CN109826817B - 一种组合抽吸式平面叶栅实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置包括第一栅板、第二栅板、第一抽吸罩、第二抽吸罩、非抽吸叶片、抽吸叶片、栅板棒、吸力面抽吸棒和端壁抽吸棒；第一抽吸罩和第二抽吸罩为镜像对称设置的两个板状结构，分别固定于所述第一栅板和第二栅板的外端面的中心位置；第一抽吸罩和第一栅板之间、第二抽吸罩和第二栅板之间形成多个端壁抽吸腔和多个吸力面抽吸腔，分别通过安装外端的所述端壁抽吸棒和吸力面抽吸棒导出附面层低能流体。克服了现有技术中不能同时进行端壁抽吸和吸力面抽吸的困难，并且实现了能够独立控制端壁和叶片吸力面抽吸流量的目的，满足不同工况下两个抽吸槽的流量匹配的实验需求。同时能够充分完全的抽吸端壁附面层低能流体。

Description

一种组合抽吸式平面叶栅实验装置

技术领域

本发明属于航空发动机高负荷压气机叶栅气动实验领域，具体涉及一种组合抽吸式平面叶栅实验装置。

背景技术

附面层抽吸技术是一种通过吸除叶栅通道内部关键位置的低能流体，减少或吸除边界层流动分离的方法，可使压气机单级的压比和效率增加，并使得压气机在叶片负载大、逆压梯度强的条件下还能够维持高工作效率及稳定工作状态，在发动机流动分离控制方面已经取得了较为普遍的研究与运用。然而随着压气机负荷的提升，叶栅通道内的流动分离情况变得恶化，不仅仅会产生吸力面附面层的分离，三维角区分离所引起的大回流区的影响也不容忽视，并且这些大回流区内所包含的低能、低速流体是压气机内部损失和堵塞的主要来源，其形成和发展往往受到叶栅通道内多种二次流动的影响包括马蹄涡，通道涡，脱落涡等比较复杂的流动结构。因此，需要设计一种同时消除叶片吸力面及端壁附面层分离的主动控制方法。

自从Kerrebrock提出吸附式压气机概念之后，在压气机内部采用抽吸的方法来控制压气机内部分离流动成为一个重要的研究方向。在压气机叶栅实验装置设计方面，也有许多国内外研究学者做了相关的工作。发明专利CN 101050771A介绍了一种利用抽吸提高压气机叶栅负荷的方法，该方法通过将叶片吸力面型面削薄一层来，并在叶背吸力峰位置布置吸气截面来控制叶片表面的附面层分离，从而提高叶片负荷减小损失，但是该方法在一定程度上改变了原始叶片的吸力面型线，使得流场发生改变；发明专利CN 101059131A设计了一种吹气或吸气式压气机叶栅实验装置，该实验装置由端板、实心叶片、空心叶片、吸气接口等装置组成，但是该实验装置只能对叶片吸力面附面层分离进行控制，不能同时控制端壁附面层发展及叶栅角区分离；哈尔滨工业大学的郭爽、陈绍文、宋彦萍、陈浮、王仲奇和大连海事大学的陆华伟等在论文《组合抽吸对大转角扩压叶栅性能的影响》中通过实验研究了低速条件下在端壁及吸力面同时进行附面层吸除对某大转角扩压叶栅性能的影响，同时简要介绍了叶栅附面层的抽吸结构，但并未给出叶片吸力面和端壁组合抽吸的叶栅结构示意图。

实用新型专利CN202140297U公开了一种组合抽吸式压气机叶栅实验装置，通过在叶片吸力面与端壁分别开槽并将两者的抽吸气流集中在抽吸罩内实现对叶片吸力面及端壁附面层的同时控制，实现独立控制吸力面抽吸气流及端壁气流的目的，此方案中用于抽吸叶片的各个安装槽的尾缘处贯通所在栅板，形成了抽吸叶片气体抽吸缝，由于只在尾缘处贯通，所以对于抽吸叶片根部其他未贯通部分的气流抽吸不完全，任然会形成二次流动，不能达到高效的实验目的。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明在仅增加一层抽吸罩并且不改变原始叶片型线的基础上提出了一种组合抽吸式平面叶栅实验装置，改善现有技术中不能同时对吸力面附面层及端壁附面层进行充分抽吸的问题，同时改善实验装置安装过程繁琐的问题。

