CN109162952B - 一种吸附式压气机叶栅实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附式压气机叶栅实验装置，该实验装置位于叶栅风洞内；长短抽吸棒分别与外部抽吸装置连接，并设置与长抽吸棒相连的外部抽吸装置的抽吸流量，根据需要设置与短抽吸棒相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸叶片吸力面的气流。通过分层抽吸的方式，将端壁的抽吸气流从第一层抽吸腔抽出，将叶片吸力面的抽吸气流从第二层抽吸腔抽出，两股气流完全被隔开，实现分别控制端壁和叶片吸力面抽吸流量在不同工况下附面层抽吸的不同需求。实验装置可吸除近端壁区和叶片吸力面附近的低能流体，推迟或消除近端壁区和叶片吸力面的附面层分离，大幅改善角区和叶片吸力面后缘的流动情况，降低损失，同时增加叶栅负荷和效率。

Description

一种吸附式压气机叶栅实验装置

技术领域

本发明涉及一种叶栅实验装置，具体地说，涉及一种吸附式压气机叶栅实验装置。

背景技术

现代航空发动机是一种精密复杂的机械，压气机设计要求高压比、高负荷。然而由于高负荷压气机叶栅通道内存在较强的逆压梯度，常导致叶片吸力面和角区附面层发生严重分离，从而导致压气机损失增大，效率下降。

抽吸技术是一种新型的主动流动控制技术，可有效地控制压气机内部的流动分离，提高叶片负荷和压气机的效率。它通过在压气机叶片吸力面或压气机端壁适当位置开设抽吸缝或抽吸孔，吸除由于逆压力梯度和激波导致的附面层分离造成的低速区内的低能流体，减少压气机内由低能流体所引起的损失，进而使得压气机气流转折角和总体效率得到了显著的提升。

文献“吸附式压气机叶栅端壁流场油流实验研究及数值分析”(《推进技术》2015年02期)中，介绍了一种亚声速叶栅实验装置，中间布置有五个吸附式叶片，在叶片吸力面距前缘68.6％轴向弦长处开单缝抽吸，实验结果显示叶片负荷得到了显著提高。但实验装置没有在叶栅端壁处开槽抽吸，仅在叶片吸力面开槽抽吸，无法探究端壁开槽对流场的影响。

在文献“端壁抽吸位置对大转角扩压叶栅流场及负荷的影响”(《推进技术》2011年03期)中，介绍了一种亚音速吸附式叶栅实验装置，它在叶栅下端壁临近吸力面的位置，从距前缘28％轴向弦长位置开始一前一后开设了两个抽吸槽，槽与吸力面型线平行并且与吸力面间隔3毫米。两槽长度相等，彼此间隔5毫米。实验探究了两个槽各自单独抽吸和共同抽吸的效果，发现在前端开槽能最大程度的减少角区分离的范围。但实验装置没有在叶片吸力面开设抽吸槽，无法探究端壁和叶片吸力面组合抽吸对流场的影响。

在专利CN202140297U公开了“一种组合抽吸式叶栅实验装置”，其组合抽吸方法是通过在叶栅端壁和叶片吸力面分别开槽，先将抽出的气体集中在端盖内，端盖内中部用挡板隔开从端壁抽出的气体和从叶片吸力面抽出的气体，最后用两个抽吸棒分别抽出两股气体，从而达到分别控制端壁和叶片吸力面抽吸流量的目的。但由于挡板太薄，其上的垫片无法固定在设计位置，导致挡板一侧的气体可严重泄露到另一侧，从而实际无法达到分别控制端壁和叶片吸力面抽吸流量的目的。而且由于结构的限制，增加挡板厚度。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种吸附式压气机叶栅实验装置，该实验装置通过分层抽吸的方式，将端壁的抽吸气流从第一层抽吸腔抽出，将叶片吸力面的抽吸气流从第二层抽吸腔抽出，实现两股气流完全隔开，从而达到能分别控制端壁和叶片吸力面抽吸流量，实现不同工况下附面层抽吸的不同需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括上栅板、下栅板、上端盖、上顶端盖、下端盖、下底端盖、非抽吸叶片、抽吸叶片、连接棒、长抽吸棒、短抽吸棒，所述上栅板和所述下栅板为两个结构相同的部件，上栅板和下栅板上分别有栅板叶片固定槽，栅板叶片固定槽一侧有栅板抽吸腔和端壁抽吸槽，上栅板和下栅板两侧靠近端部分别有对称的安装孔，两侧部有螺纹盲孔，两根连接棒与上栅板和下栅板分别通过螺栓与上栅板和下栅板两侧部的安装孔配合固定连接，连接棒两端有螺纹盲孔；抽吸叶片位于上栅板和下栅板之间，抽吸叶片两端分别插入上、下栅板对应的栅板叶片固定槽内，非抽吸叶片分布在抽吸叶片两侧并固定在上栅板、下栅板对应的栅板叶片固定槽内；

