CN103807201B - 一种控制压气机静子角区分离的组合抽吸布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制压气机静子角区分离的组合抽吸方案，其特征在于在轴流压气机静子叶栅通道端壁上沿周向、叶片吸力面沿叶高方向开抽吸槽，端壁上的抽吸槽方向与额线平行，能够实现不同轴向位置和不同抽吸槽长度的控制，而端壁上的抽吸槽与叶片吸力面上的抽吸槽也可以通过不同的位置的组合形式来进行控制。本发明的提出的组合抽吸方案相比于单一的抽吸方案能够结合吸力面抽吸和端壁抽吸的优点，故能够更加有效的阻止吸力面和端壁上边界层的发展，并且阻止其在角区发生聚集及掺混，明显抑制角区分离，减小总压损失，从而提高压气机的稳定性和效率。

Description

一种控制压气机静子角区分离的组合抽吸布局方法

技术领域

本发明涉及的是以一种控制压气机静子角区分离的组合抽吸布局方法，以及具有该布局的轴流压气机，属于叶轮机械技术领域的流动控制技术。

背景技术

现代叶轮机械的设计朝着更高的级负荷、更高的效率、更高的稳定性方向发展。而在静子叶栅中，叶片吸力面和轮毂端壁形成的角区间存在附面层以及低能流体的聚集和掺混，这会加剧叶栅内的三维分离，是压气机内流动损失和流动堵塞的主要来源，严重时甚至会引起失速和喘振。因此，如何控制压气机中的角区分离已成为提高发动机性能的关键技术之一。

目前，控制三维角区分离与失速的主要控制手段有：叶片三维造型、叶尖间隙控制、处理机匣、抽吸气控制等。叶片的三维造型、叶尖间隙控制及处理机匣等被动控制手段能够在一定程度上有效控制角区分离，但随着压气机工作状态的变化，这些手段很难适应不同的工作条件。因此，发展能够控制压气机角区分离的主动流动控制技术成为一种重要趋势。

利用抽吸气来控制端壁或叶表附面层的发展，以此来控制三维角区分离是近年来主动控制技术在叶轮机中应用的一个热点，其主要思路是通过抽吸端壁或叶片表面边界层内的低速流体或改变速度剖面分布来提高边界层抗分离的能力，这种控制技术能够极大地提高压气机的负荷。目前，在压气机静子中一般采用在端壁或在叶片表面上开抽吸槽来控制角区分离，对高负荷叶片角区分离的控制效果有限。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明人进行了研究，并提出了本发明的技术方案，该技术方案实现了降低压气机静子叶栅角区分离损失的效果，提供了一种更有效的控制角区分离的抽吸槽布局方案。

本发明提供的组合抽吸槽布局方案，相比于现有的单一抽吸槽在压气机静子叶栅端壁或吸力面上的布局方案，能够吸除端壁内低能高熵流体，改善端壁附近复杂流动结构的同时，也能够吸除叶片吸力面边界层内的低能高熵流体提高压气机效率，扩大压气机稳定工作范围。

根据本发明的一个方面，提供了一种轴流压气机，其特征在于包括：在轴流压气机静子叶栅通道端壁上设置的第一抽吸槽；在轴流压气机静子叶栅吸力面的表面上设置的第二抽吸槽，其中，所述第一抽吸槽的延伸方向与额线平行。

附图说明

图1为组合抽吸槽布置方案的示意图，抽吸槽在端壁和叶片吸力面上都为最大长度的布局示意图。

图2为本发明的一个实例的组合抽吸槽在压气机静子叶栅端壁上布置的分段长度方案的示意图，抽吸槽在端壁上长度为最大长度的25%，叶片吸力面上为最大长度。

图3为本发明的另一个实施例的组合抽吸槽，在吸力面上为分段长度，长度为50%最大长度，等叶栅端壁上为最大长度的布局示意图。

图4为本发明的又一个实施例的组合抽吸槽，在叶片吸力面和叶栅端壁上均为分段长度的布局示意图。

图5为根据本发明的实施例采用组合抽吸方案的工况与原始叶栅以及单一抽吸方案工况的叶栅攻角特性对比图。

图6为本发明实例中采用组合抽吸方案的工况与原始叶栅以及单一抽吸槽工况总压损失系数对比图。

具体实施方式

现在以PVD叶栅为例，结合附图对本发明进行说明。

根据本发明的一个实施例的控制压气机静子叶栅角区分离的组合抽吸槽布局方案包括：

A）在轴流压气机静子叶栅通道端壁上开抽吸槽，抽吸槽的长度可根据叶栅内的流动特征设置，抽吸槽最大长度为吸力面到相邻叶片压力面的长度。如图1所示的是本发明的一个实施例，其中端壁（11）上抽吸槽（13）的方向与额线平行，抽吸槽长度为最大长度；如图2所示的，是本发明的另一个实施例，其中端壁（11）上抽吸槽（13）长度为最大长度的25%；如图3所示为本发明的另一实施例，其中端壁（11）上抽吸槽（13）为长度为最大抽吸长度。如图4所示为本发明的又一实施例，其中端壁（11）上抽吸槽（13）为最大长度的50%。