本发明的技术方案是：一种组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：包括第一栅板、第二栅板、第一抽吸罩、第二抽吸罩、四片非抽吸叶片、四片抽吸叶片、两根栅板棒、多个吸力面抽吸棒、多个端壁抽吸棒；

所述第一栅板和第二栅板为镜像对称设置的两个板状结构，其相对面设定为内端面，另一面设定为外端面；所述第一栅板和第二栅板上各均布有八个叶片安装槽，所述叶片安装槽贯通于其所在栅板；所述抽吸叶片的两端均通过所述叶片安装槽垂直均布于第一栅板和第二栅板的中心位置，所述非抽吸叶片的两端均通过所述叶片安装槽垂直均布于第一栅板和第二栅板的两端；在所述第一栅板上每个抽吸叶片的吸力面一侧、靠近用于安装抽吸叶片的叶片安装槽的位置均设置有一个贯通于第一栅板的端壁抽吸槽；所述第一栅板外端面上均布四个第一凹槽作为第一端壁凹腔，所述第一端壁凹腔均位于抽吸叶片吸力面一侧，与所述端壁抽吸槽一对一连通；所述第一栅板外端面上均布有四个第二凹槽作为第一吸力凹腔，所述第一吸力凹腔均位于抽吸叶片压力面一侧，与所述抽吸叶片内部的空腔一对一连通；所述第一栅板和第二栅板的两端分别通过栅板棒固定；

所述第一抽吸罩和第二抽吸罩为镜像对称设置的两个板状结构，分别通过螺钉固定于所述第一栅板和第二栅板的外端面的中心位置；所述第一抽吸罩上均布四个第三凹槽作为第二端壁凹腔，所述第二端壁凹腔位于抽吸叶片吸力面一侧，与所述第一端壁凹腔一一对于设置，形成用于存储端壁气流的端壁抽吸腔；所述第一抽吸罩上均布有四个第四凹槽作为第二吸力凹腔，所述第二吸力凹腔位于抽吸叶片压力面一侧，与所述第二吸力凹腔一一对于设置，形成用于存储吸力面气流的吸力面抽吸腔；在所述第二端壁凹腔和第二吸力凹腔底面均设置有螺纹通孔，分别用于安装所述端壁抽吸棒和吸力面抽吸棒；

所述端壁抽吸棒和吸力面抽吸棒均为中空圆管，用于导出端壁抽吸腔和吸力面抽吸腔内的附面层低能流体。

本发明的进一步技术方案是：所述端壁抽吸槽为月牙形，其内弧面与所述抽吸叶片吸力面平行且形状相同，且内弧面作为第一端壁凹腔的一个侧壁。

本发明的进一步技术方案是：所述叶片安装槽弦长中点所连直线与第一栅板中轴线重合。

本发明的进一步技术方案是：在所述第二端壁凹腔及第二吸力凹腔边缘均设计有榫槽结构，其外壁轮廓与第一端壁凹腔和第一吸力凹腔完全贴合，并在贴合壁面涂密封胶，起到阻隔气流泄漏掺混的作用。

本发明的进一步技术方案是：所述吸力面抽吸棒和端壁抽吸棒的数量为各八根。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种组合抽吸式平面叶栅实验装置，在不改变原始叶片型线的基础上，分别于叶片吸力面及栅板壁面开设抽吸槽及抽吸腔。采用分腔抽吸的方式，即将叶片端壁的抽吸气流从端壁抽吸腔抽出，将叶片吸力面的抽吸气流从吸力面抽吸腔抽出，克服了现有技术中不能同时进行端壁抽吸和吸力面抽吸的困难，并且实现了能够独立控制端壁和叶片吸力面抽吸流量的目的，满足不同工况下两个抽吸槽的流量匹配的实验需求。

