CN105298925B - 槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子 - Google Patents

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Abstract

槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子，涉及叶轮机械技术领域被动流动控制技术。其目的在于通过在压气机静子叶栅叶根处自压力面向吸力面开设等宽展向高度渐缩变化型槽道，利用叶片自身绕流压差形成射流，来抑制和延缓流动分离。所述槽道位于压气机静子叶栅叶根处，可有一个或多个，槽道进口位于静子叶栅压力面，出口位于叶栅吸力面，槽道等宽且槽道进口高度高于槽道出口高度，在槽道高度方向形成收缩型槽道，槽道上壁面与端壁间的距离光滑过渡。本发明的有益效果在于：通过槽道射流补充槽道吸力面出口及端壁处附面层低能流体的动能，吹除叶栅吸力面附面层及端壁附面层气流，抑制和延缓了流动分离，使得叶栅通道后的扩压能力有所恢复。

Description

槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子
技术领域
本发明涉及压气机静子叶栅流动控制，尤其涉及一种抑制压气机静子角区分离的压气机静子叶栅叶根开槽的流动控制方案，属于叶轮机械技术领域的被动流动控制技术。
背景技术
在叶轮机械的内部流动中，最复杂的是角区的流动。吸力面和端壁间的角区流动中存在端壁附面层、叶片附面层、各种涡结构及其相互作用，是引起压气机静子叶栅性能恶化的主要因素。角区的流动分离会导致通道堵塞、叶片载荷以及扩压能力下降，从而造成总压损失和效率下降，严重时会引起发动机喘振。压气机静子角区流动损失在级的总损失中占的比重较大，因此，设法抑制压气机静子角区分离是降低角区损失和延缓由于角区分离造成的发动机性能恶化问题的重要途径。
目前，针对压气机静子角区分离与失速的流动控制技术主要可以分为主动控制和被动控制两大类。主动控制技术主要有等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等；被动控制技术主要有旋涡发生器、翼刀、端壁造型等。这些控制方法都还存在着一些问题，未能解决工程上下一代高负荷压气机角区分离的问题，角区的控制方法还需进一步研究。
我们课题组前期提出了叶根开槽控制叶栅角区分离的技术(燃气涡轮试验与研究，2007，Vol.20,No.3，28-33)，在压气机静子叶栅叶根开槽，利用叶片压力面和吸力面间的压差形成射流，增加角区的低能流体动能，吹除叶片吸力面和端壁附面层的气流，从而抑制角区分离。具体实施方法是：首先分别在叶片压力面和吸力面上不同位置取点A、B和C、D,再利用圆弧连接AC和BD构成槽道。上述技术至少存在以下缺点：对于工程应用，开槽方案连接圆弧比较随机，槽道宽度变化无规律，不好加工；槽道展向高度为定值，槽道射流速度不好调节；控制参数太多，并且缺少设计准则，控制方案也难以优化设计。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种压气机静子自压力面向吸力面叶根开设等宽展向高度渐缩变化槽道的开槽控制方案。
本发明的技术方案如下：
在轴流式压气机静子叶栅的叶根处开设槽道。
其中，所述槽道可有一个或者多个。
所述槽道进口位于压气机静子叶栅压力面。
所述槽道出口位于压气机静子叶栅吸力面。
所述槽道进口所在的轴向位置位于槽道出口所在的轴向位置上游。
所述槽道等宽且槽道进口高度高于所述槽道出口高度，在槽道高度方向形成收缩型槽道，且所述槽道上壁面与端壁间的距离光滑过渡。
本控制方法可以通过改变槽道展向高度，对槽道进出口面积进行调控，进而调控槽道出口射流速度，并且可以使槽道出口射流适度向端壁方向“下压”。与本控制方法对应的设计准则如下：根据原始叶栅计算结果，先确定射流动量，再确定射流速度V2和射流流量m，基于射流速度V2，在叶栅压力面选取槽道进口位置(对应总压强p1t，可参考未开槽时原型叶栅对应区域总压值)，叶栅吸力面选取槽道出口位置(对应压强p2，可参考未开槽时原型叶栅对应区域静压值)，根据p1t、p2、射流速度V2和射流流量m，以及槽道中总压损失系数，可以根据气动关系估出槽道进口高度h1和槽道出口高度h2，在此基础上可以通过数值模拟进行进一步的快速优化。
