CN101050771A - 一种利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，根据叶片型面几何参数用计算流体力学方法计算叶栅流场，得出叶背马赫数分布曲线，并根据此曲线确定吸力峰位置；根据叶片型面几何参数计算叶栅流场，得出叶背分离区起始位置；根据叶片型面处理叶片型面，将叶片吸力面部分型面削薄一层；在叶背吸力峰位置布置吹气截面；根据理论和数值研究结果选取吹气口宽度；在叶背分离区起始位置布置吸气截面；根据理论和数值研究结果选取吸气口宽度；抽出的气体经增压装置增压后从吹气口吹出；根据理论和数值研究结果确定吹气量和吸气量。本发明利用叶片表面吹吸气组合来控制叶片表面边界层，减弱了因叶片弯度过大产生的叶片吸力面气流的分离区，从而较大程度的提高叶片的负荷和减小损失系数。
Description
技术领域
本发明涉及在现代航空发动机中的高负荷风扇、压气机叶片的设计，特别是一种提高压气机叶栅负荷的方法。
背景技术
高性能航空发动机对压缩系统的要求是增压比不断提高、尺寸和重量不断减小，要实现这一点，必须设计出单级增压比越来越高、负荷越来越大的风扇和压气机。目前，提高风扇和压气机单级压比的方法主要有两类：第一类是利用先进的计算流体力学技术精细的组织风扇和压气机叶片通道内部流动，采用弯掠组合技术控制激波的形态和强度，从而实现高负荷的风扇和压气机设计，此类方法在过去二十年中使航空风扇和压气机的性能得到了很大的提升，但它没有解决风扇和压气机叶片吸力面边界层在强逆压梯度情况下易发生严重分离的问题，因此靠此类方法提升风扇和压气机性能的潜力已不大。
第二类方法是采用新型流动控制技术控制附面层流动，减小或消除压气机叶片吸力面边界层分离，实现高负荷压气机和风扇设计。流动控制方法主要是在外流环境中发展起来的，在如机翼边界层分离的控制中得到了较为广泛的应用。典型的方法主要包括：叶片表面抽气或吸气来控制附面层，前尾缘切向吹气吸气来控制环量，多段翼型，射流以及等离子体控制方法等。
叶片表面抽气或吸气来控制附面层方法的主要思路是通过抽吸叶片表面边界层内的低速流体或者往边界层内注入高能流体来使附面层减薄或改变剖面速度发布，从而提高附面层抗分离的能力。这种方法近年来成为国内外研究的热点问题之一。Schuler B.J.等人的“Experimental Investigation ofa Transonic Aspirated Compressor，Journal of Turbomachinery，”Transactions of ASME，April 2005，Page 340-348，Vol.127的研究表明在一个叶尖马赫数为0.7、压比为1.6的单级风扇的转子和静子吸力面、转子叶尖和静子叶根处采用吸气法进行流动控制的数值模拟与实验研究结果是在转子和静子叶片上吸气量各为1％，总吸气量为4.7％时，转子的效率可以达到96％，整级效率达到90％。Merchant等人的Merchant A.A.，Drela M.，Kerrebrock J.L.，et al，“Design and Analysis of a High Pressure RatioAspirated Compressor Stage，”ASME Paper 2000-GT-619，ASME IGTIConference研究得到了单级压气机采用在转子和静子吸力面吸除来流流量的4％，在轮毂机匣处吸除来流流量的3％可以实现级压比为3.4时总效率达到86％的结果。
国内也有一些单位开展了这方面的研究，陈浮等人的“BLS对压气机叶栅稠度特性影响之一：吸气量及位置变化，”中国工程热物理学会，热机气动热力学，2004.中对某一中等稠度的压气机在不同的位置采用吸气方法进行流动控制找到了确定最佳吸气位置的判定原则，并且对不同稠度的情况做了比较，结果显示低稠度下的总压损失系数更小。
