CN107061009B - 一种应用于扩压型管道壁面的端壁凸肋结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，可应用于地面燃气轮机、航空发动机等领域的扩压型管道壁面附近附面层内低能流体的流动控制。在扩压型管道的内环端壁和/或外环端壁表面布置有不同高度、宽度及间距的凸肋结构，各所述凸肋的布置方向与所在端壁壁面的极限流线方向相同或相近，所述凸肋至少部分设置在所述内环端壁和/或外环端壁的在未设置凸肋时易产生流动分离的位置，该凸肋结构不需要额外增加零件，可利用机械加工的方式布置在具有一定壁厚的管道端壁表面。本发明的扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，具有结构简单、设计参数灵活、运行可靠等优点，不需要增加额外的零部件或者机构，即可有效地实现抑制流动分离，减少气动损失的目的。

Description

一种应用于扩压型管道壁面的端壁凸肋结构
技术领域
本发明涉及一种用于地面燃气轮机、航空发动机等采用扩压型管道或者非扩压型管道的流动控制结构。这是一类在壁面粘性滞止效应的作用下，近固体壁面可能发生端壁附面层内部气流速度降低、气流压力梯度为负甚至出现流动分离导致气流反向流动现象的特殊管道内部气体流动领域。
背景技术
扩压型管道内部固体端壁的气流流动分离控制是一个在燃气轮机以及航空发动机领域均有重要实际意义的工程性问题。在以往燃气轮机、航空发动机的结构设计中，对于扩压型管道，受到通道扩压效应的作用，气体沿流动方向发展过程中，气流速度逐渐减小、气体压力逐渐升高，因此气流在流向逆压力梯度作用下有出现流动分离的风险；同时，考虑到扩压型通道自身曲率变化的因素，大的曲率变化会造成端壁附面层在径向压力梯度、流向逆压力梯度的双重作用下，气体出现流动分离情况的风险加剧。针对这种极易出现分离流动且应用普遍的扩压型管道，迫切需要提出一种工程上可行、性能更优的流动控制结构。
发明内容
本发明涉及一种用于扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，作为一种被动控制流动分离的结构，可在燃气轮机、航空发动机等叶轮机械领域中应用。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，包括扩压型管道，所述扩压型管道包括内环端壁和外环端壁，其特征在于，
所述扩压型管道的内环端壁和/或外环端壁的整个表面或部分表面上布置有若干个长条状的凸肋，所述凸肋顶部的宽度为1mm～7mm，所述凸肋的深度为0.5mm～2mm，相邻两所述凸肋之间的间距为0.5mm～25mm，各所述凸肋的布置方向与所在端壁壁面的极限流线方向相同或相近，实现对端壁低能流体的扰动以及端壁低能流体与主流流体的动量交换，所述凸肋至少部分设置在所述内环端壁和/或外环端壁的在未设置凸肋时易产生流动分离的位置，最终实现固体壁面表面近分离态低能流体的分离流动抑制或分离流动的再附，降低扩压型管道内部气流流动的损失。
优选地，所述凸肋经机械加工而成，根据铣刀形状、铣刀半径以及加工程序的调整，实现凸肋深度、宽度和方向的优化调整。从而实现凸肋结构设计参数沿气流流动方向的变化调整。
本发明中，位于扩压型管道内部端壁表面的低能流体在凸肋结构侧壁的作用力下完成径向的流动迁移并实现与主流通道内气体的动量交换。动量交换的程度由凸肋结构的设计参数进行控制。
优选地，各所述凸肋由深度0.5mm～2mm、宽度1mm～7mm以及间距0.5mm～25mm范围内的半圆形或椭圆形铣刀刀痕(需要选择合适的铣刀半径)自然形成。可选择地，凸肋结构的设计参数可根据实际发动机的设计工况和工作环境进行调整。
较优地，各所述凸肋的设置方向可以与来流的气流方向一致或成一定角度，实现端壁粘性摩擦损失的优化和分离流动的抑制。
较优地，所述凸肋的深度值和宽度值可以根据设计需要，在沿着气体流动的方向，通过铣刀切削深度的调整，实现凸肋结构宽度、深度的进一步调节。实现沿气体流向方向，气体流动分离的消除及抑制作用。
