根据步骤一再求得第二列转子中径处出口速度三角形； 步骤五、根据第二列转子出口轴向速度与出口气流角、第二列静子出口轴向速度C5z求得第二列静叶中径出、入口速度；至此，对转压气机的中径处速度三角形求解完毕。
2.根据权利要求1所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:在步骤一中，扩压因子值不超过0.5。
3.根据权利要求2所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:扩压因子取值为0.4。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，其特征在于:步骤二中所述的第二列转子入口马赫数需求不大于1.2。
全文摘要
一种结合附面层抽吸的对转压气机气动设计方法，属于高负荷轴流压气机气动设计技术领域。该发明能够有效解决现有对转轴流压气机两列转子直接对转时存在的系列问题，同时也能避免附面层抽吸在转子中进行。利用基于动叶出口轴向速度提升的方式，在给定高负荷气动设计目标下，对第一列转子进行气动设计；根据第二列动叶转速确定第二列动叶入口处的绝对速度的轴向分速度；根据第二列转子入口马赫数需求与第一列转子负荷，计算第二列转子的入口预旋角；根据第二列转子出口轴向速度与出口气流角、第二列静子出口轴向速度求得第二列静叶中径出、入口速度。本发明能够充分挖掘对转压气机每列转子的做功能力，实现对转压气机高负荷气动设计。
文档编号F04D29/38GK103195757SQ20131014828
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月25日 优先权日2013年4月25日
发明者王松涛, 胡应交 申请人:哈尔滨工业大学
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