用于压气机的进口级叶片组件及包含其的轴流压气机的制作方法

1.本发明涉及一种用于压气机的进口级叶片组件及包含其的轴流压气机。


背景技术：

2.在航空发动机、燃气轮机的压气机部件，以及地面轴流压气机中，进口导叶是常见的组成部分。进口导叶是压气机进口的第一排静叶，它的作用通常是将轴向来流偏转，使其带一定切向分速度，且切向分速度的方向与转子旋转方向相同。这样，第一级动叶（转子叶片）的来流马赫数就会比无导叶时更低，因此损失更小、效率更高。此外，进口导叶通常还会设计为可调式，随着压气机运行工况的改变而改变其安装角度，从而保持第一级动叶始终工作在较合适的来流预旋角（压气机的转子叶片前方来流与轴向的夹角），从而实现较高的效率和裕度。
3.为降低机组体积和重量，减少级数，当代轴流压气机通常选用较高的设计转速，使得前面级转子叶片的来流相对马赫数接近或超过1，导致叶片通道中存在激波。激波具有强大的增压能力，但也会带来显著的损失。在所有叶片中，第一级动叶的来流相对马赫数通常是最高的，且从叶根向叶尖逐渐增大。为了保证第一级动叶的效率，进口导叶通常设计为从叶根到叶尖的尾缘金属角逐渐增大的形式，如图1所示。这样可以使其下游的转子叶片的来流预旋角从叶根到叶尖逐渐增大，以缓解来流相对马赫数从叶根到叶尖逐渐增大的趋势，其效果如图2所示。
4.此外，由于上游附面层等因素的影响，第一级动叶容易在根部和尖部失速。而根据多级轴流压气机的气动力学原理，在转速低于设计转速时，前面级容易偏喘而后面级偏堵，第一级偏喘的趋势最明显，容易成为率先失速级。对于当代航空轴流压气机，第一级动叶的根部通常可设计为半径从前缘到尾缘明显增大的形式，因此其增压能力不仅来自于流道扩张，还来自离心力，其机理与混流级类似，因此增压能力较强，不容易失速。再加上第一级动叶的弦长一般从叶根到叶尖变化不大，而第一级动叶的轮毂比相对较小（常见的为0.5左右），导致第一级动叶的叶根的稠度很大，一般能达到2以上，进一步降低了第一级动叶在叶根处失速的可能性。但是，由于第一级动叶的叶尖的稠度仅能达到叶根的一半，也没有上述离心力的作用，又受到间隙泄漏流的影响，因此失速风险较大。所以，提高第一级动叶的叶尖的抗失速能力意义重大。
5.为了提高第一级动叶的叶尖的抗失速能力，现有技术大多对第一级动叶的叶尖采取局部前掠的设计，能有效地满足气动需求。但是，不恰当的弯掠设计，容易导致第一级动叶的叶尖的前缘和尾缘的径向变形不均衡，对于宽弦风扇/压气机叶片尤其如此。受限于此，第一级动叶的叶尖局部前掠一般不可能过于强烈，因此依靠它提高裕度的程度有限。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是如何提高压气机第一级动叶的叶尖的做功能力，提高其失速裕度，并同时避免产生较强的前缘和尾缘的径向变形不均衡的缺陷，提供一种用于
压气机的进口级叶片组件及包含其的轴流压气机。
7.本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：本发明提供了一种用于压气机的进口级叶片组件，所述进口级叶片组件包括进口导叶和第一级动叶，所述进口导叶具有最大的尾缘金属角的位置为第一位置，所述第一位置处的相对叶高t满足0.8≤t≤0.9；所述第一级动叶在叶尖处的叶型截面具有第一弦长，所述第一级动叶上相对叶高为t的第二位置处的叶型截面具有第二弦长，所述第一弦长比所述第二弦长大3%~10%；在所述第二位置与所述第一级动叶的叶尖之间，所述第一级动叶的积叠轴的前掠或后掠程度不超过所述第一级动叶的绝对叶高的1%。
