CN108661947B - 采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机。该轴流压气机叶片包括：叶片本体；设置于叶片本体内的引气通道；设置于叶片本体的吸力面，并与引气通道相连的喷气缝，该喷气缝后的吸力面部分为康达表面。本发明通过在高负荷轴流压气机叶片吸力面开设喷气缝，并在喷气缝后应用康达表面，喷射的气流可以为附面层的低能流体增加动能，使其抵抗逆压梯度的能力增强，有效的抑制流动分离；充分利用康达效应，通过合理的参数选择可以实现喷气的完全附壁流动，避免了喷气与主流速度方向不一致引起的掺混损失，可以更大程度的减小损失，提高压气机效率。

Description

采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机

技术领域

本发明涉及燃气轮机/航空发动机技术领域，尤其涉及一种采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机。

背景技术

随着现代航空技术的不断发展，航空发动机具有压比增加、级数减少、推重比增大的发展趋势，因此需要提高压气机的增压能力。增加负荷会使压气机内部流动变得非常复杂，强逆压梯度会使吸力面附面层流动分离加剧，压气机稳定运行的流量范围变窄，叶型损失增加。因此，设法抑制高负荷轴流压气机叶片吸力面流动分离是降低叶型损失、提高压气机效率的重要途径。

在此背景下，国内外研究人员对叶轮机械流动分离控制技术进行了许多研究，其中以附面层抽吸、附面层喷气以及合成射流为代表的主动流动控制技术得到了越来越多的研究者的关注。

附面层抽吸技术通过高压压气机与大气环境或者与涡轮/压气机部件之间的静压差将叶片叶表吸力面的分离涡抽走，从而达到抑制分离的目的。目前关于附面层抽吸技术的研究大都在高压压气机上进行，而对于静压较低的前面级，不适合采用附面层抽吸技术抑制其分离；现有的附面层喷气技术，尽管可以较好的抑制流动分离，但喷气无法完全附壁流动，而是与主流呈一定角度射出，会使与主流的掺混损失较大，对效率的改善作用不明显。以2004年Kirtley等人的研究为例，其通过实验和数值模拟进行了通过降低叶片稠度来提高叶片的负荷，同时采用定常射流的方法抑制流动分离的研究。在引气量为主流流量的1％时，对低速压气机可以达到使用2.1％的级效率下降换取稠度减少30％的目标，而对高速压气机保守估计要用0.5％的级效率下降换取同等目标；合成射流也称零质量射流，是1998年Smith等人首先详细提出的，其原理是利用空腔壁面振动形成周期性的吸气与吹气。现有的研究结果表明，以合成射流为代表的非定常控制方法可以采用很小的引气量获得较好的控制效果，然而都存在引气装置和控制机构复杂、重量大、在真实压气机中应用困难的缺点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种采用康达喷气的轴流压气机叶片。该轴流压气机叶片包括：叶片本体；设置于叶片本体内的引气通道；设置于叶片本体的吸力面，并与引气通道相连的喷气缝，该喷气缝后的吸力面部分为康达表面。

优选地，在本发明的一些实施例中，康达表面相比于原吸力面在该位置的曲率为大曲率表面，该大曲率表面是圆弧的一部分，其曲率沿展向为恒定值。

优选地，在本发明的一些实施例中，喷气缝的侧壁与吸力面相交的出口处采用圆弧连接，喷气缝的缝高及开缝位置沿展向不变。

优选地，在本发明的一些实施例中，康达表面与叶片本体的尾缘(8)相切。

优选地，在本发明的一些实施例中，喷气缝的进口位于叶片本体内部的引气通道，出口位于叶片本体的吸力面。

优选地，在本发明的一些实施例中，引气通道连接至喷气气源；喷气气源为外部气源或由轴流压气机的高压级位置引气。

优选地，在本发明的一些实施例中，喷气气源由轴流压气机的高压级位置引气，并通过阀门调节喷气量。

优选地，在本发明的一些实施例中，轴流压气机叶片还包括：导流叶片(3)，设置于引气通道内，用于对通过引气通道内的气体进行导流。

优选地，在本发明的一些实施例中，导流叶片包括：位于引气通道内的近吸力面内壁的吸力面导流叶片；以及位于引气通道内的近压力面内壁的压力面导流叶片。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种轴流压气机。该轴流压气机包括：压气机机匣；设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；于机匣内侧沿机匣轴向设置的N排静叶；以及于轮毂外侧沿机匣轴向设置的M排动叶；其中，N片静叶中至少其中之一为上述的轴流压气机叶片，M和N均为大于等于1的整数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明通过在高负荷轴流压气机叶片吸力面开设喷气缝，并在喷气缝后应用康达表面，喷射的气流可以为附面层的低能流体增加动能，使其抵抗逆压梯度的能力增强，有效的抑制流动分离；充分利用康达效应，通过合理的参数选择可以实现喷气的完全附壁流动，避免了喷气与主流速度方向不一致引起的掺混损失，可以更大程度的减小损失，提高压气机效率。