综上所述，目前在风扇和压气机流动控制中，仍然采取单纯吹气或者吸气的流动控制方法，这种方法的缺点是抽气或吸气要靠复杂执行机构完成而且抽出的气体无法利用，使得流量减小，不能提高叶片的负荷和减小损失系数。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用叶片表面吹吸气组合来控制叶片表面边界层，减弱甚至消除因叶片弯度过大产生的叶片吸力面气流的分离区，从而较大程度的提高叶片的负荷和减小损失系数，实现提高压气机叶栅负荷的方法。
本发明的技术解决方案：利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特点在于步骤如下：
(1)根据叶片型面几何参数，如叶栅稠度、叶型弯角和叶片弦长等，采用计算流体力学方法计算叶栅流场，得出叶背马赫数分布曲线，根据此曲线确定叶背吸力峰位置点A，即马赫数最高点；
(2)根据叶片型面几何参数，计算叶栅流场，得出叶背分离区起始位置点B；
(3)根据叶片型面处理叶片型面，将叶片吸力面部分型面，即叶背吸力峰位置A和叶背分离区起始位置点B之间的型面削薄一层，形成新的型面AA’B’B；
(4)在叶背吸力峰位置线段AA’处布置吹气截面；
(5)在叶背分离区起始位置点线段B’B处布置吸气截面；
(6)叶背分离区起始位置点B’B处吸出的气体经增压装置增压后从叶背吸力峰位置点AA’处吹出。
所述步骤(4)的吹气截面的吹气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长。
所述的步骤(5)的吸气截面的吹气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长。
所述步骤(6)的吹气量范围在总流量的1～3％，吸气量范围在总流量的1～3％。
所述步骤(2)的削薄的距离s为吹气口宽度或吸气口宽度的1-2倍。
本发明的原理：在叶背分离区起始位置(图1中B点)布置吸气截面，可将附面层内部速度低的低能流体吸除，减薄附面层，提高附面层抵抗逆压梯度的能力，延缓或消除分离的发生。在来流马赫数一定、吹气位置和吹气流量基本不变的情况下，不同的吸气位置对流场的影响很大，导致了叶栅性能参数的较大幅度的变化，吸气口存在最佳位置，该位置在流动分离点处，对于吹吸气口方向都是沿叶型切向的流动控制方法而言，对叶型进行切削处理后，吸气口与来流垂直，可以同时吸入边界层中一定厚度的低能流体，这样吸气口开口位置在分离点时，一方面能够及时的吸除主流边界层中的低能流体使得主流流体再附于壁面，另一方面也可以使得吸气口后扩压段不至过长，阻止流动再次分离。
在叶背吸力峰位置(图1中A点)布置吹气截面，可向附面层内注入高能流体，来使附面层减薄或改变剖面速度发布，从而提高附面层抗分离的能力；B点抽出的气体经增压装置增压后从A点吹出，从而实现了零流量控制，避免了采取单纯吹气或者吸气的流动控制方法面临的用来吹的气体从哪里来以及抽出的气体到哪里去的问题。
此外，在来流速度和几何形状一定(即吹气吸气位置一定)的情况下，吹气量存在着一个临界值，当吹气量小于此值时，吹气量的增大，能够使得流动控制效果明显改善，表现为静压增压比大幅提高，损失系数大幅降低；而当吹气流量达到临界值后，吹气量的增大对流动性能的改善则非常有限，叶栅加功能力已经接近其极限负荷。吸气量变化过程中，静压增压比，损失系数和扩散因子的变化幅度都很小。
本发明中吹气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长、吸气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长、吹气量在总流量的1～3％以及吸气量在总流量的1～3％这四个参数选择原则是根据大量的计算流体力学数值模拟实验结果得出的，即选取不同的上述参数作为三维粘性流场计算软件的初始和边界条件，分析比较上述参数对控制结果的影响规律，最后优化得出了上述参数选择原则。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有采用精细组织风扇和压气机叶片通道内部流动来实现高负荷的风扇和压气机设计的技术的主要缺点是没有解决叶片吸力面边界层的增长并且在强逆压梯度情况下易发生严重分离的问题，因此此类方法提升风扇和压气机叶片负荷的潜力已不大。而本发明采用吹吸气组合的方法，吸气可将附面层内部速度低的低能流体吸除，减薄附面层，提高附面层抵抗逆压梯度的能力，延缓或消除分离的发生。吹气可向附面层内注入高能流体来使附面层减薄或改变剖面速度发布，从而提高附面层抗分离的能力；因此，无论吹气还是吸气都能起到控制附面层增长，提高附面层抵抗分离能力的作用，进而实现提高叶片负荷的作用；