端壁抽吸槽内弧面与所述抽吸叶片吸力面平行且形状相同，能够充分完全的抽吸端壁附面层低能流体。同时吸力面抽吸腔及端壁抽吸腔均位于同一层抽吸罩，应用上述结构和布局使得整体装置具有安装简单，容易操作，可靠性高等特点。

附图说明

图1为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置整体示意图；

图2为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的非抽吸叶片正视图；

图3为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的非抽吸叶片A-A剖视图；

图4为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的抽吸叶片正视图；

图5为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的抽吸叶片B-B剖视图；

图6为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第二栅板仰视图；

图7为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第二栅板俯视图；

图8为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第一栅板俯视图；

图9为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第一栅板仰视图；

图10为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第二抽吸罩俯视图；

图11为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第二抽吸罩仰视图；

图12为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第二抽吸罩C-C剖视图；

图13为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第一抽吸罩仰视图；

图14为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第一抽吸罩俯视图；

图15为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的第一抽吸罩D-D剖视图；

图16为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的栅板棒正视图；

图17为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的栅板棒E-E剖视图；

图18为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的吸力面抽吸棒正视图；

图19为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的吸力面抽吸棒F-F剖视图；

图20为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的端壁抽吸棒正视图；

图21为本发明一种组合抽吸式平面叶栅实验装置的端壁抽吸棒G-G剖视图；

附图标记说明：1.第一栅板，2.第二栅板，3.第一抽吸罩，4.第二抽吸罩，5.非抽吸叶片，6.抽吸叶片，7.栅板棒，8.吸力面抽吸棒，9.端壁抽吸棒，10.第一端壁凹腔，11.叶片安装槽，12.栅板棒安装孔，13.M4螺纹通孔，14.端壁抽吸槽，15.第二端壁凹腔，16.M10螺纹通孔，17.M4螺纹通孔，18.第二吸力凹腔，19.第一吸力凹腔。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施条例是一种组合抽吸式平面叶栅实验装置。

参阅图1～图21，本实施条例由第一栅板1、第二栅板2、第一抽吸罩3、第二抽吸罩4、非抽吸叶片5、抽吸叶片6、栅板棒7、吸力面抽吸棒8、端壁抽吸棒9组成。第一栅板1和第二栅板2的结构为镜像对称；第一抽吸罩3和第二抽吸罩4的结构为镜像对称。

第一栅板1和第二栅板2各开设有八个叶片安装槽11，各个叶片安装槽11从栅板一端向另一端等距排列，其弦长中点所连直线与第一栅板1中轴线重合，四个非抽吸叶片5与四个抽吸叶片6通过将其两端延伸部分分别插入第一栅板1与第二栅板2的叶片安装槽11中实现两部分的连接。第一抽吸罩3与第二抽吸罩4的端面上沿周向均布有14个螺纹通孔，第一栅板1与第二栅板2在与所述14个螺纹通孔相应位置设置有对应的螺纹盲孔，用M4螺钉穿过第一抽吸罩3的通孔并与第一栅板1的螺纹盲孔相连接，起到连接固定第一抽吸罩3与第一栅板1的作用；用M4螺钉穿过第二抽吸罩4的通孔并与第二栅板2的螺纹盲孔相连接，起到连接固定第二抽吸罩4与第二栅板2的作用。在第一栅板1与第二栅板2两端均布置有三个M8螺纹通孔，用M8螺钉穿过第一栅板1的通孔并与栅板棒7的螺纹盲孔相连接；用M8螺钉穿过第二栅板2的通孔并与栅板棒7另一端的螺纹盲孔相连接，起到连接固定第一栅板1、第二栅板2、栅板棒7的作用。