8.在本方案中，压气机的进口级叶片组件采用上述结构，在进口导叶的叶尖附近降低尾缘金属角，从而为下游的第一级动叶的叶尖提供较小的来流预旋角，适当降低第一级动叶在叶尖处的马赫数，增加第一级动叶的反动度，以提高其做功能力。通过限定第一级动叶在叶尖处的弦长以及与进口导叶的最大尾缘金属角处的第一位置具有相同的相对叶高的第二位置处的叶型截面的弦长，不仅使得第一级动叶从静态到运行状态时前、尾缘的径向变形更加协调，而且还使第一级动叶的叶尖部位在实现相同压比和流量的前提下，负荷更轻，不容易失速，提高第一级动叶的叶尖的失速裕度。
9.较佳地，所述进口导叶的尾缘金属角相对于所述进口导叶的叶高的导数是连续的；和/或，所述第一级动叶的弦长的重心位置相对于所述第一级动叶的叶高的导数是连续的；和/或，所述第一级动叶的基元截面的重心位置相对于所述第一级动叶的叶高的导数是连续的。
10.在本方案中，进口导叶的尾缘金属角、第一级动叶的弦长的重心位置和第一级动叶的基元截面的重心位置采用上述结构，有利于增加压气机的气动性能。
11.较佳地，所述进口导叶的叶尖处的尾缘金属角比所述进口导叶的最大尾缘金属角小0.5
°
~5
°
。
12.在本方案中，将进口导叶的叶尖的尾缘金属角控制在比最大尾缘金属角小0.5
°
~5
°
的范围内，可以为下游的第一级动叶的叶尖提供合适的来流预旋角，从而使第一级动叶的反动度控制在合理范围内，增强第一级动叶的做功能力。
13.较佳地，自所述进口导叶的叶根到所述第一位置，所述进口导叶的尾缘金属角的大小相对于所述进口导叶的叶高的导数是正数且连续增大的。
14.在本方案中，采用上述结构，可以使进口导叶下游的第一级动叶的来流预旋角从叶根到叶尖方向逐渐增大，以缓解来流相对马赫数从叶根到叶尖方向逐渐增大的趋势。
15.较佳地，自所述进口导叶的叶根到所述第一位置，所述进口导叶的尾缘金属角的大小相对于所述进口导叶的叶高的导数是大于零的定值。
16.在本方案中，采用上述结构，可以使进口导叶下游的第一级动叶的来流预旋角从叶根到叶尖方向逐渐增大，以缓解来流相对马赫数从叶根到叶尖方向逐渐增大的趋势。
17.较佳地，所述第一级动叶在叶尖处的叶型截面的前缘点的轴向位置位于所述第二位置处的叶型截面的前缘点的轴向位置的上游。
18.在本方案中，采用上述结构，可以使第一级动叶的叶尖前缘具有前掠的效果，进一步增强第一级动叶的叶尖的抗失速能力。
19.较佳地，自所述第二位置到所述第一级动叶的叶尖，所述第一级动叶的叶型截面的最大绝对厚度不变或单调减小。
20.在本方案中，采用上述结构设计，使得第一级动叶的叶尖弦长增大导致的离心力增加在一定程度上被抵消，进一步增强第一级动叶的叶尖的抗失速能力。
21.较佳地，所述第一级动叶在叶尖处的叶型截面的最大绝对厚度与所述第一级动叶在所述第二位置处的叶型截面的最大绝对厚度的比值为m，所述第一级动叶在所述第二位置处的叶型截面的弦长与所述第一级动叶在叶尖处的叶型截面的弦长的比值为n，m=n*t，其中：0.8≤t≤0.95。
22.在本方案中，采用上述结构设计，进一步使得第一级动叶的叶尖弦长增大导致的离心力增加在一定程度上被抵消，进而增强第一级动叶的叶尖的抗失速能力，还可以使得第一级动叶在叶尖的前缘和尾缘的径向变形更加协调。
23.较佳地，所述第一弦长比所述第二弦长大5%~8%。
24.在本方案中，采用上述结构设计，避免第一级动叶在叶尖处前掠过于明显，使得第一级动叶在叶尖的前缘和尾缘的径向变形更加协调。
25.本发明还提供了一种轴流压气机，所述轴流压气机包含有上述的进口级叶片组件。