较优地，在管道出口半径相较进口半径位置更低的扩压型管道中，所述凸肋布置于扩压型管道的内环端壁，以实现对内环端壁流动分离的控制。进一步地，所述管道出口半径相较进口半径位置更低的扩压型管道，为向内发展的扩压型管道，一般位于压气机端，例如增压级压气机与内涵压气机的过渡段。
较优地，在管道出口半径相较进口半径位置更高的扩压型管道中，所述凸肋布置于扩压型管流的外环端壁，以实现对外环端壁流动分离的控制。进一步地，所述管道出口半径相较进口半径位置更高的扩压型管道，为向外发展的扩压型管道，一般位于涡轮端，例如高、低压涡轮级间过渡段。
较优地，所述凸肋结构的其它设计参数，诸如衡量凸肋离散度的凸肋间距等参数可以通过内环或外环端壁环形通道的周向尺寸综合分析、计算后确定。
较优地，需要布置该凸肋结构的通道壁面如果有支板、叶型或其它部件，该凸肋结构可以采取多种环绕其余部件的分布方式。在这种情况下，凸肋结构的深度及宽度等参数设计方法基本一致，而凸肋结构的间距为非等间距参数设计，需要经计算优选布置方法。
较优地，本发明的端壁凸肋结构，不局限于扩压型管流端壁的应用实例，譬如：分流机匣或中介机匣的通道内环、涡轮级间过渡段的通道内/外环端壁。该结构还可应用于非扩压型的管道或有压气机/涡轮叶片的通道壁面。例如：轴流压气机转子叶片通道内环、离心压气机转子通道内环以及涡轮导向器通道外环等位置。
同现有技术相比，本发明的扩压型管道壁面的端壁凸肋结构具有以下显著技术效果：(1)结构设计简单，不需要增加额外的零部件或者机构，即可有效地实现抑制流动分离，减少气动损失的目的，具有非常大的应用推广前景；(2)设计参数灵活，适用范围广，对于各种容易产生流动分离的管道或者通道，通过优化肋板参数，均可起到良好的运行效果；(3)运行可靠，本发明为被动控制结构，在各种发动机运行工况下均可以有效地工作，实现本发明的预期效果。
附图说明
图1为本发明凸肋结构的深度、宽度以及间距等参数的定义示意图。
图2为本发明凸肋结构的应用例一：某型发动机分流机匣内环的凸肋结构示意图，其中(B)图为(A)图的局部放大图。
图3为本发明凸肋结构的应用例二：某型发动机涡轮过渡段内环的凸肋结构示意图，其中(B)图为(A)图的局部放大图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的应用于扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，包括扩压型管道(图1中未示出)，扩压型管道包括内环端壁和外环端壁，扩压型管道的内环端壁和/或外环端壁的整个表面或部分表面上布置有若干个长条状的凸肋100，凸肋100顶部的宽度D为1mm～7mm，凸肋的深度d为0.5mm～2mm，相邻两凸肋之间的间距r为0.5mm～25mm，各凸肋100的布置方向与所在端壁壁面的极限流线方向相同或相近，实现对端壁低能流体的扰动以及端壁低能流体与主流流体的动量交换，凸肋100至少部分设置在内环端壁和/或外环端壁的在未设置凸肋时易产生流动分离的位置，最终实现固体壁面表面近分离态低能流体的分离流动抑制或分离流动的再附，降低扩压型管道内部气流流动的损失。
根据设计需要，沿气体流动方向，该凸肋结构还可以通过铣刀切削深度的调整，实现凸肋结构宽度、深度的进一步调节，从而实现凸肋结构设计参数沿气流流动方向变化调整。凸肋的布置方向，即铣刀路径可以与端壁壁面极限流线方向相同或相近，实现对端壁低能流体的扰动以及端壁低能流体与主流流体的动量交换。沿流向，经优化的凸肋结构布置方向可以最大限度的减少气流的粘性摩擦损失。凸肋结构可布置于扩压型管道的内环端壁或者外环端壁表面易产生流动分离的位置附近，强化端壁附近低能流体与主流高能流体的动量交换，最终实现固体壁面表面近分离态低能流体的分离流动抑制或分离流动的再附，降低扩压型管道内部气流流动的损失。由铣刀半径自然形成的凸肋结构的深度及宽度可以通过附面层、主流动量交换的要求进行优化设计。需要对凸肋结构所产生的不利的附加摩擦阻力损失以及其对分离流动抑制的增益效果进行综合分析。考虑到扩压型管流入口主流的气流来流流动方向，在不同工况下，凸肋结构沿气流流动方向的布置方向可以与主流成一定角度或完全相同。经优化的凸肋方向可以实现更优的流动分离抑制效果。
