CN105673562B - 一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片；包括转子叶片、转子叶片轮毂、离体小叶片、固定装置，离体小叶片安装在转子叶栅通道内每两个转子叶片之间，离体小叶片对转子通道的流体进行流动控制；离体小叶片的轴向位置位于转子叶片通道前缘20％的转子叶根轴向弦长处，周向位置距转子叶片吸力面4.6％的转子叶根周向弦长，离体小叶片叶根与转子叶片轮毂连接，离体小叶片叶顶处通过连接件与转子叶片吸力面连接，以固定离体小叶片；气流流过离体小叶片后产生的复杂诱导涡结构会干扰主叶片吸力面边界层流动的层流底层，湍动能的增强使得边界层层流流动提前变为湍流，从而抑制或延缓层流边界层分离，提高了压气机的稳定工作裕度。

Description

一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片

技术领域

本发明涉及叶轮机械的流动控制领域，具体地说，涉及一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片。

背景技术

在压气机中，由于流动逆压梯度的作用，在叶片吸力面广泛存在着流动分离现象，并且随着压气机流量的减小，流动分离越来越严重，发展到一定程度，分离的流体堵塞压气机通道，使压气机进入不稳定工作状态，严重影响着压气机的性能。因此有必要进行流动控制技术的研究，对压气机的流动分离进行控制，提高其稳定裕度。流动控制技术是利用流体间的相互作用，通过改变局部流动达到控制流动状态。可有效地抑制流动分离，扩大轴流压气机稳定工作范围。

公开的技术文献“附面层抽吸对轴流压气机流动控制及性能影响的研究”(西北工业大学，博士论文，2014，)，针对轴流压气机的角区流动分离展开了附面层抽吸技术的研究。即在叶片尾缘分离区开缝，抽取低能的分离流体，抑制分离流体的进一步发展。文献中在轴流压气机上的研究表明，附面层抽吸技术对压气机性能的改善效果受抽吸气量的影响较大，并且需要一套抽气系统对该叶片附面层分离进行抽吸。这种改善角区分离的主动控制方法需要增加气路、控制器、执行机构及电源，另外还需要外界提供能量，这在一定程度上制约了该方法的适用性。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片；离体小叶片位于转子叶栅通道内，离体小叶片对转子通道的流体进行流动控制,气流流过离体小叶片后产生的复杂诱导涡结构会干扰主叶片吸力面边界层流动的层流底层，湍动能的增强使得边界层层流流动提前变为湍流，从而抑制或延缓层流边界层分离，提高了压气机的稳定工作裕度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括转子叶片、转子叶片轮毂、离体小叶片、固定装置，所述离体小叶片安装在转子通道内的每两个转子叶片之间，每个转子叶片配有一个离体小叶片,离体小叶片的轴向位置位于转子叶片通道前缘20％的转子叶根轴向弦长处，周向位置距转子叶片吸力面4.6％的转子叶根周向弦长，离体小叶片叶根与转子叶片轮毂连接，离体小叶片叶顶处与转子叶片吸力面通过固定装置连接件，离体小叶片叶根处的叶型安装角为56°，叶顶处的叶型安装角为57°；固定转置的宽度为离体小叶片弦长的46.7％，高度为离体小叶片弦长的22.2％，离体小叶片叶高为转子叶片叶高的24％；离体小叶片任意叶高截面叶型与转子叶顶叶型一致，弦长为转子叶片叶顶弦长的3％，离体小叶片径向积叠方式与转子叶片的叶背在相同轴向弦长处的截面线相同。

所述离体小叶片的基准叶型为NACA BC-6叶型。

有益效果

本发明提出的轴流压气机转子扩稳的离体小叶片,离体小叶片位于转子叶栅通道内，离体小叶片对转子通道的流体进行流动控制；气流流过转子叶栅时，在小流量工况下，轮毂角区出现大量的流动分离现象，离体小叶片安装在主叶片分离点上游附近，起到了引导气流的作用。气流经过离体小叶片的引导，产生的诱导涡结构与叶主叶片的分离流体相互作用，使分离流体更加贴近叶背流动，抑制了流动分离的进一步发展，进而扩大了压气机流道的有效流通面积，提高压气机的流量裕度。与现有附面层抽吸主动控制技术相比，无需额外的抽气系统。在亚音速轴流压气机转子上开展离体小叶片抑制压气机流动分离扩大流量裕度的研究结果表明，未安装离体小叶片的压气机转子失速裕度为16.05％，在叶片分离点上游附近设置离体小叶片获得的失速裕度为22.99％，失速裕度改进量为6.94％。同时压气机转子最高效率降低0.6％。本发明轴流压气机转子扩稳的离体小叶片的扩稳技术使压气机扩稳能力有较大的提高，并能兼顾压气机的效率。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片作进一步详细说明。

图1为本发明离体小叶片位于压气机转子叶片单通道内示意图。

图2为图1中方框所示部分的局部放大视图。

图3为离体小叶片叶中位置轴向截面剖视的压气机全通道示意图。

图4为在转子叶片10％叶高处的离体小叶片和转子叶片轮廓结构示意图。

图5为图4中方框所示部分的局部放大视图。

图6为安装离体小叶片前后轴流压气机转子特性对比示意图。

图中:

1.转子叶片2.转子叶片轮毂3.离体小叶片4.固定装置5.吸力面6.压力面

具体实施方式

本实施例是一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片。

参阅图1～图6，本实施例轴流压气机转子扩稳的离体小叶片应用在轴流压气机转子上，压气机转子机匣半径为0.149米，轮毂半径0.091米，转子叶片数目为30。图1中所示，下方为压气机进口，上方为压气机出口；图3中所示的箭头表示压气机的旋转方向。

本实施例中，在压气机转子叶片轮毂2上设置离体小叶片3，离体小叶片3的叶根和转子叶片轮毂2连接，叶根处的叶型安装角为56°。离体小叶片3顶部叶栅轴向位置同叶根处叶栅轴向位置相同，叶型安装角为57°。在离体小叶片3和转子叶片1之间安装固定装置4，固定装置4连接离体小叶片3与转子叶片1，提高离体小叶片3的抗载荷能力。固定转置4的宽度为离体小叶片弦长的46.7％，高度为离体小叶片弦长的22.2％。离体小叶片3从叶根到叶顶径向跨度占转子叶片1径向长度的24％。径向积叠方式与转子叶片1的叶背在相同轴向弦长处的截面线相同。

在叶片的三维设计中,把不同叶高平面二维叶型在径向方向上按照某一曲线分布规律进行叠加起来构造出三维叶片，这种沿叶高的叠加方式为径向积叠方式。离体小叶片3的径向积叠线即为该截面线，表示离体小叶片3从叶根到叶顶的叶片空间弯曲分布规律同该截面线相同。离体小叶片3任意叶高截面的叶型都一致，是转子叶片1叶顶处叶型的等比例缩小。离体小叶片3的弦长为转子叶片1叶顶弦长的3％。

亚音速压气机中所采用的叶型，均是由对称的飞机机翼叶型按一定要求弯曲成型，未弯曲之前的对称叶型称为基准叶型。离体小叶片3采用的基准叶型为NACA BC-6叶型。

离体小叶片叶根安装在转子叶根前缘20％轴向弦长处的轮毂上，沿径向安装，离体小叶片叶根周向位置距转子叶片吸力面1.2毫米。离体小叶片叶顶周向位置距转子叶片吸力面1.4毫米。固定装置4安装在小叶片叶顶70％叶高处，在弦长方向位于小叶片的中间位置，固定装置4起到连接离体小叶片和转子叶片的作用。离体小叶片3和固定装置4分别单独加工，离体小叶片3和转子叶片轮毂2的安装方式为焊接连接，固定装置4和离体小叶片3以及转子叶片1同样采用焊接方式连接。离体小叶片3和固定装置4的材料与转子叶片的材料相同。

流体流过转子叶栅通道时，离体小叶片分流轮毂角区上游的流体，一小部分从离体小叶片和转子叶片之间的通道流过，大部分从主流流道通过。两部分流体流过小叶片形成的尾涡抑制下游轮毂角区的流动分离。

如图6所示,在轴流压气机转子上开展了转子叶片分离点前缘设置离体小叶片的CFD数值仿真研究，得到离体小叶片抑制流动分离后轴流压气机性能变化前后的数据。

表1安装离体小叶片前后的压气机转子性能对比

仿真结果表明:在轴流压气机转子叶片分离点前缘设置离体小叶片能有效地抑制流动分离，扩大了压气机的稳定工作范围。失稳点流量从2.6426Kg/s降低到2.4346Kg/s。未安装离体小叶片的压气机转子失速裕度为16.05％，设置离体小叶片后获得的失速裕度为22.99％，失速裕度改进量为6.94％。同时压气机转子最高效率降低0.6％。离体小叶片扩稳技术使压气机扩稳能力有较大的提高，并能兼顾压气机效率。

Claims (1)

1.一种轴流压气机转子扩稳的离体小叶片，包括转子叶片、转子叶片轮毂、离体小叶片、固定装置，其特征在于:所述离体小叶片安装在转子通道内的每两个转子叶片之间，每个转子叶片配有一个离体小叶片,离体小叶片的轴向位置位于转子叶片通道前缘20％的转子叶根轴向弦长处，周向位置距转子叶片吸力面4.6％的转子叶根周向弦长，离体小叶片叶根与转子叶片轮毂连接，离体小叶片叶顶处与转子叶片吸力面通过固定装置连接件，离体小叶片叶根处的叶型安装角为56°，叶顶处的叶型安装角为57°；固定转置的宽度为离体小叶片弦长的46.7％，高度为离体小叶片弦长的22.2％，离体小叶片叶高为转子叶片叶高的24％；离体小叶片任意叶高截面叶型与转子叶顶叶型一致，弦长为转子叶片叶顶弦长的3％，离体小叶片径向积叠方式与转子叶片的叶背在相同轴向弦长处的截面线相同；所述离体小叶片的基准叶型为NACA BC-6叶型。