CN109058173A - 凹坑型压气机叶片及其对叶栅内流动分离的控制方法 - Google Patents

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杨益
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Abstract

本发明涉及的是一种叶轮机械技术领域，具体是一种凹坑型压气机叶片及其对叶栅内流动分离的控制方法，压气机叶片上设置凹坑。凹坑作为一种涡发生器，当叶片吸力面边界层流体流过时，在其内部会形成形式不同的旋涡结构，所产生的流向涡会促进边界层内低能高熵流体与层外流体的掺混，进而提高了边界层动能水平，抑制了流动分离，其主要用于控制压气机静叶栅中的流动分离，降低了流动损失，进而改善压气机静叶栅的流动状况，提高其气动性能。

Description

凹坑型压气机叶片及其对叶栅内流动分离的控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械技术领域，具体是一种凹坑型压气机叶片及其对叶栅内流动分离的控制方法。
背景技术
压气机：燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气做功以提高空气压力的部件。轴流压气机由多级动、静叶片交错排列组成。
压气机是航空和地面燃气涡轮发动机的关键部件，能够对气体加功增压，其性能决定了整台发动机的性能及可靠性。然而由于逆压梯度和气体粘性的共同作用，其内部流体会发生分离。因分离而产生的低能流体的堆积会堵塞流道、降低压气机的扩压能力，诱发压气机工作的不稳定工况。为抑制压气机内部流动分离，现有技术大多需要采用附面层抽吸等技术来控制静叶栅中的流动分离以降低静叶栅中的流动损失。但附面层抽吸技术不仅结构复杂且需要额外的动力输入，这大大增加了应用的难度。
为控制压气机内的流动分离，现有的技术主要可分为主动流动控制技术以及被动流动控制技术。主动的流动控制技术（如附面层抽吸、激励以及吹气等）其应用较困难、增添了额外的附属装置、成本较高。而现有的被动控制技术（如叶片弯掠、端壁翼刀等）在变工况条件下的适应性较差。且被动的流动控制技术对压气机性能的提升有限，这已不能满足压气机性能不断提升的需求。研究一种利用吸力面侧凹坑来控制流动分离的方法，为压气机流动控制提供了一种新的思路是非常必要的。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明提供凹坑型压气机叶片及其对叶栅内流动分离的控制方法，其主要用于控制压气机静叶栅中的流动分离，降低了流动损失，进而改善压气机静叶栅的流动状况，提高其气动性能。
为达到上述目的，一方面，本发明提出的技术方案是一种凹坑型压气机叶片，压气机叶片上设置凹坑。
进一步的，所述凹坑形状包括流向长轴椭球、展向长轴椭球、月牙凹坑。
基于上述的技术方案，不同形状的凹坑对于湍动能的影响程度不同，进而对于抑制流动分离的效果与边界层摩擦损失的效果存在差异。流向长轴椭球、展向长轴椭球、月牙凹坑的特殊的凹坑形状对叶栅内流动分离的控制效果更佳明显。
进一步的，所述凹坑的排布方式包括全叶高平行点阵、全叶高交错点阵、叶展中部点阵、近端壁点阵、自由点阵。
进一步的，所述凹坑在压气机叶片的吸力面一定的弦长位置内布置多排等间距的凹坑，所述弦长位置包括前缘、叶中或尾缘。
基于上述的技术方案，不同排布方式的凹坑能够改变不同叶高的边界层能量分布，选择性的进行流动控制，上述的排布方式具有更好的控制效果。
另一方面，本发明提出一种凹坑型压气机叶片对叶栅内流动分离的控制方法，凹坑作为一种涡发生器，当叶片吸力面边界层流体流过时，在其内部会形成形式不同的旋涡结构，所产生的流向涡会促进边界层内低能高熵流体与层外流体的掺混，进而提高了边界层动能水平，抑制了流动分离。
进一步的，所述凹坑的形态主要包括以下自由度：凹坑形状、凹坑位置、凹坑尺寸、凹坑数目、凹坑排布方式。
本发明的有益效果：提高了边界层动能水平，抑制了流动分离。
附图说明
图1为流向长轴椭球凹坑的结构示意图；
