压气机转子动叶、压气机及用于对压气机转子动叶仿形的方法

摘要

本发明涉及一种用于轴流式压气机的压气机转子动叶，压气机转子动叶具有动叶轮廓，动叶轮廓具有跨音速部以及动叶轮廓的轮廓部(21)，轮廓部(21)在跨音速部中延伸并且在轮廓部的吸力侧(5)上具有凹吸力侧区(10)和凸吸力侧区(11)，凸吸力侧区被布置在凹吸力侧区(10)的下游，并且在轮廓部的压力侧(4)上，轮廓部具有凸压力侧区(14)和凹压力侧区(13)，凹压力侧区(13)被布置在凸压力侧区(14)的下游，其中轮廓部(21)的压力侧(4)上的曲率变化趋势(27)和轮廓部(21)的吸力侧(5)上的曲率变化趋势(28)均以连续方式施加在轮廓部(21)的轮廓翼弦(22)上，曲率变化趋势(27、28)各自的最小值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦(22)的长度的10％，并且曲率变化趋势(27、28)各自的最大值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦(22)的长度的10％。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压气机转子动叶并且涉及一种用于对压气机转子动叶仿形的方法。

背景技术

轴向设计的压气机具有至少一个转子动叶环，该至少一个转子动叶环具有多个压气机转子动叶，以用于压缩工作介质。压气机转子动叶具有径向内亚音速部，在该径向内亚音速部中，通过工作介质流的偏移来进行压缩。压气机转子动叶还具有跨音速部，在该跨音速部中，主要通过压缩冲击来进行压缩，在这种情况下，工作介质从超音速减速到亚音速。

在跨音速部中，工作介质流的损耗例如会发生在压缩冲击中，并且会由于压气机转子动叶上在压缩冲击区域中的边界层的脱离而发生。该损耗导致压气机的效率降低。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种压气机转子动叶、具有压气机转子动叶的压气机以及用于对压气机转子动叶仿形的方法，从而提高具有压气机转子动叶的压气机的效率。

根据本发明的压气机转子动叶具有动叶轮廓，该压气机转子动叶用于轴向设计的压气机，该动叶轮廓具有跨音速部以及动叶轮廓的轮廓部，该轮廓部在跨音速部中延伸，并且在轮廓部的吸力侧具有凹吸力侧区和被布置在凹吸力侧区的下游的凸吸力侧区，并且在轮廓部的压力侧上具有凸压力侧区和被布置在凸压力侧区的下游的凹压力侧区，在轮廓部的轮廓翼弦上被分别绘制的轮廓部的压力侧上的曲率变化趋势和轮廓部的吸力侧上的曲率变化趋势是连续的，这些曲率变化趋势各自的最小值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦长度的10％，并且这些曲率变化趋势各自的最大值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦长度的10％，这些最小值与轮廓翼弦的长度的乘积为从-1.2到-0.5，并且这些最大值与轮廓翼弦的长度的乘积为从1.5到4。

根据本发明的用于对轴向设计的压气机的压气机转子动叶仿形的方法，压气机用于压缩工作介质，压气机具有转子动叶排，该转子动叶排具有压气机转子动叶，该压气机转子动叶包括具有跨音速部的动叶轮廓，该方法包括以下步骤：提供动叶轮廓的几何模型，该动叶轮廓具有在跨音速部中延伸的轮廓部，并且转子动叶排被以如下方式设置，使得在压气机的标称工况下开始压缩冲击，工作介质在压缩冲击处从超音速减速到亚音速；为在标称工况下出现的并且围绕动叶流动的流确定边界条件；以下述方式改变轮廓部，使得吸力侧具有凹吸力侧区和被布置在凹吸力侧区的下游的凸吸力侧区，并且在轮廓部的压力侧上具有凸压力侧区和被布置在凸压力侧区的下游的凹压力侧区，在轮廓部的轮廓翼弦上被分别绘制的轮廓部的压力侧上的曲率变化趋势和轮廓部的吸力侧上的曲率变化趋势是连续的，曲率变化趋势各自的最小值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦长度的10％，并且多个曲率变化趋势各自的最大值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦长度的10％，最小值与轮廓翼弦的长度的乘积为从-1.2到-0.5，并且最大值与轮廓翼弦的长度的乘积为从1.5到4，凸吸力侧区被至少部分布置在压缩冲击的上游，该压缩冲击由在边界条件下在压气机中开始的流呈现，由此该压缩冲击以与轮廓翼弦的长度相关的方式而被布置在被如下的流所呈现的压缩冲击的下游，该流将会在轮廓部被改变之前的几何模型的情况下并且在标称工况下开始。