B）在轴流压气机静子叶栅吸力面表面开抽吸槽，该抽吸槽的长度可根据叶栅内的流动特征设置，该抽吸槽最大长度为整个叶片高度。如图1所示的是本发明的一个实施例，其中吸力面（12）上抽吸槽（14）为最大抽吸长度；如图2所示的本发明实施例中，吸力面（12）上抽吸槽（14）为最大抽吸长度；如图3所示的本发明的另一实施例中，吸力面（12）上抽吸槽长度（14）最大抽吸长度的50%；如图4所示的又一实施例，吸力面（12）上抽吸槽（14）长度为最大抽吸长度的50%，抽吸槽（14）置于吸力面（12）上距端壁（11）25%叶高处。

本发明的构思是基于的这样的原理，即：对于压气机叶栅，在叶片吸力面开槽抽吸可以有效地改善叶片表面的分离流动，减少叶片表面边界层流动损失，而在端壁上进行边界层抽吸可以有效地抑制端壁附近的流动分离，改善端壁角区的流动。由于在叶片吸力面和端壁上加抽吸对叶栅内流场作用区域的不同，将二者有效的结合在一起，实现对压气机叶栅通道内分离流动的控制。

本发明相比于现有技术的优点包括：

目前对静子叶栅的抽吸气控制方法主要是采取单纯在吸力面或端壁上进行控制的方法，但由于这两种控制方案对流场的影响区域不同，虽然相较于原始叶栅有一定的正效应，但对整个流场的作用有限，组合抽吸有效的将叶表抽吸和端壁抽吸结合在一起，能够综合利用两种抽吸槽的优势，从而对整个叶片通道的边界层分离流动进行控制，实现压气机性能的提升。

模拟实施效果：为验证本发明的效果，本发明人进行了数值模拟，具体模拟参数和结果如下：

PVD叶栅主要的几何及气动参数如表1所示：

表1

弦长c(mm)	151.5
		栅距s/c	0.926
叶片高度h/c	1.32
		最大厚度t/c	0.1
α1（°）	41.0
		叶型弯角（°）	42.0
安装角（°）	15.0
		攻角（°）	0.0
Re_c(进口弦长)	2.3×105

叶栅叶片为PVD静子叶片，进口马赫数约为0.07，基于进口速度和叶片弦长的雷诺数为2.3×10⁵。数值模拟湍流模型为RSM，近壁加强壁面处理。进口边条为速度进口，位于叶片前缘2倍轴向弦长处，出口为压力出口，位于叶片尾缘1倍轴向弦长处。壁面绝热无滑移。

模拟步骤1：端壁上的抽吸槽方向与额线平行，长度为25%的端壁最长抽吸槽长度，如图2所示；

模拟步骤2：吸力面上的抽吸槽位于吸力面上70%轴向弦长处，该抽吸槽的长度为叶片整个叶高；

模拟步骤3：组合抽吸槽抽吸量为0.7%进口流量，端壁和吸力面上的抽吸量均为0.35%进口流量。

图5为在吸力面（12）和端壁（11）上单独加抽吸槽（13、14）以及在吸力面（12）和端壁（11）上同时加抽吸槽（13、14）与原始叶栅的攻角特性对比图。横坐标为叶栅攻角，纵坐标为叶栅总压损失系数。图6为在吸力面（12）和端壁（11）上单独加抽吸槽（13、14）以及在吸力面（12）和端壁（11）上同时加抽吸槽（13、14）与原始叶栅的叶片尾缘50%轴向弦长处的总压损失系数云图对比图。总压损失系数其中P₀为当地总压。图5中P₀为出口总压，图6中P₀为叶栅叶片尾缘50%轴向弦长处的总压。

可见，根据本发明的组合抽吸槽布局方案，相比于现有的单一抽吸槽在压气机静子叶栅端壁或吸力面上的布局方案，能够吸除端壁内低能高熵流体，改善端壁附近复杂流动结构的同时，也能够吸除叶片吸力面边界层内的低能高熵流体提高压气机效率，扩大压气机稳定工作范围。

Claims (3)

1.一种轴流压气机，其特征在于包括：

在轴流压气机静子叶栅通道端壁(11)上设置的第一抽吸槽(13)，

在轴流压气机静子叶栅吸力面(12)的表面上设置的第二抽吸槽(14)，

其中，所述第一抽吸槽(13)的延伸方向与额线平行，其最大长度为吸力面(12)到相邻叶片的压力面的长度，所述第二抽吸槽(14)的最大长度为整个叶片高度；

按实际流动情况分配所述第一和第二抽吸槽(13，14)的抽吸量；

所述第一抽吸槽位于叶栅通道前缘，且所述第二抽吸槽的延伸方向与叶片的弦长方向垂直；

利用所述第二抽吸槽改善叶片表面的分离流动，减少叶片表面边界层流动损失，

利用所述第一抽吸槽在端壁上进行边界层抽吸，从而有效地抑制端壁附近的流动分离，改善端壁角区的流动，

从而，通过组合抽吸有效地将叶片表面抽吸和端壁抽吸结合在一起，对整个叶片通道的边界层分离流动进行控制，实现压气机性能的提升。

2.根据权利要求1所述的轴流压气机的叶片通道边界层分离流动的组合抽吸控制方法，其特征在于：

利用所述第二抽吸槽(14)改善叶片表面的分离流动，减少叶片表面边界层流动损失，

利用所述第一抽吸槽(13)在端壁上进行边界层抽吸，从而有效地抑制端壁附近的流动分离，改善端壁角区的流动，

从而，通过组合抽吸有效地将叶片表面抽吸和端壁抽吸结合在一起，对整个叶片通道的边界层分离流动进行控制，实现压气机性能的提升。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

按实际流动情况分配所述第一和第二抽吸槽(13，14)的抽吸量。