CN109356884A - 一种具有仿生顶室的压气机动叶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有仿生顶室的压气机动叶，包括设置在压气机动叶叶片的叶顶的多个仿生顶室，所述仿生顶室为向叶片1底部方向凹陷的微米级凹槽。所述的仿生顶室可通过激光、机械或化学方法在所述叶顶上进行加工制成。本发明在各种压气机叶顶采用仿生顶室的设计，具有减小叶顶泄漏，削弱叶顶附近擦流涡，提高压气机的效率和稳定裕度，调整叶顶处的叶片载荷，改善压气机的做功能力，本发明不仅可以在新设计的压气机上直接应用，并且可以在已有压气机动叶上直接进行改型加工，不需要额外附加结构。

Description

一种具有仿生顶室的压气机动叶
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种应用于各种类型压气机(轴流压气机和离心压气机)的一种具有仿生顶室的压气机动叶。
背景技术
大自然赋予各种生物独特体貌特征和身体结构，经过亿万年的进化，其结构与功能已达到近乎完美的程度。研究表明，自然界中生物体具有的这些优异的结构和功能均是通过由简单到复杂、由无序到有序的多级次、多尺度的组装而实现。
蜻蜓堪称昆虫界的战斗机，是自然界最优秀的飞行者之一，其通过膜翅振动产生不同于周围大气的局部不稳定气流，利用气流产生的涡流上升，能在很小的推力下实现向前、向后、向左右两侧飞行，还能在空中悬停，甚至作短距垂直飞行。这些复杂的飞行动作都是通过膜翅实现的。膜翅是蜻蜓的飞行器官，其上布满了纵横交错的翅脉，翅脉又分为纵脉和横脉，纵脉与横脉交织分布，围成封闭的多边形翅室，布满翅膜，从而在宏观上形成了类似网格的结构。纵脉严格按照凹凸的次序排列，顺着翼展方向，使得每个翅室处于下凹区。膜翅横截面呈无规则的皱褶状，纵脉位于皱褶的最高点和最低点，并由横脉和翅膜相连。蜻蜓翅膀的这种独特构形与表面形态，一方面可以减少惯性矩，降低振翅时所需的能量，缓释翅尖内的应力；另一方面，能够承受拍动、滑翔、盘旋等各种飞行姿态中产生的种种不同负载，且能在受到过大的惯性力和突发冲击荷载时，更灵活地飞行和变形，使之能够随着飞行环境的改变而调节自身的能量和应力。同时，蜻蜓翅膀的皱褶状结构形成的拱形通道能产生更多的涡流来提高升力，增强其飞行能力。
在压气机中，动叶叶顶与机匣间存在很小的间隙，动叶旋转时，间隙内的流体以一定相对角度流过动叶，并以泄漏涡的形式与动叶叶顶相互作用，使动叶在旋转一周的过程中叶顶载荷不断变化。同时，间隙泄漏流与通道涡相互作用，间隙泄漏流与叶顶激波和端壁附面层相互作用，动叶叶顶相对于机匣高速运动形成的擦流涡等，都严重影响了压气机的效率和稳定性。虽然动叶叶顶与机匣间的间隙尺寸相对于压气机流道的尺寸非常小，但是间隙产生的泄漏流造成的损失约占流道总损失的20％，在小尺寸压气机内影响更为显著。因此，合理调控叶顶泄漏流动，对提高压气机的性能和稳定性，尤其是非设计工况时的性能和稳定性尤为重要。
蜻蜓翅膀的翅室结构不仅可以调整自身所受的不同负载，且能对气流进行合理的控制来提高升力。发明人团队借鉴翅室结构特点及其对气流调控原理，在动叶叶顶布置类似翅室的顶室结构，研究发现顶室结构可以有效提高压气机的压比和效率，并提高稳定工作裕度。
发明内容
本发明参考蜻蜓膜翅翅室的结构，设计出一种应用于各种压气机具有仿生顶室的压气机动叶，这种在动叶叶顶设置仿生顶室的设计能够减少压气机的叶顶泄漏，削弱叶顶与机匣之间的擦流涡，调整叶顶处的叶片载荷，改善压气机的做功能力，同时也改善压气机的流场结构，提高压气机的效率和稳定裕度。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种具有仿生顶室的压气机动叶，包括设置在压气机动叶叶片的叶顶的多个仿生顶室，所述仿生顶室为向叶片底部方向凹陷的微米级凹槽。