已经发现，与具有常规压气机转子动叶的压气机相比，在至少相同的操作范围内，具有根据本发明的压气机转子动叶、和/或具有通过根据本发明的方法仿形的压气机转子动叶的压气机效率更高。此外，与常规压气机转子动叶的吸力侧上的马赫数相比，根据本发明的压气机转子动叶的吸力侧上在压缩冲击的上游的马赫数更低。这样，与常规压气机转子动叶相比，根据本发明的压气机转子动叶的吸力侧上的流更不容易发生脱离。此外，与常规压气机转子动叶相比，根据本发明的压气机转子动叶可以被构造为具有更短的轮廓翼弦，而不会因此牺牲效率或者缩小可接受的工作范围。

优选的是，曲率变化趋势与轮廓翼弦的长度的乘积在凸吸力侧区中具有从2到4的最大值，并且曲率变化趋势与轮廓翼弦的长度的乘积在凹压力侧区中具有从1.5到2.5的最大值。

优选的是，在垂直投影到轮廓部的轮廓翼弦上的情况下，凹吸力侧区的具有最小曲率的点限定轮廓翼弦上的一个投影点，该投影点与轮廓部的前缘相隔轮廓翼弦的长度的40％到80％，尤其是60％到75％。优选的是，在垂直投影到轮廓部的轮廓翼弦上的情况下，凸吸力侧区的具有最大曲率的点限定轮廓翼弦上的一个投影点，该投影点与轮廓部的前缘相隔轮廓翼弦的长度的70％到95％，尤其是80％到90％。通过上述措施中的任一措施，可以进一步提高压气机的效率。

优选的是，在轮廓部的所有点处，轮廓部垂直于轮廓翼弦的厚度均小于轮廓翼弦的长度的2.5％。

根据本发明的用于压缩工作介质的压气机具有转子动叶排，该转子动叶排具有压气机转子动叶，转子动叶排被以如下方式设置，使得在压气机的标称工况下，在压缩冲击的上游以及在由两个相邻压气机转子动叶限定的流量通道的上游进行工作介质的预压缩，工作介质在压缩冲击的上游处从超音速减速到亚音速。

优选的是，轮廓部位于柱面上，该柱面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部位于锥面上，该锥面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部位于压气机的S₁流表面上或者轮廓部位于压气机的切向平面中。S₁流表面沿轴流式机器的圆周方向以及轴向方向延伸，并且该S₁流表面描述了遵循理想化流的表面。

当改变轮廓部时，优选使轮廓部的中弧线移位，尤其是仅使中弧线移位。在转子动叶环中，这可以有利地实现相邻布置的两个压气机转子动叶之间的通道的宽度保持不变。优选的是，在改变轮廓部之前，几何模型在轮廓部的压力侧仅为凹形构造和/或在轮廓部的吸力侧仅为凸形构造。

优选的是，以下述方式改变轮廓部，使得曲率的变化趋势在凸吸力侧区中具有最大值，该最大值大于常规压气机转子动叶的对应区域中曲率的变化趋势的最大值。优选的是，以下述方式改变轮廓部，使得曲率的变化趋势与轮廓翼弦的长度的乘积在凸吸力侧区具有从2到4的最大值，并且曲率的变化趋势与轮廓翼弦的长度的乘积在凹压力侧区具有从1.5到2.5的最大值。优选的是，转子动叶排被以如下方式设计，使得在标称工况下，转子动叶排的最大等熵马赫数为1.4，尤其是至多1.3。优选的是，以下述方式改变轮廓部，使得在垂直投影到轮廓部的轮廓翼弦上的情况下，凹吸力侧区的具有最小曲率的点限定轮廓翼弦上的一个投影点，该投影点与轮廓部的前缘相隔轮廓翼弦的长度的40％到80％。通过上述措施中的任一措施，可以进一步提高压气机的效率。