所述非抽吸叶片为多片，叶片弦长为65毫米，叶高为100毫米，上下端分别延伸长10毫米用以插进上栅板、下栅板对应的栅板叶片固定槽固定；

所述抽吸叶片与所述非抽吸叶片结构相同，抽吸叶片在吸力面60％轴向弦长位置开有抽吸槽，抽吸槽沿轴向宽度为1.3毫米，抽吸叶片上下端分别延伸长13毫米，叶片内部设有抽吸腔与吸力面抽吸槽连通，抽吸腔贯穿整个叶片，形状与叶片形面相适应；

所述上端盖位于上栅板的上方，上表面开有上抽吸腔，上抽吸腔底部开有端盖叶片固定槽，形状与上栅板的栅板叶片固定槽相同，位置相对应，抽吸叶片的延伸段从上栅板的栅板叶片固定槽穿出，插入上端盖的端盖叶片固定槽，上端盖的下表面开有下抽吸腔与上栅板的上抽吸腔位置对应、形状相同，下抽吸腔与端盖叶片固定槽中间设置有隔板，隔板凹面涂有密封胶与上抽吸腔的凹面粘结，用于密封阻隔气流；

所述上顶端盖位于上端盖的上部，上顶端盖上开有两排数量相等错位阵列的前螺孔和后螺孔，短抽吸棒与前螺孔配合安装，长抽吸棒与后螺孔配合安装。

所述上栅板上在与端壁抽吸槽相对应的位置开有等数量栅板抽吸腔，栅板抽吸腔与端壁抽吸槽相连通，端壁抽吸槽起始点的位置为16.5％轴向弦长处，终点位于叶片尾缘处。

所述下栅板、下端盖、下底端盖的形状和结构分别与上栅板、上端盖、上顶端盖以叶片高度中部横截面对称。

有益效果

本发明提出的一种吸附式压气机叶栅实验装置，该实验装置安装在叶栅风洞中；长抽吸棒和短抽吸棒分别与外部抽吸装置连接，并设置与长抽吸棒相连的外部抽吸装置的抽吸流量，根据需要设置与短抽吸棒相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸叶片吸力面的气流。通过分层抽吸的方式，将端壁的抽吸气流从第一层抽吸腔抽出，将叶片吸力面的抽吸气流从第二层抽吸腔抽出，实现两股气流完全隔开，从而达到能分别控制端壁和叶片吸力面抽吸流量，实现不同工况下附面层抽吸的不同需求。实验装置可吸除近端壁区和叶片吸力面附近的低能流体，推迟或消除近端壁区和叶片吸力面的附面层分离，从而可以大幅度改善角区和叶片吸力面后缘的流动情况，极大的降低损失，同时增加叶栅负荷和效率。

本发明吸附式压气机叶栅实验装置，适用于对叶片吸力面和端壁组合抽吸的实验研究，可以独立调节端壁的抽吸流量和叶片吸力面的抽吸流量，从而满足不同工况下的实验需求。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种吸附式压气机叶栅实验装置作进一步详细说明。