第一抽吸罩3位于第一栅板1的上方，第二抽吸罩4位于第二栅板2下方，在第一抽吸罩3与第二抽吸罩4边缘周向布置有与第一栅板1和第二栅板2相对应的十四个螺纹通孔，实现与第一栅板1和第二栅板2之间的连接。在连接完成后，第一抽吸罩3上的第二端壁凹腔15与第一端壁凹腔10共同组成存储抽吸气流的端壁抽吸腔；第二吸力凹腔18与第一吸力凹腔19共同组成存储吸力面气流的吸力面抽吸腔。抽吸腔边缘均设计有榫槽结构，在两者完成连接后，盖板与栅板之间抽吸腔接触面完全贴合，并且第一抽吸罩3与第二抽吸罩4抽吸腔外壁面涂有的密封胶起到密封阻隔气流，防止泄漏掺混的作用。

在第一栅板1和第二栅板2上每个抽吸叶片的吸力面一侧、靠近用于安装抽吸叶片的叶片安装槽的位置均设置有一个贯通于第一栅板1和第二栅板2的端壁抽吸槽14，端壁抽吸槽14起始点的位置为抽吸叶片6吸力面圆弧的1％弦长处，终点位于99％弦长处。端壁抽吸槽14为月牙形，其内弧面与所述抽吸叶片吸力面平行且形状相同，端壁抽吸槽14内弧面与抽吸叶片吸力面之间的距离在0.5mm～3mm范围之内。

非抽吸叶片5叶型为某高负荷压气机叶片，非抽吸叶片5弦长63mm，叶高100mm，进出口几何角分别为40.17°和-13.21°，稠度1.33。通过将叶片上下两端分别向外延伸10毫米形成的凸台结构插入第一栅板1与第二栅板2两端的叶片安装槽11，用于固定叶片位置，并形成叶栅实验周期性边界条件要求。

抽吸叶片6叶型参数与非抽吸叶片5一致，在叶片吸力面79％轴向弦长位置开有吸力面抽吸槽，并在叶片两端向外延伸7毫米以便插进栅板上对应的叶片安装槽11以固定抽吸叶片6。抽吸叶片6内部为中空结构，形成的中空腔与吸力面抽吸槽相连通，用于组成吸力面抽吸气流的流通通道，中空腔贯通整个叶片，其形状与叶片形面相适应。

四个抽吸叶片6插装在第一栅板1和第二栅板2中间位置的叶片安装槽11内，形成三个抽吸通道，四个非抽吸叶片5中两个为一组分别插装在两端的叶片安装槽11内。

栅板棒7两端分别开有深13毫米M8螺纹孔12，在第一栅板1和第二栅板2左右两端各安装一个，两端通过M8螺钉分别与第一栅板1和第二栅板2连接，进而实现整体的连接。

吸力面抽吸棒8是中空的圆管，外径8.8毫米，内径5.8毫米，高110毫米，底部有7毫米外螺纹，顶部有3毫米倒角，便于将顶部与实际实验中的气流管道相连接。在第一栅板与第二栅板的吸力面抽吸腔外部各安装4个，分别用于吸除第一栅板与第二栅板吸力面抽吸腔中存储的附面层低能流体。

端壁抽吸棒9是中空的圆管，外径8.8毫米，内径5.8毫米，高110毫米，底部有10毫米外螺纹，顶部有3毫米倒角，便于将顶部与实际实验中的气流管道相连接。在第一栅板与第二栅板的端壁抽吸腔外部各安装4个，分别用于吸除第一栅板与第二栅板端壁抽吸腔中存储的附面层低能流体。

吸力面抽吸棒8与端壁抽吸棒9通过其端部的螺纹结构分别与第一栅板1和第二栅板2上的M10螺纹通孔16连接，在第一栅板1和第二栅板2上下各安装四个吸力面抽吸棒8及端壁抽吸棒9。

本实施条例安装过程

将第二栅板水平放置在工作台上，将两片非抽吸叶片的底端延伸部分插入第二栅板最左侧的两个叶片安装槽中，再将其余两片非抽吸叶片的底端延伸部分插入第二栅板最右侧的两个叶片安装槽中。然后将四片抽吸叶片的底端延伸部分插入第二栅板中部剩余的四个叶片安装槽中。此时再将第一栅板各叶片安装槽位置调整到与八个叶片顶部投影位置，并将叶片顶端延伸部分插入第一栅板对应的安装槽，并调整位置使得第一栅板与第二栅板关于叶片中部截面对称。

