本發(fā)明涉及航空發(fā)動機，公開了具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片及其設計方法與應用。

背景技術：

1、隨著科技的進步，航空發(fā)動機的設計與制造不斷向高推力、低油耗、低排放、長壽命和低成本的方向發(fā)展。在追求高性能航空發(fā)動機的過程中，軸流壓氣機作為發(fā)動機前端的關鍵組件，起到了不可或缺的作用。它負責將進入發(fā)動機的大量空氣壓縮至高溫高壓狀態(tài)，為后續(xù)燃燒過程提供必要的條件，并最終推動渦輪旋轉產生推力。因此，軸流壓氣機的工作效率直接影響到整個發(fā)動機的熱效率、燃油消耗率以及排放特性。

2、關于軸流壓氣機的氣動設計，核心在于更高的單級壓比和氣動效率以及更大的綜合喘振裕度，只有不斷地提升壓氣機的氣動設計技術，才能滿足航空發(fā)動機的發(fā)展對壓氣機氣動性能提出的需求。

3、軸流壓氣機在單級負荷較高時，內部會存在很大的逆壓梯度，氣體流動很容易分離，產生氣動損失，造成壓氣機效率下降。同時，單級增壓比高需要較高的線速度才能實現(xiàn)，此時，葉片進口葉尖區(qū)域處于超音速區(qū)，會產生激波，激波與氣流附面層相互干擾也會造成很大的損失。在結構方面，線速度高還會造成轉子葉片根部應力過大，對強度不太有好。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片及其設計方法與應用，能夠削弱葉片進口葉尖區(qū)域的激波強度，以改善氣體流動，并減小二次流損失，進而提升軸流壓氣機的效率和穩(wěn)定工作范圍。

2、為了實現(xiàn)上述技術效果，本發(fā)明采用的技術方案是：

3、具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片，所述轉子葉片軸向積疊曲線在子午面的投影包括從所述轉子葉片葉根到葉尖依次分布的第一圓弧段、第二曲線段和第三圓弧段，所述第一圓弧段的起點位于所述轉子葉片的葉根截面，所述第三圓弧段的終點位于所述轉子葉片的葉尖截面；所述第一圓弧段向所述轉子葉片出口方向彎曲，第三圓弧段向所述轉子葉片進口方向彎曲，所述第二曲線段位于第一圓弧段、第三圓弧段之間，且所述第二曲線段用于平滑連接第一圓弧段和第三圓弧段。

4、進一步地，第一圓弧段與第二曲線段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的25％～35％，第二曲線段與第三圓弧段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的50％～70％。

5、進一步地，所述第一圓弧段的曲率半徑小于第三圓弧段的曲率半徑，第一圓弧段在轉子輪轂外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為0°～5°，第三圓弧段在機匣外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為45°～90°。

6、進一步地，所述轉子葉片的葉根前緣與軸流壓氣機相鄰級靜子葉片之間的距離大于等于5mm且小于等于10mm。

7、為實現(xiàn)上述技術效果，本發(fā)明還提供了具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法，包括：

8、根據(jù)流線曲率法進行軸流壓氣機轉子葉片s2流面求解，得到軸流壓氣機轉子葉片沿葉高方向的氣動參數(shù)分布；

9、根據(jù)所述氣動參數(shù)分布，以及所述轉子葉片設計要求的葉片進口攻角、出口落后角、展弦比、稠度、厚度分布、積疊形式分析獲得所述轉子葉片初始模型；

10、沿所述初始模型的展向添加若干個基元葉型截面，使所述轉子葉片軸向積疊曲線在子午面的投影包括從所述轉子葉片葉根到葉尖依次分布的第一圓弧段、第二曲線段和第三圓弧段，生成三維葉型；其中，所述第一圓弧段的起點位于所述轉子葉片的葉根截面，所述第三圓弧段的終點位于所述轉子葉片的葉尖截面；所述第一圓弧段向所述轉子葉片出口方向彎曲，第三圓弧段向所述轉子葉片進口方向彎曲，第二曲線段兩端分別與第一圓弧段、第三圓弧段相切。