26.本发明的积极进步效果在于：本发明的进口级叶片组件采用上述结构，在进口导叶的叶尖附近降低尾缘金属角，从而为下游的第一级动叶的叶尖提供较小的来流预旋角，适当降低第一级动叶在叶尖处的马赫数，增加第一级动叶的反动度，以提高其做功能力。通过限定第一级动叶在叶尖处的弦长以及与进口导叶的最大尾缘金属角处的第一位置具有相同的相对叶高的第二位置处的叶型截面的弦长，不仅使得第一级动叶从静态到运行状态时前、尾缘的径向变形更加协调，而且还使第一级动叶的叶尖部位在实现相同压比和流量的前提下，负荷更轻，不容易失速，提高第一级动叶的叶尖的失速裕度。
附图说明
27.图1为压气机内进口导叶的俯视图。
28.图2为现有的第一级动叶从叶根到叶尖的来流相对马赫数的变化示意图。
29.图3为金属角的定义参考图。
30.图4为本发明进口导叶与现有技术中进口导叶从叶根到叶尖的尾缘金属角的变化示意图。
31.图5为本发明第一级动叶与现有技术中第一级动叶从叶根到叶尖的叶型截面的重心的变化示意图。
32.图6为本发明第一级动叶与现有技术中第一级动叶从叶根到叶尖的叶型截面的弦长的变化示意图。
33.图7为本发明进口导叶的尾缘金属角从叶根到叶尖的两种不同分布律的示意图。
34.图8为本发明第一级动叶的一个实施方式下的子午视图。
35.附图标记说明：
进口导叶100导叶压力面101导叶吸力面102导叶前缘103导叶尾缘104导叶叶尖105第一级动叶200动叶压力面201动叶叶根202动叶前缘203动叶尾缘204动叶叶尖205。
具体实施方式
36.下面通过实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在该实施例范围之中。
37.需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定技术特征，仅仅是为了便于对相应技术特征进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“另一个实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
38.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
39.为便于理解，文中一个或多个术语解释如下：轴流压气机：气流流动方向与工作轮旋转轴心线方向一致或近乎一致的多级压缩设备，由根尖流道及一系列静子
‑
转子叶片相应交替排列构成，常用于航空发动机或燃气轮机；相邻静子、转子叶片的组合被称为一级。
40.相对叶高：压气机内叶片上的某一点到叶片叶根的距离与该叶片的叶尖到叶根的距离的比值。
41.绝对叶高：压气机内叶片上的某一点到叶片叶根的距离。
42.预旋角：压气机转子叶片前方来流与轴向的夹角。
43.气动性能：压气机(或压气机级、压气机转子叶片，下同)的气动性能主要由四项指标组成，分别为进口换算流量（进口条件换算到标准大气条件下的空气流量，单位为kg/s）、压比（出口总压与进口总压之比，无量纲）、效率（压气机将机械功转化为气体压力能的程度比例，通过进口总温总压、出口总温总压思想参数进行计算，无量纲）、喘振裕度（衡量压气机能够稳定工作的范围大小，由压气机在设计点的换算流量、压比及近喘点的流量、压比计算得到，无量纲）。
44.金属角：叶片的叶型中弧线在叶片前缘、尾缘处的切线方向与轴向的夹角，分别称
为前缘金属角和尾缘金属角。如果进口导叶的尾缘的指向会使得进口导叶的出口气流的切向速度与下游转子的旋转方向相同，则定义进口导叶的尾缘金属角为正，反之为负。在进口导叶的前缘点向上游作一条射线，与当地的中弧线相切，如果该射线的方向的切向分量与下游转子的旋转方向相同，则进口导叶的前缘金属角为负，否则为正。例如图3所示的情况，其中进口导叶的前缘金属角为负，尾缘金属角为正。