本发明的有益效果在于：通过在压气机静子叶栅叶根处自压力面向吸力面开设等宽展向高度渐缩变化的槽道，利用叶片自身压力面和吸力面之间的压差形成高速射流，增加角区低能流体的动能，使得其抵抗逆压力梯 度能力更强，避免流动过早形成角区分离；等宽高度渐缩变化形槽道，使得槽道出口能获得更高气流速度，高速流体吹除了吸力面附面层及端壁附面层气流，使得附面层气流变薄加速，附面层速度型更加饱满，抵抗逆压力梯度能力更强，抑制吸力面和端壁的流动分离；所述槽道进口高度高于所述槽道出口高度使得槽道上壁面自槽道进口向槽道出口可以“适度”往下压，促使槽道内气流加速，槽道出口气流能更有效补充端壁壁面处流体动能，使得端壁附面层速度型更饱满，也能更好地抑制角区分离的产生，加强流动控制的效果。从而增加叶栅通道的流通能力，降低总压损失，增大扩压能力。
附图说明
图1是槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子结构示意图。
图2是槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子槽道横截面示意图。
图3是槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子沿叶栅展向示意图。
图4是叶根未开设槽道的PVD原型静子叶栅表面与端壁的流线图。
图5是槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子叶栅表面与端壁的流线图。
图6是槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子与叶根未开设槽道的PVD原型静子性能参数对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子，在叶栅1根部端壁2处，自叶栅1压力面3到吸力面4开设有槽道展向高度渐缩变化的槽道5。
如图2所示，根据PVD原型静子叶栅流场情况，槽道5在吸力面4上出口的位置选取在分离点前；沿叶栅轴向，槽道5在压力面3上进口的位置位于吸力面4出口位置上游；根据PVD原型静子叶栅表面压力分布，槽道5在压力面3上进口的位置选在压力面3上表面静压较大处；槽道5两侧壁距中心线的距离均为3.6％轴向弦长，根据实际情况，该值可在0.5％到6％间进行调整。
如图3所示，槽道5沿展向在槽道进口处高度为10％叶展高度，槽道出口处为6.4％叶展高度，根据实际情况，槽道进出口高度可做相应调整，但应保证槽道进口处展向高度高于槽道出口处展向高度。
为了验证本发明的效果，本发明人对叶根未开设槽道的PVD原型静子叶栅及槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子进行了数值模拟。具体模拟参数和结果如下：
用于模拟的PVD叶栅叶型参数如下表所示：
如图4、图5所示，通过对比开槽前后吸力面4及端壁2的极限流线图可以发现，槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子与叶根未开设槽道的PVD原型静子叶栅相比，开槽后端壁面所形成的分离流动区域明显减小，故叶根开设等宽展向高度渐缩变化的槽道可延缓及抑制分离的发生。
如图6所示，通过数值模拟的总压损失系数、落后角及压比的结果，可以看出，槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子与原型叶栅相比，总压损失系数降低了56.34％，压比增加了0.0385％，落后角减小了81.83％。
可见，本发明的槽道展向高度渐缩变化的叶根开槽压气机静子设计方案，通过开槽射流改善了端壁边界层流动状况，减小了端壁分离区域面积，实现了抑制角区分离的目的。进而减小了角区分离所导致的损失，减小了总压损失，增大了压比，减小了落后角，有利于提高压气机性能及其稳定性。

Claims (1)

1.一种自压力面向吸力面叶根开设等宽展向高度渐缩变化槽道的轴流式压气机静子，其特征在于：
在轴流式压气机静子叶栅(1)的叶根(2)处开设槽道(5),
其中，所述槽道(5)可有一个或者多个，
所述槽道(5)进口位于压气机静子叶栅(1)压力面(3)，
所述槽道(5)出口位于压气机静子叶栅(1)吸力面(4)，
所述槽道(5)进口所在轴向位置位于槽道(5)出口所在轴向位置上游，
所述槽道(5)等宽且槽道(5)进口高度高于所述槽道(5)出口高度，在槽道高度方向形成收缩型槽道，且槽道(5)上壁面与端壁(2)间的距离光滑过度。
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从压力面到吸力面开槽后叶栅特性的;曹朝辉等;《航空动力学报》;20070531;第22卷(第5期);全文 *
槽道出口位置对高负荷扩压叶栅性能的影响;吴培根等;《热能动力工程》;20140331;第29卷(第2期);引言和第一节以及图1 *

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