图1为本发明吸附式压气机叶栅实验装置示意图。

图2为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的非抽吸叶片示意图。

图3为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的非抽吸叶片俯视图。

图4为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的抽吸叶片示意图。

图5为图4A-A向剖视图。

图6为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的上栅板示意图。

图7为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的上栅板仰视图。

图8为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的下栅板示意图。

图9为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的下栅板俯视图。

图10为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的上端盖俯视图。

图11为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的上端盖仰视图。

图12为图10B-B向剖视图。

图13为本发明压气机叶栅实验装置的下底端盖俯视图。

图14为本发明压气机叶栅实验装置的下底端盖仰视图。

图15为图14C-C向剖视图。

图16为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的上顶端盖示意图。

图17为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的下顶端盖示意图。

图18为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的连接棒示意图。。

图19为图18D-D向剖视图。

图20为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的长抽吸棒示意图。

图21为图20E-E向剖视图。

图22为本发明吸附式压气机叶栅实验装置的短抽吸棒示意图。

图23为图22F-F向剖视图。

图中:

1.上栅板 2.下栅板 3.上端盖 4.上顶端盖 5.下端盖 6.下底端盖 7.非抽吸叶片 8.抽吸叶片 9.连接棒 10.长抽吸棒 11.短抽吸棒 12.栅板抽吸腔 13.栅板叶片固定槽 14.安装孔 15.螺纹盲孔 16.端壁抽吸槽 17.上抽吸腔 18.螺孔 19.圆孔 20.端盖叶片固定槽 21.隔板 22.下抽吸腔 23.通孔 24.前螺孔 25.后螺孔

具体实施方式

本实施例是一种吸附式压气机叶栅实验装置，用于对压气机叶栅叶片吸力面进行抽吸的实验和用于对压气机叶栅端壁进行抽吸的实验、对压气机叶栅叶片吸力面和端壁进行组合抽吸的实验。

参阅图1～图23，本实施例吸附式压气机叶栅实验装置，由栅板1、下栅板2、上端盖3、上顶端盖4、下端盖5、下顶端盖6、非抽吸叶片7、抽吸叶片8、连接棒9、长抽吸棒10、短抽吸棒11组成；实验装置整体上沿叶片高度中部截面上下对称，上栅板1和下栅板2通过螺栓与两个连接棒9固定连接。本实施例中，非抽吸叶片7共有五片，分布在叶栅一侧有两片，另一侧有三片；抽吸叶片8共有四片，等间距分布在叶栅中间，叶片两端分别插入上下栅板对应的栅板叶片固定槽13内。叶栅是直列叶栅，所有叶片均采用9^#叶型，弦长为65毫米，轴向弦长为60.57毫米，进出口几何角分别为47.08°和-1.98°，稠度为1.73，安装角为21.27°。非抽吸叶片7叶型为9^#叶型，弦长为65毫米，叶高为100毫米，上下分别部分延伸长10毫米以便插进栅板上对应的叶片固定插槽13固定。本实施例中有五个非抽吸叶片，其中二片安装在叶栅左侧与左侧连接棒9相邻的两个插槽上，三片安装在叶栅右侧与右侧连接棒9相邻的三个插槽上。

抽吸叶片8叶型参数与非抽吸叶片一致，在叶片吸力面60％轴向弦长位置开有抽吸槽，抽吸槽沿轴向方向宽度为1.3毫米，从0％叶高到100％叶高直线开设，开槽方向垂直于叶片表面。叶片上下分别部分延伸13毫米，叶片内部开设抽吸腔与吸力面抽吸槽连通，抽吸腔从上到下贯穿整个叶片，其形状与叶片形面相适应。四片抽吸叶片安装于叶栅中部的四个叶片固定插槽上。