(2)现有采用流动控制来提高叶片负荷的方法主要是采取单纯吹气或者吸气的控制方法，这两种方法的缺点是单纯吸气要解决吸出的低能流体的去向问题，而单纯吹气要解决吹气的气源从哪里提供的问题，因为航空发动机对重量要求非常苛刻，因此采用流动控制方法带来的复杂机构(吸气或吹气的管路、气源设备等)极大地限制了方法的应用。本发明采用的方法是将吸出的气体经增压装置后再吹出，因此同时解决了低能流体的去向问题和吹气的气源问题，可实现零流量控制(即无需外界流量)，还可以大大简化吹气和吸气系统的复杂程度，避免了机构复杂带来的重量增加和故障增加问题。
附图说明
图1为本发明的叶型示意图；
图2为原始叶型示意图；
图3a、图3b为等熵马赫数分布比较图，其中图3a为基准，图3b为吹吸气组合。
具体实施方式
以NACA0012叶型为例，考虑到该叶型尾缘较薄，针对采用吹吸气组合控制边界层方法的在加工工艺等方面的要求，对该叶型中后部进行了加厚处理。中弧线采用圆弧，改型前后叶型对比示意图如图1所示，其中虚线所示为原型。叶栅稠度为0.87，叶型弯角为60度，叶片弦长为113.2mm。
(1)根据叶片型面几何参数，如叶栅稠度、叶型弯角和叶片弦长等计算叶栅流场，得出叶背马赫数分布曲线，根据此曲线确定叶背吸力峰位置，即图1中A点在8％弦长处。计算的具体过程为：采用通用的三维粘性流场计算方法及相应的计算软件，根据叶片型面几何参数和叶栅几何参数，构建叶栅及计算域的平面二维计算网格，根据叶栅工作条件设定边界条件，然后执行上述的计算软件，可以计算得到叶栅内部流场，包括计算区域内各点的压力、速度、温度等参数的分布，从计算所得到的叶栅内部流场分布结果中可提取出叶背马赫数分布曲线；
(2)根据叶片型面几何参数，计算叶栅流场，得出叶背分离区起始位置，即图1中B点为弦长的73％。计算的具体过程为：采用通用的三维粘性流场计算方法及相应的计算软件，根据叶片型面几何参数和叶栅几何参数，构建叶栅及计算域的平面二维计算网格，根据叶栅工作条件设定边界条件，然后执行上述计算软件，可以计算得到叶栅内部流场，包括计算区域内各点的压力、速度、温度等参数的分布。从计算所得到的叶栅内部流场分布结果中可提取出叶背分离区的特征数据，并得到叶背分离区起始位置；
(3)根据叶片型面处理叶片型面，将叶片吸力面部分型面，即图1中A点至B点之间削薄一层；根据大量的数值模拟实验的结果，削薄方式为A点至B点之间的叶片表面沿叶片表面法向方向向叶片内部方向平行移动一个距离s，即叶片新的表面曲线和原有表面曲线平行，二者相距一个固定距离s，形成的新叶片表面曲线由线段AA’、曲线A’B’、线段B’B(图1)组成，其中线段AA’和B’B分别垂直于A点和B点处的叶片表面。削薄的距离s为吹气口宽度或吸气口宽度的1.5倍；
(4)在步骤(1)计算出的叶背吸力峰位置，即8％弦长处布置吹气截面，吹气截面布置在线段AA’上。根据气体动力学基本流动关系式和利用步骤(1)中所述流场计算程序对不同吹气口宽度和位置的优化选型结果得出了吹气口宽度为0.96％倍弦长，位于线段AA’中间部分，即吹气口相对于线段AA’中心对称；
(5)在步骤(2)计算出的叶背分离区位置，即弦长的73％位置布置吸气截面，吸气截面布置在线段BB’上。根据气体动力学基本流动关系式和利用步骤(1)中所述流场计算程序对不同吸气口宽度和位置的优化选型结果得出了吹气口宽度为1.12％倍弦长，位于线段BB’中间部分(即吸气口相对于线段BB’中心对称；
(6)B点抽出的气体经增压装置增压后从A点吹出；
(7)利用步骤(1)中所述流场计算程序对不同吹气量影响的计算结果得出了吹气量为1.5％；
(8)利用步骤(1)中所述流场计算程序对不同吸气量影响的计算结果得出了吸气量为1.8％。
