CN120332238A - 一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机压气机设计技术领域，具体涉及一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构，转子叶片前缘自上而下依次为平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3；平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3分别占转子叶片径向高度的范围为0‑50％、50％‑80％、80％‑100％；转子叶片前缘自上而下依次为后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3；后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3分别占转子叶片径向高度的范围为0‑70％、70％‑80％、80％‑100％；转子叶片径向高度0‑10％范围内设置二面角由+4°逐渐减小为0°，在径向高度70％‑100％范围内设置二面角由0°逐渐增大为+10°。

Description

一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构

技术领域

本申请属于航空发动机压气机设计技术领域，具体涉及一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构。

背景技术

下一代航空发动机压气机的压比和流量逐渐提高，少级、高压比、高效率经成为未来压气机的必然趋势。

压气机中后级转子承受着几乎最高的温度载荷以及气动载荷，往往配合出口级静子设计，以提高发动机的性能和裕度。传统盘隼连接结构的末转子构型不利于减振以及较大的气动载荷，而且导致转子叶片的构型受到很大限制，难以满足下一代发动机中后级转子的使用要求。

整体叶盘结构转子叶片一体成型在转子轮盘上，按照功能沿径向可分为叶尖、叶根、轮缘、轮辐和轮毂，转子叶片在弦长方向有前缘和尾缘。整体叶盘结构可降低叶尖和叶盘的振动，提升中后级转子的性能，但转子叶片构型通常采用二维设计，并不能够充分发挥整体叶盘结构的潜能，端壁性一般，不能够很好的满足高性能压气机的使用需求。

鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。

发明内容

本申请的目的是提供一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。

本申请的技术方案是：

一方面提供一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片，包括：

转子叶片前缘自上而下依次为平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3；

平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3分别占转子叶片径向高度的范围为0-50％、50％-80％、80％-100％；

转子叶片前缘自上而下依次为后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3；

后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3分别占转子叶片径向高度的范围为0-70％、70％-80％、80％-100％；

转子叶片径向高度0-10％范围内设置二面角由+4°逐渐减小为0°，在径向高度70％-100％范围内设置二面角由0°逐渐增大为+10°。

根据本申请的至少一个实施例，上述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片中，转子叶片前缘、尾缘叶尖掠角在-20°～-40°范围内，尾缘叶根和叶中位置的掠角控制在+10°。

根据本申请的至少一个实施例，上述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片中，转子叶片掠角β、二面角α为：

γ＝arctan(Vy/Vx)；

其中，

是子午面角，μ是局部轴向倾斜角，η是局部切向倾斜角，γ是柱面气流角；

Vx、Vy、Vz是流线速度V在X、Y、Z方向的分量。

根据本申请的至少一个实施例，上述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片中，转子叶片的叶尖区域具有变切向角，切向角范围在0°～60°之间。

根据本申请的至少一个实施例，上述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片中，转子叶片的切向角自前缘向后缘方向逐渐增大。

另一方面提供一种航空发动机压气机中后级整体盘结构，其上转子叶片采用任一上述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片。

提供一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构，依托于整体叶盘结构，进行三维构型设计，以整体叶盘为基础，进行弯掠分区的设计，在叶尖和叶根位置，进行三维复合造型设计，在前尾缘的前掠区进行二面角设计，在中后级转子中应用，可提升压气机的端壁性能，可以有效控制气流弯折，提升压气机性能，为下一代高性能压气机提供技术储备，并提供三维构型的关键参数掠角和二面角设计的计算方法，可为高性能高压比压气机提供设计依据。

附图说明

图1是本申请实施例提供的转子叶片上掠形分布的示意图；

图2是本申请实施例提供的转子叶片上掠形及其二面角分布曲线；

图3是本申请实施例提供的转子叶片二维造型的示意图；

图4是本申请实施例提供的转子叶片三维造型的示意图；

图5是本申请实施例提供的转子叶片午面投影视图下，流线型面的子午面角和局部轴向倾斜角示意图；

图6是本申请实施例提供的转子叶片上切向角设计的示意图；

图7是图6的J1-J1向局部剖视图；

图8是图6的J2-J2向局部剖视图；

图9是图6的J3-J3向局部剖视图。

为了更好说明本实施例，附图某些内容会有省略、放大或缩小，仅用于示例性说明，不能理解为对本申请的限制。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“包括”指出现在该词前面的概念涵盖出现在该词后面列举的概念及其等同，而不排除其他关联概念。

此外，本申请描述中所使用的表示方位的词语，仅用以表示相对的方向或者位置关系，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

压气机转子叶片由叶型集叠构成，叶型由前后正对的压力面、吸收面构成，弦长从前缘至尾缘，径向高度由叶根延伸至叶尖。以整体叶盘为基础，对中后级转子叶片进行设计，以“掠形”配合“二面角”的组合叶形结构，可以有效降低激波和叶尖损失，提升压气机的端壁性能，提升压气机的流量和效率，充分挖掘整体叶盘结构的潜能，满足高性能压气机的使用需求，基于此，本申请实施例提供一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片及其整体叶盘结构。