上栅板1下端临近四个抽吸叶片吸力面位置分别各开设有一个端壁抽吸槽16，端壁抽吸槽与叶片吸力面保持平行，距吸力面的距离为1.5毫米，抽吸槽宽度为1.3毫米，端壁抽吸槽起始点的位置为16.5％轴向弦长处，终点位于叶片尾缘处。上栅板1上端在与端壁抽吸槽16相对应的位置开设有四个抽吸腔12，深度为10毫米，抽吸腔与端壁抽吸槽相连通。上栅板1上表面在抽吸腔周围布置有十二个M4的螺纹盲孔15，用于与上底端盖3和上顶端盖4的连接。上栅板1左右两端各开有三个安装孔，用于与连接棒9相连接。

本实施例中，下栅板2形状和结构完全与上栅板关于叶片中部横截面对称。

上端盖3位于上栅板1的上方，四周开有十二个圆孔19，圆孔位置与上栅板1的螺纹盲孔15同心，直径为4.5毫米，用于与上栅板1、上顶端盖4的连接。上端盖3的上表面开有四个上抽吸腔17，深度为13毫米，抽吸腔底部开有端盖叶片固定槽20，形状与上栅板1的栅板叶片固定槽13完全相同，位置与之对应，抽吸叶片8的延伸段从上栅板1的栅板叶片固定槽13穿出，然后插入上端盖3的端盖叶片固定槽20。上端盖3的下表面开有四个下抽吸腔22，深度为9毫米，与上栅板1的抽吸腔位置对应，形状相同，两者共同组成抽吸端壁气流的抽吸腔。下抽吸腔22与端盖叶片固定槽20中间设置有四个隔板21，伸出底面3毫米，其凹面涂密封胶与上栅板抽吸腔的凹面粘合，起到密封阻隔气流的作用。下抽吸腔的后端开设有Rc1/4的螺纹通孔18，用来连接长抽吸棒10。

本实施例中，下端盖5形状和结构与上端盖3关于叶片中部横截面对称。

上顶端盖4位于上端盖3的上方，其四周开有和上端盖的圆孔19位置、形状和数目完全一致的通孔23，通过M4长为30毫米的螺钉穿过通孔23与上栅板1、上端盖3连接固定。上顶端盖4中部开有前后两排Rc1/4的螺纹通孔，每排螺纹通孔各四个，阵列而成。前螺孔24与上端盖3的上抽吸腔17对应，并与上抽吸腔17连通，位于上抽吸腔17的前端，分别与四个短抽吸棒11相连接。后螺孔25分别与上端盖3的螺孔18同心，并且分别与四个长抽吸棒10相连接。

下底端盖6其形状和结构和上顶端盖4关于叶片中部横截面对称。连接棒9两端有深为13毫米M8螺孔，将长为20毫米的M8螺钉穿过栅板上的安装孔14并旋入连接棒9两侧的螺纹孔中，起到连接并固定上栅板1和下栅板2的作用。连接棒9共有两个，两栅板之间两端各安装一个。

长抽吸棒10连接在实验装置上半部分与下半部分，对称安装。长抽吸棒10为中通的圆管，外径为14毫米，内径为9毫米，高为116毫米，底部有高为16毫米的Rc1/4外螺纹，顶部有高为4毫米的倒角。底部与螺孔18和螺纹通孔25连接。顶部连接外部抽气装置。长抽吸棒的内部通道与栅板抽吸腔12和下抽吸腔22连通，作为抽吸端壁气流的通道。

短抽吸棒连接在实验装置上半部分与下半部分，对称安装。短抽吸棒11为中通的圆管，外径为14毫米，内径为9毫米，高为108毫米，底部有高为8毫米的Rc1/4外螺纹，顶部有高为4毫米的倒角。底部与螺纹通孔24连接。顶部连接外部抽气装置。短抽吸棒的内部通道与上抽吸腔17连通，作为抽吸叶片吸力面气流的通道。

安装过程

第一步:将二片非抽吸叶片7的底端延伸部分插入下栅板2左侧的两个栅板叶片固定槽13中，再将其余三片非抽吸叶片7的底端延伸部分插入下栅板2右侧的三个栅板叶片固定槽13中。然后将四片抽吸叶片8的底端延伸部分插入下栅板2中部剩下的四个栅板叶片固定槽13中。