实施效果：表1性能参数比较
| 马赫数 | 静压增压比 | 气流损失系数 | 扩散因子 | 吹气量 | 吸气量 | |
| 基准 | 0.731 | 1.158 | 0.0687 | 0.524 | 0 | 0 |
| 吹吸气 | 0.729 | 1.305 | 0.0128 | 0.820 | 1.8％ | 1.5％ |
保持栅前马赫数基本不变，约为0.73，从表1中可以看到来流马赫数都在设计马赫数的±0.2％以内。从表1中可以看出，在来流速度基本相同的情况下，采取边界层吹吸气方法能够较大程度的提高叶片负荷，具体体现在叶栅静压比有较大幅度的提高，增加15％，而扩散因子最大则可提高至0.82，；同时损失系数大幅度下降，降低至原型的19％。
图3中给出了等熵马赫数的分布对比。从图3中可以看出，叶片前缘吸力峰较大，最大马赫数都接近1.4，这主要和前缘加速有关。对比全叶片表面的马赫数分布可以看到，采取流动控制后，马赫数的变化主要体现在两个方面，其一是在全弦长范围内负荷上升。吸气位置不同，压力面和吸力面压力值变化也有所差别，流动控制效果越好，叶栅的负荷水平提高的幅度愈大，负荷的提升主要得益于采取流动控制后气流能够折转的角度增大；其二是叶片吸力面马赫数分布更为合理。原型吸力面中后部马赫数几乎为水平直线，采取流动控制后，吸力面马赫数在吸力峰后逐渐减小。主要原因是原型在吸力面中后部就发生了大尺度流动分离，吸力面中后部叶栅扩压能力丧失，在采取单独吹气或者吹吸气流动控制以后，明显能够对叶栅吸力面的大尺度分离流动有较好的抑制作用，能够延缓甚至消除吸力面的大尺度分离。这一点从图3a、3b的流线图中也可以看出，原型在吸力面中后部流动已经严重分离，形成了大面积的低速区。采取吹吸气方法进行流动控制后，尽管分离区依然存在，但是分离点明显后移，低速区范围明显减小。在吸气位置位于73％弦长处时，流动控制基本达到了理想状态，低速区仅在尾缘附近存在。
Claims (6)
1、一种利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据叶片型面几何参数，采用计算流体力学方法计算叶栅流场，得出叶背马赫数分布曲线，根据此曲线确定叶背吸力峰位置点A，即马赫数最高点；
(2)根据叶片型面几何参数，计算叶栅流场，得出叶背分离区起始位置点(B)；
(3)根据叶片型面处理叶片型面，将叶片吸力面部分型面，即叶背吸力峰位置(A)和叶背分离区起始位置点B之间的型面削薄一层，形成新的型面AA’B’B；
(4)在叶背吸力峰位置点，即线段AA’处布置吹气截面；
(5)在叶背分离区起始位置点，即线段B’B处布置吸气截面；
(6)叶背分离区起始位置点B’B处吸出的气体经增压装置增压后从叶背吸力峰位置点AA’处吹出。
2、根据权利要求1所述的利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于：所述步骤(4)的吹气截面的吹气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长。
3、根据权利要求1所述的利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于：所述的步骤(5)的吸气截面的吹气口宽度为0.9～1.2％倍的叶片弦长。
4、根据权利要求1所述的利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于：所述步骤(6)的吹气量范围在总流量的1～3％。
5、根据权利要求1所述的利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于：所述步骤(6)的吸气量范围在总流量的1～3％。
6、根据权利要求1所述的利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，其特征在于：所述步骤(2)的削薄的距离s为吹气口宽度或吸气口宽度的1-2倍。
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