45.叶尖间隙：在压气机运行过程中，进口导叶需要经常调节角度，因此叶尖与机匣之间不可避免存在间隙。这导致压气机运行时气体沿着该间隙从压力面流向吸力面。和无叶尖间隙的理想情况相比，存在叶尖间隙会导致进口导叶的损失增大，且导致转子叶尖的来流预旋角降低。
46.积叠轴：动叶叶片的所有叶型截面（基元截面）的重心连接成的一条空间曲线。
47.气动性能：压气机(或压气机级、压气机转子叶片，下同)的气动性能主要由四项指标组成，分别为进口换算流量（进口条件换算到标准大气条件下的空气流量，单位为kg/s）、压比（出口总压与进口总压之比，无量纲）、效率（压气机将机械功转化为气体压力能的程度比例，通过进口总温总压、出口总温总压思想参数进行计算，无量纲）、喘振裕度（衡量压气机能够稳定工作的范围大小，由压气机在设计点的换算流量、压比及近喘点的流量、压比计算得到，无量纲）。
48.如图1、图4
‑
图8所示，为本实施例的一种用于压气机的进口级叶片组件，该进口级叶片组件用于轴流压气机。进口级叶片组件包括进口导叶100和第一级动叶200。参照图1所示，进口导叶100具有导叶压力面101、导叶吸力面102、导叶前缘103、导叶尾缘104、导叶叶尖105和导叶叶根（图中未示出），参照图8所示，第一级动叶200具有动叶压力面201、动叶吸力面（图中未示出）、动叶叶根202、动叶前缘203、动叶尾缘204和动叶叶尖205。
49.参照图4所示，在本实施例中，进口导叶100具有最大的尾缘金属角的位置为第一位置，第一位置处的相对叶高t满足0.8≤t≤0.9。参照图5所示，第一级动叶200在叶尖处的叶型截面具有第一弦长，第一级动叶200上相对叶高为t的第二位置处的叶型截面具有第二弦长，第一弦长比第二弦长大3%~10%。参照图6所示，在第二位置与第一级动叶200的叶尖之间，第一级动叶200的积叠轴的前掠或后掠程度不超过第一级动叶200的绝对叶高的1%。
50.压气机的进口级叶片组件采用上述结构，在进口导叶100的叶尖附近降低尾缘金属角，从而为下游的第一级动叶200的叶尖提供较小的来流预旋角，适当降低第一级动叶200在叶尖处的马赫数，增加第一级动叶200的反动度，以提高其做功能力。通过限定第一级动叶200在叶尖处的弦长以及与进口导叶的最大尾缘金属角处的第一位置具有相同的相对叶高的第二位置处的叶型截面的弦长，不仅使得第一级动叶200从静态到运行状态时前、尾缘的径向变形更加协调，而且还使第一级动叶200的叶尖部位在实现相同压比和流量的前提下，负荷更轻，不容易失速，提高第一级动叶200的叶尖的失速裕度。
51.由于第一级动叶200的叶尖弦长增加，即使叶尖处的积叠轴不前掠，叶尖处的前缘也会有前掠的效果。
52.在本实施例中，相对叶高t的取值不作具体限制，需要理解的是，假设进口导叶100的第一位置处的相对叶高t为0.85，则第一级动叶200上第二位置处的相对叶高t也为0.85。当然，在实际制造时，由于会存在加工误差，可能会产生一定的偏差，合理的偏差会在可接受的范围内。
53.作为优选方案，第一弦长比第二弦长大5%~8%。避免第一级动叶200在叶尖处前掠过于明显，使得第一级动叶200在叶尖从静态到运行状态时前、尾缘的径向变形更加协调。
54.在本实施例中，进口导叶100的尾缘金属角相对于进口导叶100的叶高的导数是连续的。第一级动叶200的弦长的重心位置相对于第一级动叶200的叶高的导数是连续的。第一级动叶200的基元截面的重心位置相对于第一级动叶200的叶高的导数是连续的。进口导叶100的尾缘金属角、第一级动叶200的弦长的重心位置和第一级动叶200的基元截面的重心位置采用上述结构，有利于增加压气机的气动性能。