附图说明

在下文中，将使用附图和通过计算确定的数据来更详细地描述本发明。在附图中：

图1示出根据本发明的压气机转子动叶，其具有通过计算确定的流场，

图2示出常规压气机转子动叶以及根据本发明的压气机转子动叶上的马赫数变化趋势，

图3示出根据本发明的压气机转子动叶的轮廓部，

图4示出根据本发明的压气机转子动叶上的曲率变化趋势，以及

图5示出具有标准长度轮廓翼弦的图2所示马赫数变化趋势。

具体实施方式

如图1和图3所示，用于轴向设计的压气机的压气机转子动叶1包括动叶轮廓。动叶轮廓具有径向内亚音速和径向外跨音速部，图1和图3中仅示出跨音速部。动叶轮廓具有轮廓部21，轮廓部21在跨音速部中延伸。例如，轮廓部21位于柱面上，该柱面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部21位于锥面上，该锥面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部21位于压气机的S₁流表面上；或者轮廓部21位于压气机的切向平面中。

轮廓部21包括前缘2、后缘3、压力侧4和吸力侧5。在图3中示出了轮廓翼弦22，而且，轮廓翼弦22作为直线从前缘2一直延伸到后缘3。此外，图3示出从前缘2一直延伸到后缘3的中弧线23，并且在垂直于轮廓翼弦22的方向上，中弧线23总是位于压力侧4与吸力侧5的中央。

图1示出在压气机中流动的工作介质在压气机的区域中的二维流量分布。图1示出具有压气机转子动叶1的转子动叶排15、在转子动叶排15下游的导向动叶排16以及在转子动叶排15上游的导向动叶排17。在轮廓部21的吸力侧5，轮廓部21包括凹吸力侧区10，凹吸力侧区10被至少部分地布置在压缩冲击18的上游，该压缩冲击18在压气机的标称工况下由压气机中开始的流呈现。在图1中，压缩冲击18被布置在马赫数从大于1降至小于1的流的这些区域中。而且，

图1示出了在压气机的标称工况下，在压缩冲击18的上游以及由两个相邻压气机转子动叶1限定的流量通道的上游进行工作介质的预压缩。

由于凹吸力侧区的存在，压缩冲击18以与轮廓翼弦22的长度相关的方式而被布置在被如下的流所呈现的压缩冲击的下游，该流由将会在常规压气机转子动叶的情况下并且在标称工况下开始，该常规压气机转子动叶与压气机转子动叶1的区别可以在于：常规压气机转子动叶在吸力侧5仅具有凸形构造。

图2示出压气机转子动叶1与常规压气机转子动叶上的马赫数变化趋势的对比。轮廓部21的轮廓翼弦22上的点被绘制在横轴19上，并且马赫数被绘制在纵轴20上。标记6表示常规压气机转子动叶的压力侧的马赫数变化趋势，标记7表示常规压气机转子动叶的吸入侧的马赫数变化趋势，标记8表示压气机转子动叶1的压力侧4的马赫数变化趋势，并且标记9表示压气机转子动叶1的吸力侧5的马赫数变化趋势。

图5示出来自图2的相对于轮廓翼弦22的长度的马赫数变化趋势。为此，压气机转子动叶1的马赫数变化趋势已经被缩放，以使得压气机转子动叶1的前缘2和后缘3与常规压气机转子动叶的前缘和后缘重合。

从图2可以看出，与常规压气机转子动叶吸力侧上紧靠压缩冲击的上游的马赫数变化趋势7相比，压气机转子动叶1的吸力侧5上紧靠压缩冲击18的上游的马赫数变化趋势9具有较低的超音速马赫数。与常规压气机转子动叶相比，该较低的超音速马赫数沿轮廓翼弦22被保持在更长的范围上。压缩冲击18的上游的较低超音速马赫数可以降低损耗。由于超音速马赫数在较长范围内得以保持，与压力侧4和吸力侧5上的马赫数之差相关联的整个轮廓负载在压缩冲击18的下游的亚音速区相对较高，这与常规压气机转子动叶的情况一样。此外，从图1可以看出，压缩冲击18被倾斜地布置，这意味着压缩冲击18随着与吸力侧5的间隔增加而向下游移动。这同样可以降低损耗。此外，从图2可以看出，压气机转子动叶1在压缩冲击18的下游的轮廓负载显著高于常规压气机转子动叶的情况。由于亚音速区中损耗降低且轮廓负载更高，相比于常规压气机转子动叶，压气机转子动叶1可以实现更高的效率。由于效率更高，压气机转子动叶1(如图2所示)可以具有比常规压气机转子动叶更短的构造，由此可以降低由于工作介质在压气机转子动叶1上的摩擦而引起的损耗。