本发明的凸肋结构，其应用及设计不局限于扩压型管流端壁的应用实例，譬如：分流机匣或中介机匣的通道内环、涡轮级间过渡段的通道内/外环端壁。该结构还可应用于非扩压型的管道或有压气机/涡轮叶片的通道壁面。例如：轴流压气机转子叶片通道内环、离心压气机转子通道内环以及涡轮导向器通道外环等位置。
图2为在某航空发动机分流机匣环形端壁内环中设置凸肋结构的示意图。发动机分流机匣的环形内环端壁中设置有支板。该方案采用了带铣刀半径的凸肋结构。凸肋100的延伸方向顺着分流机匣支板槽道间的流线布置。
图3为在某航空发动机高低压涡轮间过渡段内环中使用凸肋结构的示意图。该方案也采用了凸肋结构。通过凸肋结构参数的优化组合，达到最优的凸肋结构的设计效果，实现端区流动分离的抑制、二次流的控制以及改变端区附面层流动特性的目的。
从气体动力学角度分析，本发明所描述的扩压型管道固体壁面端壁凸肋结构的设置可以增加管道壁面的气体紊流度，有利于抑制流动分离，减少气动损失。其原理是：管道固壁表面附面层内部的低能流体在凸肋结构的扰动作用下，可以实现近壁面低能流体与主流高能流体的动量交换，从而实现近管道壁面附近附面层内部低能流体流动分离的抑制效果，或提高已经发生分离的壁面气体流动的分离再附可能性。在这种分离流动抑制效应或者分离流动再附作用机制的作用下，可以显著提升扩压型管道壁面因气流开式分离而造成的不可接受的分离流动损失并进一步优化扩压型管流内部流体的气动性能。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种扩压型管道壁面的端壁凸肋结构，包括扩压型管道，所述扩压型管道包括内环端壁和外环端壁，其特征在于，
所述扩压型管道的内环端壁和/或外环端壁的整个表面或部分表面上布置有若干个长条状的凸肋，所述凸肋顶部的宽度为1mm～7mm，所述凸肋的深度为0.5mm～2mm，相邻两所述凸肋之间的间距为0.5mm～25mm，各所述凸肋的布置方向与所在端壁壁面的极限流线方向相同或相近，实现对端壁低能流体的扰动以及端壁低能流体与主流流体的动量交换，所述凸肋至少部分设置在所述内环端壁和/或外环端壁的在未设置凸肋时易产生流动分离的位置，最终实现端壁表面近分离态低能流体的分离流动抑制或分离流动的再附，降低扩压型管道内部气流流动的损失。
2.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，所述凸肋经机械加工而成，根据铣刀形状、铣刀半径的调整，实现凸肋深度、宽度和方向的优化调整。
3.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，各所述凸肋由深度0.5mm～2mm、宽度1mm～7mm以及间距0.5mm～25mm范围内的半圆形或椭圆形铣刀刀痕形成。
4.根据权利要求1至3任一项所述的端壁凸肋结构，其特征在于，各所述凸肋的设置方向与来流的气流方向一致或成一定角度，实现端壁粘性摩擦损失的优化和分离流动的抑制。
5.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，所述凸肋的深度值和宽度值根据设计需要，在沿着气体流动的方向，通过铣刀切削深度的调整，实现凸肋结构宽度、深度的进一步调节。
6.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，在管道出口半径相较进口半径位置更低的扩压型管道中，所述凸肋布置于扩压型管道的内环端壁，以实现对内环端壁流动分离的控制。
7.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，在管道出口半径相较进口半径位置更高的扩压型管道中，所述凸肋布置于扩压型管流的外环端壁，以实现对外环端壁流动分离的控制。
8.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，衡量凸肋离散度的凸肋间距通过内环端壁或外环端壁环形通道的周向尺寸计算后确定。
9.根据权利要求1所述的端壁凸肋结构，其特征在于，如果管道内部设置有叶片或者支板，所述凸肋结构采取多种环绕叶片或者支板的分布方式。
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