附图说明

图1为康达效应示意图。

图2为根据本发明实施例采用康达喷气后的轴流压气机叶片的结构示意图。

图3是现有大折转角叶片叶表吸力面气流分离的结构示意图。

图4是采用康达喷气后，大折转角叶片吸力面气流流动示意图。

图5为图2所示轴流压气机叶片内部导流叶片结构示意图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-叶片； 2-引气通道； 3-导流叶片；

4-吸力面； 5-喷气缝； 6-康达表面；

7-压力面； 8-尾缘； 9-凸面物体；

10-流体； 11-轮毂。

具体实施方式

为了减小因压气机高负荷设计中大折转角叶片吸力面分离引起的效率损失，本发明提供了一种能够充分利用康达效应的控制高负荷轴流压气机叶片吸力面流动分离的轴流压气机叶片。为了更清楚地理解本发明，以下对康达效应的原理进行简单说明。

图1为康达效应的示意图。请参照图1，康达效应也称附壁效应，是指流体10有离开本来的流动方向，改为随着凸面物体9表面流动的倾向。康达效应的根本来源是由于射流对其周围流体的卷吸作用，在遇到固体壁面时，由于壁面的限制，射流无法从壁面侧卷吸流体，导致该侧压力降低，在压差和绕凸面离心力的共同作用下，射流因此绕固体壁面进行流动。康达效应被发现以后，首先被应用到外流流动范畴的飞机机翼中，称作环量控制翼型。环量控制翼型结构简单，易于实现，且控制效果显著，目前己经在一些现代高升力飞行器中得到成功应用，如前苏联的安-72，美国的波音YC-14等。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种采用康达喷气的轴流压气机叶片。

图2为根据本发明实施例采用康达喷气后的轴流压气机叶片的结构示意图。如图2所示，本实施例采用康达喷气后的轴流压气机叶片包括：叶片本体1；设置于叶片本体1内的引气通道2；设置于叶片本体1的吸力面4，并与引气通道2相连的喷气缝5，该喷气缝5后的吸力面为康达表面6。

本实施例中，康达表面6相比于原吸力面在该位置的曲率为大曲率表面，是圆弧的一部分，曲率沿展向为恒定值，所述康达表面6与叶片本体的尾缘8相切。并且，喷气缝缝高与所述康达表面的半径的比值应尽量小。

请继续参照图2，喷气缝5的进口位于叶片本体内部引气通道2，出口位于轴流压气机叶片1的吸力面3。其中，引气通道2连接至喷气气源。喷气气源可由外部气源提供也可以自轴流压气机的高压级位置引气，喷气量由阀门进行调控。

由于与尾缘8相连的吸力面叶型改为曲率适当的康达表面6，喷射气流将沿康达表面6流动，与主流几乎没有产生掺混，避免现有的附面层喷气技术所产生的掺混损失，同时为附面层低能流体注入能量，增加附面层流体抵抗逆压梯度的能力，可以减小叶片叶表吸力面4的主流的分离涡发展，减小分离损失，有助于改善压气机效率。同时，为了保证机械加工的可行性，喷气缝5的左侧壁与吸力面4相交的出口处可采用小圆弧连接。喷气缝的缝高及开缝位置沿展向不变。

图3是现有大折转角叶片叶表吸力面气流分离的结构示意图。如图3所示，分析高负荷叶型大折转角叶片叶表的流动特性。由于流动内较大的逆压梯度，大折转角叶片吸力面会产生严重分离，并大幅度降低压气机效率，影响整机性能。图4是采用康达喷气后，大折转角叶片吸力面气流流动示意图。如图4所示，采用康达喷气后，大折转角叶片叶表吸力面气流分离情况得到显著的改善，且喷气可以几乎完全附壁，与主流的掺混损失减小。

图5为图2所示轴流压气机叶片内部导流叶片结构示意图。如图5所示，在引气通道2内含有导流叶片3，用于对引气通道2内的气体进行导流。其中，所述导流叶片3包括：位于引气通道内的近吸力面4的吸力面导流叶片及近压力面7内壁的压力面导流叶片，通过采用结构、位置等参数经过优化的内部导流叶片，可保证喷气出口方向与康达表面沿流向的切线方向一致，使喷气气流折转后沿康达表面喷出。