55.在其他实施例中，进口导叶100的尾缘金属角、第一级动叶200的弦长的重心位置和第一级动叶200的基元截面的重心位置也可只满足其中一种或两种情况，在此不再赘述。
56.在一个实施例中，进口导叶100的叶尖处的尾缘金属角比进口导叶100的最大尾缘金属角小0.5
°
~5
°
。将进口导叶100的叶尖的尾缘金属角控制在比最大尾缘金属角小0.5
°
~5
°
的范围内，可以为下游的第一级动叶200的叶尖提供合适的来流预旋角，从而使第一级动叶200的反动度控制在合理范围内，增强第一级动叶200的做功能力。尾缘金属角在任一相对叶高处都是正值。
57.另一个实施例中，进口导叶100的叶尖处的尾缘金属角也可比进口导叶100的最大尾缘金属角小5
°
以上，但是不能太大，最好控制在8
°
以内。
58.作为优选，在本实施例中，进口导叶100的叶尖处的尾缘金属角比进口导叶100的最大尾缘金属角小2
°
。
59.在一个实施例中，参照图7中尾缘金属角的分布律2所示，自进口导叶100的叶根到第一位置，进口导叶100的尾缘金属角的大小相对于进口导叶100的叶高的导数是正数且连续增大的。采用上述结构，可以使进口导叶100下游的第一级动叶200的来流预旋角从叶根到叶尖方向逐渐增大，以缓解来流相对马赫数从叶根到叶尖方向逐渐增大的趋势。
60.在另一个实施例中，参照图7中尾缘金属角的分布律1所示，自进口导叶100的叶根到第一位置，进口导叶100的尾缘金属角的大小相对于进口导叶100的叶高的导数是大于零的定值。采用上述结构，也可以使进口导叶100下游的第一级动叶200的来流预旋角从叶根到叶尖方向逐渐增大，以缓解来流相对马赫数从叶根到叶尖方向逐渐增大的趋势。
61.参照图8所示，第一级动叶200在叶尖a处的叶型截面的前缘点的轴向位置位于第二位置b处的叶型截面的前缘点的轴向位置的上游。使第一级动叶200的叶尖前缘具有前掠的效果，进一步增强第一级动叶200的叶尖的抗失速能力。
62.第一级动叶200在设计时，自第二位置b点到第一级动叶200的叶尖a点，第一级动叶200的叶型截面的最大绝对厚度不变或单调减小。采用上述结构设计，使得第一级动叶200的叶尖弦长增大导致的离心力增加在一定程度上被抵消，进一步增强第一级动叶200的叶尖的抗失速能力。其中，最大绝对厚度的数值为第一级动叶200的叶型截面内最大内接圆的直径。
63.在本实施例中，第一级动叶200的叶型截面的最大绝对厚度不变。作为优选，可以满足下述关系：第一级动叶200在叶尖处的叶型截面的最大绝对厚度与第一级动叶200在第二位置处的叶型截面的最大绝对厚度的比值为m，第一级动叶200在第二位置处的叶型截面的弦长与第一级动叶200在叶尖处的叶型截面的弦长的比值为n，m=n*t，其中：0.8≤t≤0.95。
64.采用上述结构设计，进一步使得第一级动叶200的叶尖弦长增大导致的离心力增加在一定程度上被抵消，进而增强第一级动叶200的叶尖的抗失速能力，还可以使得第一级动叶200在叶尖的前缘和尾缘的径向变形更加协调。
65.在另一个实施例中，第一级动叶200的叶型截面的最大绝对厚度单调减小，可以使得第一级动叶200因叶尖的弦长增大导致的离心力增加在一定程度上被抵消，进一步增强第一级动叶200的叶尖的抗失速能力。
66.本发明实施例还提供了一种轴流压气机，该轴流压气机包含有上述的进口级叶片组件。
67.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。