进一步地，多个所述仿生顶室沿着所述叶顶的中弧线或沿着压气机流道主流方向均匀排布。
进一步地，所述的仿生顶室的形状和尺寸根据具体压气机间隙尺寸进行设置；同一级压气机的压气机动叶叶顶布置的仿生顶室的尺寸、形状和数量完全相同。
进一步地，所述的仿生顶室的深度尺寸为40μm～300μm，最大宽度尺寸为20μm～2mm，最大长度尺寸为50μm～2.4mm，两个相临仿生顶室之间的间距为50μm～3mm。
进一步地，所述的仿生顶室的横截面形状可为长方形、正方形、平行四边形、六边形、梯形、圆形、椭圆形或上述几种图形的组合图形。
进一步地，所述的仿生顶室可通过激光、机械或化学方法在所述叶顶上进行加工制成。
本发明具有以下优点：
在各种压气机叶顶采用仿生顶室的设计，具有减小叶顶泄漏，削弱叶顶附近擦流涡，提高压气机的效率和稳定裕度，调整叶顶处的叶片载荷，改善压气机的做功能力。本发明不仅可以在新设计的压气机上直接应用，并且可以在已有压气机动叶上直接进行改型加工，不需要额外附加结构。
基于上述理由本发明可在压气机等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式中一种具有仿生顶室的压气机动叶结构示意图。
图2是本发明具体实施方式中仿生顶室尺寸图。
图3是本发明具体实施方式中压气机的效率特性线。
图4是本发明具体实施方式中压气机的压比特性线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种具有仿生顶室的压气机动叶，包括设置在压气机动叶叶片1的叶顶3的多个仿生顶室2，所述仿生顶室2为向叶片底部方向凹陷的微米级凹槽。所述的仿生顶室可通过激光、机械或化学方法在所述叶顶3上进行加工制成。
多个所述仿生顶室2沿着所述叶顶3的中弧线方向均匀排布。
如图2所示，本实施例中的压气机型号为DMU1，压气机动叶叶片1顶间隙高度400μm，所述的仿生顶室2的横截面形状为长方形且具有倒角，所述倒角的倒圆角半径为200μm，仿生顶室2深度为100μm，宽度600μm,长度1mm，相临两个所述仿生顶室的间距为1mm。
图3和图4是本实施例在动叶叶顶开设仿生顶室前后的效率和压比的特性线，可明显的看到具有仿生顶室2的压气机的效率和压比具有明显的提高，且压气机的稳定裕度明显扩大。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于，包括设置在压气机动叶叶片(1)的叶顶(3)的多个仿生顶室(2)，所述仿生顶室(2)为向叶片(1)底部方向凹陷的微米级凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于：多个所述仿生顶室(2)沿着所述叶顶(3)的中弧线均匀排布。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于：多个所述仿生顶室(2)沿着压气机流道主流方向均匀排布。
4.根据权利要求1所述的一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于：所述的仿生顶室(2)的深度尺寸为40μm～300μm，最大宽度尺寸为20μm～2mm，最大长度尺寸为50μm～2.4mm，两个相临仿生顶室之间的间距为50μm～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于：所述的仿生顶室(2)的横截面形状可为长方形、正方形、平行四边形、六边形、梯形、圆形、椭圆形或上述几种图形的组合图形。
6.根据权利要求1所述的一种具有仿生顶室的压气机动叶，其特征在于：所述的仿生顶室(2)可通过激光、机械或化学方法在所述叶顶(3)上进行加工制成。
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