11、進一步地，第一圓弧段與第二曲線段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的25％～35％，第二曲線段與第三圓弧段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的50％～70％。

12、進一步地，所述第一圓弧段的曲率半徑小于第三圓弧段的曲率半徑，第一圓弧段在轉子輪轂外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為0°～5°，第三圓弧段在機匣外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為45°～90°。

13、進一步地，所述轉子葉片的葉根前緣與軸流壓氣機相鄰級靜子葉片之間的距離大于等于5mm且小于等于10mm。

14、為實現(xiàn)上述技術效果，本發(fā)明還提供了應用所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法獲得的軸流壓氣機。

15、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具備的有益效果是：本發(fā)明能夠增強轉子葉片對超音速氣流的適應性，削弱轉子葉片進口葉尖區(qū)域的激波強度，以改善氣體流動，并減小二次流損失，實現(xiàn)進氣葉尖部分氣動損失的主動控制與削弱，進而提升軸流壓氣機的氣動性能以及綜合喘振裕度。

技術特征：

1.具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片，其特征在于，所述轉子葉片軸向積疊曲線在子午面的投影包括從所述轉子葉片葉根到葉尖依次分布的第一圓弧段、第二曲線段和第三圓弧段，所述第一圓弧段的起點位于所述轉子葉片的葉根截面，所述第三圓弧段的終點位于所述轉子葉片的葉尖截面；所述第一圓弧段向所述轉子葉片出口方向彎曲，第三圓弧段向所述轉子葉片進口方向彎曲，所述第二曲線段位于第一圓弧段、第三圓弧段之間，且所述第二曲線段用于平滑連接第一圓弧段和第三圓弧段。

2.根據(jù)權利要求1所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片，其特征在于，第一圓弧段與第二曲線段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的25％～35％，第二曲線段與第三圓弧段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的50％～70％。

3.根據(jù)權利要求2所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片，其特征在于，所述第一圓弧段的曲率半徑小于第三圓弧段的曲率半徑，第一圓弧段在轉子輪轂外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為0°～5°，第三圓弧段在機匣外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為45°～90°。

4.根據(jù)權利要求1所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片，其特征在于，所述轉子葉片的葉根前緣與軸流壓氣機相鄰級靜子葉片之間的距離大于等于5mm且小于等于10mm。

5.具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法，其特征在于，第一圓弧段與第二曲線段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的25％～35％，第二曲線段與第三圓弧段的交點所在的葉型截面到轉子輪轂的距離為所述轉子葉片展向長度的50％～70％。

7.根據(jù)權利要求5所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法，其特征在于，所述第一圓弧段的曲率半徑小于第三圓弧段的曲率半徑，第一圓弧段在轉子輪轂外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為0°～5°，第三圓弧段在機匣外的切向延長線與對應轉子葉片徑向方向的夾角為45°～90°。

8.根據(jù)權利要求5所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法，其特征在于，所述轉子葉片的葉根前緣與軸流壓氣機相鄰級靜子葉片之間的距離大于等于5mm且小于等于10mm。

9.應用權利要求5-8中任意一項所述的具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片設計方法獲得的軸流壓氣機。

技術總結
本發(fā)明涉及航空發(fā)動機技術領域，公開了具有前掠特征的軸流壓氣機轉子葉片及其設計方法與應用，轉子葉片軸向積疊曲線在子午面的投影包括從轉子葉片葉根到葉尖依次分布的第一圓弧段、第二曲線段和第三圓弧段；第一圓弧段向轉子葉片出口方向彎曲，第三圓弧段向轉子葉片進口方向彎曲。本發(fā)明通過對軸流壓氣機進口轉子葉片的特殊掠型設計，實現(xiàn)軸流轉子葉片進口前緣的前掠特征，增強轉子葉片對超音速氣流的適應性，削弱轉子葉片進口葉尖區(qū)域的激波強度，以改善氣體流動，并減小二次流損失，進而提升壓氣機的氣動性能以及綜合喘振裕度，且能優(yōu)化葉片吸力面和壓力面的葉根應力分布，確保葉根部分的應力不會額外增大。

技術研發(fā)人員：楊旭,何家祥,李茂義
受保護的技術使用者：清航空天（北京）科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15