在原有的高负荷轴流压气机叶片的基础上，首先根据原有叶型的厚度进行尾缘8的半径的合理选取；之后进行尾缘附近叶片改型，即在尾缘附近吸力面采用合适曲率的康达表面，康达表面曲率的选择与原叶型分离位置有关，同时受附壁效应对曲率要求的影响：曲率太小，使附壁效应增加的气流折转能力下降；曲率太大，使气流附壁时间太短而易产生分离。确定康达表面曲率后，以缝高与康达表面半径的比值越小越好为设计标准，同时考虑机械加工的可行性，确定缝高。确定缝高后，对原叶型型线进行调整，确定康达表面与尾缘及吸力面的交点位置，需保证：

(1)调整后叶型的尾缘附近吸力面为康达表面的一部分；

(2)调整后叶片的气动性能与原叶片气动性能尽量一致，在喷气量为0的情况下也能保证叶片性能稍优于原叶片，在采用较小喷气量(相对主流流量约为1％左右的量级)时，采用康达喷气可以有效抑制分离，同时减小总压损失；

(3)康达表面与尾缘相切，保证叶片弦长不变。

为了提高压气机级负荷以达到更高压比的要求，在保证转速没有大幅度提高甚至是不变的前提下，一般将叶片设计成大转折角扩压方式。而这种处理方式会造成叶表吸力面出现严重分离，使得压气机效率急剧下降，从而影响航空发动机的整体性能。因此为了解决大折转角叶片叶表吸力面分离问题，针对高压压气机可以采用吸气式高负荷气动设计概念，该方法通过高压压气机与大气环境或者涡轮部件之间静压差将叶片叶表吸力面的分离涡抽走，达到抑制分离的目的。

而针对前面低压压气机，由于静压比较低，无法采用吸气式高负荷气动设计概念提高其压比，而且至今也没有形成很好的解决办法。因此本发明提出在高负荷轴流压气机叶片吸力面采用康达喷气技术的控制方法，以抑制吸力面的流动分离。叶片吸力面的喷气缝位置和结构参数根据数值计算和优化结果确定，主要依据叶表分离起始的位置判断。在数值计算的基础上，将采用康达喷气的叶片进行机械加工成型，安装完成之后，将叶片根部与外部高压气源(或高压级机匣壁面的通孔)采用圆管进行无缝固接，并通过调节阀门控制叶片喷射流量。在叶片应用的基础上，可以选取实际高负荷轴流压气机叶片的多个不同叶高处的截面，进行与前述相同的设计过程，将多个截面数据结合起来，形成压气机叶片的设计方案，并在真实的压气机环境中应用。

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种应用上述轴流压气机叶片的轴流压气机。该轴流压气机包括：压气机机匣；设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；于机匣内侧沿机匣轴向设置的N排静叶；于轮毂外侧沿机匣轴向设置的M排动叶。其中，所述N排静叶中至少其中之一为上文实施例中的轴流压气机叶片。M和N均为大于等于1的整数。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明采用康达喷气的轴流压气机叶片及应用其的轴流压气机有了清楚的认识。

综上所述，本发明能够充分利用康达效应，避免喷气与主流速度不一致而引起的掺混损失，有效的抑制高负荷轴流压气机叶片吸力面流动分离，减少叶型损失，降低尾迹噪音，提高整机效率，具有良好的推广应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用康达喷气的轴流压气机叶片，其特征在于，包括：

叶片本体（1）；

设置于所述叶片本体内的引气通道（2）；

设置于所述叶片本体的吸力面，并与所述引气通道相连的喷气缝（5），该喷气缝（5）后的吸力面部分为康达表面；

所述喷气缝的进口位于叶片本体内部的所述引气通道，出口位于所述叶片本体的吸力面；

导流叶片（3），设置于所述引气通道内，用于对通过引气通道内的气体进行导流；

所述导流叶片包括：位于引气通道内的近吸力面内壁的吸力面导流叶片；以及位于引气通道内的近压力面内壁的压力面导流叶片；

所述康达表面相比于原吸力面在该位置的曲率为大曲率表面，该大曲率表面是圆弧的一部分，其曲率沿展向为恒定值；

所述康达表面与所述叶片本体的尾缘（8）相切。

2.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其特征在于，所述喷气缝的侧壁与吸力面相交的出口处采用圆弧连接，所述喷气缝的缝高及开缝位置沿展向不变。

3.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其特征在于，所述引气通道连接至喷气气源；所述喷气气源为外部气源或由轴流压气机的高压级位置引气。

4.根据权利要求3所述的轴流压气机叶片，其特征在于，所述喷气气源由轴流压气机的高压级位置引气，并通过阀门调节喷气量。

5.一种轴流压气机，其特征在于，包括：

压气机机匣；

设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；

于机匣内侧沿机匣轴向设置的N排静叶；以及

于轮毂外侧沿机匣轴向设置的M排动叶；

其中，所述静叶中至少其中之一为权利要求1至4中任一项所述的轴流压气机叶片，M和N均为大于等于1的整数。

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