第二步:通过将所有九个叶片顶端的延伸部分插入上栅板1的相应的栅板叶片固定槽13的方式，将上栅板1安装在与下栅板2关于叶片中部截面相对称的位置。

第三步:根据气流攻角选择合适的安装孔14安装连接棒9，使得在旋转风洞实验台调整攻角时不会卡住。连接棒9在两栅板两端部之间安装，并用四个长20毫米的M8螺钉穿过栅板上的安装孔14并装入连接棒9两端的螺纹盲孔中，旋紧。

第四步:将上端盖3下表面涂抹密封胶，紧贴上栅板1的上表面放置，使上端盖3上的十二个圆孔19对准上栅板1相应的螺纹盲孔15，然后将上顶端盖4的下表面涂上密封胶，紧贴上端盖3的上表面放置，使上顶端盖4上的十二个通孔23对准上端盖3相应的圆孔19。最后用十二个M4长30毫米的螺钉穿过通孔23和圆孔19装入螺纹盲孔15中并旋紧。

第五步:将四个长抽吸棒10分别旋入上端盖3的螺孔18和上顶端盖4的后螺孔25中。再将四个短抽吸棒11分别旋入上顶端盖4的前螺孔24中。

第六步:按第三步至第五步，在装置下半部分对称安装下端盖5、下底端盖6和长抽吸棒10、短抽吸棒11。

使用时，先将该实验装置安装在叶栅风洞中，再将长抽吸棒10和短抽吸棒11分别与外部抽吸装置连接，并设置与长抽吸棒10相连的外部抽吸装置的抽吸流量为0kg/s,根据需要设置与短抽吸棒11相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸叶片吸力面的气流。抽吸气流将从抽吸叶片8的吸力面抽吸槽进入叶片内部的抽吸腔，然后分成二股，一股气流进入上端盖3的上抽吸腔内，经由装在上半部分的四个短抽吸棒11的内腔被与之相连接的外部抽吸装置抽走，另一股气流进入下端盖5的上抽吸腔内，经由装在下半部分的四个短抽吸棒11的内腔被与之相连接的外部抽吸装置抽走，这二股气流都是叶片吸力面抽吸气流，实现对叶栅叶片吸力面附面层的抽吸。

实施例二

本实施例是用于对压气机叶栅端壁进行抽吸的实验，实验装置的安装过程:使用时，先将此实验装置安装在叶栅风洞中，将长抽吸棒10和短抽吸棒11分别与外部抽吸装置连接，并设置与短抽吸棒11相连的外部抽吸装置的抽吸流量为0kg/s,根据需要设置与长抽吸棒10相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸叶栅端壁的气流。抽吸气流将分成二股，一股气流从上栅板1的端壁抽吸槽16进入由上端盖3的下抽吸腔22和上栅板1的栅板抽吸腔12所组成的端壁抽吸腔内，经由装在上半部分的四个长抽吸棒10的内腔被与之相连接的外部抽吸装置抽走，另一股气流从下栅板2的端壁抽吸腔16进入由下端盖5的下抽吸腔22和下栅板2的栅板抽吸腔12所组成的端壁抽吸腔内，经由安装在下半部分的四个长抽吸棒10的内腔被与之相连接的外部抽吸装置抽走，这两股气流都是端壁抽吸气流，实现对叶栅端壁附面层的抽吸。

实施例三

本实施例是用于对压气机叶栅叶片吸力面和端壁进行组合抽吸的实验，实验装置的安装过程:

使用时，先将此实验装置安装在叶栅风洞中，将长抽吸棒10和短抽吸棒11分别与外部抽吸装置连接，并根据需要分别设置与长抽吸棒10相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸端壁的气流以及与短抽吸棒11相连接的外部抽吸装置的抽吸流量来抽吸叶片吸力面的气流。抽吸气流可分成两部分:一部分气流从抽吸叶片8的吸力面抽吸槽进入叶片内部的抽吸腔，然后分成二股，一股气流进入上端盖3的上抽吸腔内，经由安装在上半部分的四个短抽吸棒11的内腔被抽走，另一股气流进入下端盖5的上抽吸腔内，经由装在下半部分的四个短抽吸棒11的内腔被抽走，两股气流均是叶片吸力面抽吸气流；另一部分气流也分成二股，一股气流从上栅板1的端壁抽吸槽16进入由上端盖3的下抽吸腔22和上栅板1的栅板抽吸腔12所组成的端壁抽吸腔内，经由安装在上半部分的四个长抽吸棒10的内腔被抽走，另一股气流从下栅板2的端壁抽吸腔16进入由下端盖5的下抽吸腔22和下栅板2的栅板抽吸腔12所组成的端壁抽吸腔内，经由装在下半部分的四个长抽吸棒10的内腔被抽走，两股气流均是端壁抽吸气流。最终实现叶栅叶片吸力面附面层和端壁附面层的组合抽吸。

Claims (3)

1.一种吸附式压气机叶栅实验装置，其特征在于:包括上栅板、下栅板、上端盖、上顶端盖、下端盖、下底端盖、非抽吸叶片、抽吸叶片、连接棒、长抽吸棒、短抽吸棒，所述上栅板和所述下栅板为两个结构相同的部件，上栅板和下栅板上分别有栅板叶片固定槽，栅板叶片固定槽一侧有栅板抽吸腔和端壁抽吸槽，上栅板和下栅板两侧靠近端部分别有对称的安装孔，两侧部有螺纹盲孔，两根连接棒与上栅板和下栅板分别通过螺栓与上栅板和下栅板两侧部的安装孔配合固定连接，连接棒两端有螺纹盲孔；抽吸叶片位于上栅板和下栅板之间，抽吸叶片两端分别插入上、下栅板对应的栅板叶片固定槽内，非抽吸叶片分布在抽吸叶片两侧并固定在上栅板、下栅板对应的栅板叶片固定槽内；

所述非抽吸叶片为多片，非抽吸叶片弦长为65毫米，叶高为100毫米，上下端分别延伸长10毫米用以插进上栅板、下栅板对应的栅板叶片固定槽固定；

所述抽吸叶片与所述非抽吸叶片结构相同，抽吸叶片在吸力面60％轴向弦长位置开有吸力面抽吸槽，吸力面抽吸槽沿轴向宽度为1.3毫米，抽吸叶片上下端分别延伸长13毫米，抽吸叶片内部设有抽吸腔与吸力面抽吸槽连通，抽吸腔贯穿整个抽吸叶片，形状与抽吸叶片形面相适应；

所述上端盖位于上栅板的上方，上表面开有上抽吸腔，上抽吸腔底部开有端盖叶片固定槽，形状与上栅板的栅板叶片固定槽相同，位置相对应，抽吸叶片的延伸段从上栅板的栅板叶片固定槽穿出，插入上端盖的端盖叶片固定槽，上端盖的下表面开有下抽吸腔，下抽吸腔与上栅板的栅板抽吸腔位置对应、形状相同，下抽吸腔与端盖叶片固定槽中间设置有隔板，隔板凹面涂有密封胶与上栅板的栅板抽吸腔的凹面粘结，用于密封阻隔气流；

所述上顶端盖位于上端盖的上部，上顶端盖上开有两排数量相等错位阵列的前螺孔和后螺孔，短抽吸棒与前螺孔配合安装，长抽吸棒与后螺孔配合安装。

2.根据权利要求1所述的吸附式压气机叶栅实验装置，其特征在于:所述上栅板上在与端壁抽吸槽相对应的位置开有等数量栅板抽吸腔，栅板抽吸腔与端壁抽吸槽相连通，端壁抽吸槽起始点的位置为抽吸叶片的16.5％轴向弦长处，终点位于抽吸叶片的叶片尾缘处。

3.根据权利要求1所述的吸附式压气机叶栅实验装置，其特征在于:所述下栅板、下端盖、下底端盖的形状和结构分别与上栅板、上端盖、上顶端盖以叶片高度中部横截面对称。

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