压气机的转子掠形耦合设计，是典型的三维构型的设计，将转子叶片前尾缘掠形分开，对比转子叶片的二维构型设计，可产生较大的气流弯折，提升压气机性能。

转子叶片前缘自上而下依次为平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3，分别占径向高度的范围为0-50％、50％-80％、80％-100％。

转子叶片前缘自上而下依次为后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3，分别占径向高度的范围为0-70％、70％-80％、80％-100％。

转子叶片上掠形分布如图1所示，掠型主要集中在转子叶片前缘的叶中、叶尖区域，以及尾缘的叶尖区域。前掠角度为-，后掠角度为+，转子叶片前缘、尾缘叶尖掠角主要控制在-20°～-40°，尾缘叶根和叶中位置的掠角控制在+10°，前缘叶根和叶中位置的为平直过渡区，如图2所示。

二面角可用于降低叶尖作用损失、气动损失，以及二次流损失及槽道内激波，在掠型的基础上，增加二面角特征，可进一步显著提升转子叶片的气动性能。

二面角弯折区可主要设计集中在后掠区B1、前掠区B3区间内，二面角在0°～+10°之间，叶中位置为非弯折区，在径向高度0-10％范围内二面角由+4°逐渐减小为0°，在径向高度70％-100％范围内二面角由0°逐渐增大为+10°，如图2所示。

转子叶片的掠形及叶形二面角对压气机性能及稳定性影响很大，前尾缘的复合掠形根据压气机的性能和稳定形来确定。前缘气动二面角是关于流线面来定义的。转子叶片二维造型如图3所示，三维造型如图4所示，午面投影视图下，流线型面的子午面角和局部轴向倾斜角如图5所示。f1是叶尖，f2是叶形，f3是叶根，LE是前缘，TR是尾缘，AK是流线型面，CE是叶片集叠轴，G点是子午面与f2的交点，t1是过G点与f 2的切线，X轴是发动机轴线方向，Z轴是径向正上方，XZ平面为发动机的子午面。

其中，

β是掠角，α是二面角；

是子午面角，μ是局部轴向倾斜角，η是局部切向倾斜角，γ是柱面气流角。

γ＝arctan(Vy/Vx)；

其中，

Vx、Vy、Vz是流线速度V在X、Y、Z方向的分量，初始速度V0对应于前缘位置。

上述实施例公开的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，依托于整体叶盘结构，进行三维构型设计，以整体叶盘为基础，进行弯掠分区的设计，在叶尖和叶根位置，进行三维复合造型设计，在前尾缘的前掠区进行二面角设计，在中后级转子中应用，可提升压气机的端壁性能，可以有效控制气流弯折，提升压气机性能，为下一代高性能压气机提供技术储备，并提供三维构型的关键参数掠角和二面角设计的计算方法，可为高性能高压比压气机提供设计依据。

为了进一步提高压气机中、后区的气动/端壁性能，可在转子叶片的叶尖区域增加变切向角，将叶尖在周向进行弯折，弯折的切向角范围在0°～60°之间，如图6-9所示，η-11为靠近前缘非弯折区切向角，η-21为靠近前缘周向弯折的切向角，η-12为靠近叶中非弯折区切向角，η-22为靠近叶中周向弯折的切向角，η-13为靠近尾缘非弯折区切向角，η-23为靠近尾缘周向弯折的切向角，切向角可具体限定在10°～25°范围内，自前缘向后缘方向逐渐增大。

上述实施例公开的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，考虑切向角变化对转子叶片构型和气动的影响，在整个弦长范围内进行变“切向角”设计，形成对转子叶片的掠形+二面角+变切向角的构型设计，可充分发掘出整体叶盘结构的潜力，以达到最佳的气动性能，降低激波和叶尖损失，提升端壁性能叶尖间隙损失。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种叶尖弯角变化的压气机转子叶片，其特征在于，包括：

转子叶片前缘自上而下依次为平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3；

平直过渡区A1、前掠区A2、前掠区A3分别占转子叶片径向高度的范围为0-50％、50％-80％、80％-100％；

转子叶片前缘自上而下依次为后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3；

后掠区B1、转折过渡区B2、前掠区B3分别占转子叶片径向高度的范围为0-70％、70％-80％、80％-100％；

转子叶片径向高度0-10％范围内设置二面角由+4°逐渐减小为0°，在径向高度70％-100％范围内设置二面角由0°逐渐增大为+10°。

2.根据权利要求1所述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，其特征在于，

转子叶片前缘、尾缘叶尖掠角在-20°～-40°范围内，尾缘叶根和叶中位置的掠角控制在+10°。

3.根据权利要求2所述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，其特征在于，

转子叶片掠角β、二面角α为：

γ＝arctan(Vy/Vx)；

其中，

是子午面角，μ是局部轴向倾斜角，η是局部切向倾斜角，γ是柱面气流角；

Vx、Vy、Vz是流线速度V在X、Y、Z方向的分量。

4.根据权利要求3所述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，其特征在于，

转子叶片的叶尖区域具有变切向角，切向角范围在0°～60°之间。

5.根据权利要求4所述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片，其特征在于，

转子叶片的切向角自前缘向后缘方向逐渐增大。

6.一种航空发动机压气机中后级整体盘结构，其特征在于，其上转子叶片采用权利要求5所述的叶尖弯角变化的压气机转子叶片。