图2为展向长轴椭球凹坑的结构示意图；
图3为月牙凹坑的结构示意图；
图4为全叶高平行点阵排布的结构示意图；
图5为全叶高交错点阵排布的结构示意图；
图6为叶展中部点阵排布的结构示意图；
图7为近端壁点阵排布的结构示意图；
图8为自由点阵排布的结构示意图；
图9为前缘布置多排等间距的凹坑的结构示意图；
图10为叶中布置多排等间距的凹坑的结构示意图；
图11为尾缘布置多排等间距的凹坑的结构示意图；
图12为原型叶栅吸力面凹坑表面抑制流动分离预期效果示意图；
图13为吸力面凹坑叶栅吸力面凹坑表面抑制流动分离预期效果示意图；
图14为0.3Ma下叶栅损失随冲角变化曲线；
图15为0.4Ma下叶栅损失随冲角变化曲线；
图16为0.5Ma下叶栅损失随冲角变化曲线；
图17为0.6Ma下叶栅损失随冲角变化曲线；
图18为0.7Ma下叶栅损失随冲角变化曲线；
图19球头铣刀加工凹坑叶片；
图20为设计冲角时不同马赫数下原型出口截面损失及二次流分；
图21为设计冲角时不同马赫数下凹坑叶栅出口截面损失及二次流分；
图中：A、非定常扰动。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步说明。
实施例1
一方面，本发明提出的技术方案是一种凹坑型压气机叶片，压气机叶片上设置凹坑。
进一步的，所述凹坑形状包括流向长轴椭球、展向长轴椭球、月牙凹坑。
进一步的，所述凹坑的排布方式包括全叶高平行点阵、全叶高交错点阵、叶展中部点阵、近端壁点阵、自由点阵。
进一步的，所述凹坑在压气机叶片的吸力面一定的弦长位置内布置多排等间距的凹坑，所述弦长位置包括前缘、叶中或尾缘。
另一方面，本发明提出一种凹坑型压气机叶片对叶栅内流动分离的控制方法，凹坑作为一种涡发生器，当叶片吸力面边界层流体流过时，在其内部会形成形式不同的旋涡结构，所产生的流向涡会促进边界层内低能高熵流体与层外流体的掺混，进而提高了边界层动能水平，抑制了流动分离。
进一步的，所述凹坑的形态主要包括以下自由度：凹坑形状、凹坑位置、凹坑尺寸、凹坑数目、凹坑排布方式。
与此同时，为验证本发明的效果，本发明人进行了数值模拟和风洞实验，具体参数和结果如下:
（1）数值模拟
①亚音速高负荷扩压叶栅NACA65-K48的主要几何及气动参数如表1所示：
②选取靠近叶片前缘，位于10%-32%弦长范围内的多排平行排布球型凹坑方案为研究对象，在不同马赫数和不同冲角下均进行了计算，结果如图14-18所示，各马赫数下叶栅损失随冲角变化。对比了叶栅的总压损失系数，可以看出凹坑叶片能够在较宽的工作范围内实现较好的减损特性。
③在数值计算的基础上，进行了风洞吹风试验。采用球头铣刀加工凹坑叶片，如图19所示。图20、图21所示为实验所得不同马赫数下叶栅出口截面损失云图的对比。可见，依据本发明设计的带凹坑压气机叶片能够有效降低叶栅损失，提高叶栅性能。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.凹坑型压气机叶片，其特征在于：压气机叶片上设置凹坑。
2.根据权利要求1所述的凹坑型压气机叶片，其特征在于：所述凹坑形状包括流向长轴椭球、展向长轴椭球或月牙凹坑。
3.根据权利要求1所述的凹坑型压气机叶片，其特征在于：所述凹坑的排布方式包括全叶高平行点阵、全叶高交错点阵、叶展中部点阵、近端壁点阵、自由点阵。
4.根据权利要求1所述的凹坑型压气机叶片，其特征在于：所述凹坑在压气机叶片的吸力面一定的弦长位置内布置多排等间距的凹坑，所述弦长位置包括前缘、叶中或尾缘。
5.凹坑型压气机叶片对叶栅内流动分离的控制方法，其特征在于：凹坑作为一种涡发生器，当叶片吸力面边界层流体流过时，在其内部会形成形式不同的旋涡结构，所产生的流向涡会促进边界层内低能高熵流体与层外流体的掺混，进而提高了边界层动能水平，抑制了流动分离。
6.根据权利要求5所述的凹坑型压气机叶片对叶栅内流动分离的控制方法，其特征在于：所述凹坑的形态主要包括以下自由度：凹坑形状、凹坑位置、凹坑尺寸、凹坑数目、凹坑排布方式。
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