图4示出沿压力侧4的曲率变化趋势27以及沿吸力侧5的曲率变化趋势28。这两个曲率变化趋势27、28均是连续的。轮廓翼弦22的长度被绘制在横轴25上，并且曲率k与轮廓翼弦22的长度的乘积被绘制在纵轴26上。曲率k被定义为：

其中，Δs是圆弧的长度，并且Δα是圆弧的端点处的切线之间的差角。

凹吸力侧区和凸压力侧区通过曲率前加负号来区分。凸吸力侧区和凹压力侧区通过曲率前加正号来区分。

在凹吸力侧区10中，曲率的变化趋势与轮廓翼弦22的长度的乘积的最小值为从-1.2到-0.5。在轮廓部21的吸力侧5，轮廓部21具有第一凸吸力侧区11，第一凸吸力侧区11被布置在凹吸力侧区10的下游。在轮廓部21的吸力侧5，轮廓部21具有第二凸吸力侧区12，第二凸吸力侧区12被布置在凹吸力侧区10的上游。在凸吸力侧区11中，曲率的变化趋势具有最大值，该最大值大于常规压气机转子动叶的对应区域中曲率的变化趋势的最大值；特别地，在凸吸力侧区11中，曲率的变化趋势与轮廓翼弦22的长度的乘积的最大值为从2到4。

在垂直投影到轮廓部21的轮廓翼弦22上的情况下，凹吸力侧区10的具有最小曲率的点限定该轮廓翼弦22上的一个投影点24，该投影点24与轮廓部21的前缘相隔轮廓翼弦22的长度的40％到80％。在垂直投影到轮廓部21的轮廓翼弦22上的情况下，凸吸力侧区11的具有最大曲率的点限定轮廓翼弦22上的一个投影点24，该投影点24与轮廓部21的前缘相隔轮廓翼弦22的长度的80％到100％。在轮廓部21的压力侧4，轮廓部21具有凸压力侧区14，凸压力侧区14被布置在与凹吸力侧区10相对布置的区域中。

例如，压气机转子动叶1被以如下方式仿形：提供动叶轮廓的几何模型，动叶轮廓包括轮廓部21以及转子动叶排15，轮廓部21在跨音速部中延伸并且位于旋转面上，该旋转面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部21位于锥面上，该锥面的轴线与压气机的轴线重合；或者轮廓部21位于压气机的S₁流表面上；或者轮廓部21位于压气机的切相平面中，转子动叶排15被以如下方式设置，使得在压气机的标称工况下开始压缩冲击18，工作介质在压缩冲击18处从超音速减速到亚音速；-为在标称工况下出现的并且围绕动叶14、15流动的流确定边界条件；-以下述方式改变轮廓部21，使得仅使中弧线移位，并且吸力侧5具有凹吸力侧区10和被布置在凹吸力侧10区下游的凸吸力侧区11，并且在轮廓部21的压力侧4具有凸压力侧区14和被布置在凸压力侧区14下游的凹压力侧区13，在轮廓部21的轮廓翼弦22上被分别绘制的轮廓部21的压力侧4上的曲率变化趋势27和轮廓部21的吸力侧5上的曲率变化趋势28是连续的，曲率变化趋势27、28各自的最小值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦22的长度的10％，并且曲率变化趋势27、28各自的最大值的位置相互之间的差异不超过轮廓翼弦22的长度的10％，这些最小值与轮廓翼弦(22)的长度的乘积为从-1.2到-0.5，并且这些最大值与轮廓翼弦22的长度的乘积为从1.5到4，凸吸力侧区11被至少部分地布置在压缩冲击18的上游，该压缩冲击18由在边界条件下在压气机中开始的流呈现，并且由此压缩冲击18被以与轮廓翼弦22的长度相关的方式而被布置在被如下的流所呈现的压缩冲击的下游，该流会在轮廓部被改变之前的几何模型的情况下并且在标称工况下开始。

可以通过计算，尤其是通过有限体积法，或者通过实验来确定压缩冲击18是否因轮廓部的改变而向下游移位。

虽然已经通过优选示例性实施例更清楚地说明了本发明并进行了详细描述，但是，本发明不限于所公开的实例，并且本领域技术人员可以在不偏离本发明保护范围的情况下从中得出其它变型。