根据气流攻角在满足不与风洞试验段挡板干涉的前提下，在栅板的三个螺纹通孔中选择合适的螺纹通孔安装栅板棒，并且使得变换攻角时可顺利旋转风洞试验段。栅板棒在叶栅左右两侧各装一个，用长20毫米的M8螺钉穿过栅板上的安装孔并旋入栅板棒两端的螺纹盲孔中，拧紧固定。

将第一抽吸罩下表面、第二端壁凹腔、第二吸力凹腔外表面涂上密封胶，紧贴第一栅板的上表面放置，使第一抽吸罩上的十四个通孔对准第一栅板相应位置的螺纹盲孔，最后用十四个长22毫米的M4螺钉穿过第一抽吸罩通孔旋入第一栅板相应的螺纹盲孔中并拧紧。

将四个吸力面抽吸棒底部各自旋入第一抽吸罩吸力面抽吸腔所对应的M10螺纹通孔并拧紧；再将四个端壁抽吸棒底部各自旋入第一抽吸罩端壁抽吸腔所对应的M10螺纹通孔并拧紧，在第一抽吸罩外表面两者配合位置涂适当密封胶，进一步阻止气流泄漏。

仿照以上安装第一抽吸罩、吸力面抽吸棒、端壁抽吸棒步骤，在装置下半部分对称安装第二抽吸罩、吸力面抽吸棒以及端壁抽吸棒。

使用过程：

使用时，先将此实验装置安装在风洞试验段中，再将吸力面抽吸棒和端壁抽吸棒分别与外部抽吸装置连接，根据实验需求调整与吸力面抽吸棒相连的外部抽吸装置和与端壁抽吸棒连接的外部抽吸装置的抽吸流量，可通过流量阀进行控制。吸力面抽吸气流将从抽吸叶片的吸力面抽吸槽进入叶片内部的中空腔，然后分成2股，一股气流进入第一抽吸罩的吸力面抽吸腔内，最后经由上半部分的四根吸力面抽吸棒及与之相连接的外部抽吸装置抽走；另一股气流进入第二抽吸罩的吸力面抽吸腔内，最后经由下半部分的四根吸力面抽吸棒及与之相连接的外部抽吸装置抽走，这两股气流都是叶片吸力面抽吸气流，从而实现对吸力面附面层低能流体的控制。端壁抽吸气流也将分成两股，一股气流从第一栅板的端壁抽吸槽进入由第一栅板的第一端壁凹腔和第一抽吸罩的第二端壁凹腔所组成的端壁抽吸腔内，最后经由上半部分的四个端壁抽吸棒及与之相连接的外部抽吸装置抽走；另一股气流从第二栅板的端壁抽吸槽进入由第二栅板的第一端壁凹腔和第二抽吸罩的第二端壁凹腔所组成的端壁抽吸腔内，最后经由下半部分的四个端壁抽吸棒及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低能流体的控制。具体实验时，可根据需求分别设定吸力面抽吸流量和端壁抽吸流量，进而实现不同流量匹配下的组合抽吸。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：包括第一栅板、第二栅板、第一抽吸罩、第二抽吸罩、四片非抽吸叶片、四片抽吸叶片、两根栅板棒、多个吸力面抽吸棒、多个端壁抽吸棒；

所述第一栅板和第二栅板为镜像对称设置的两个板状结构，其相对面设定为内端面，另一面设定为外端面；所述第一栅板和第二栅板上各均布有八个叶片安装槽，所述叶片安装槽贯通于其所在栅板；所述抽吸叶片的两端均通过所述叶片安装槽垂直均布于第一栅板和第二栅板的中心位置，所述非抽吸叶片的两端均通过所述叶片安装槽垂直均布于第一栅板和第二栅板的两端；在所述第一栅板上每个抽吸叶片的吸力面一侧、靠近用于安装抽吸叶片的叶片安装槽的位置均设置有一个贯通于第一栅板的端壁抽吸槽；所述第一栅板外端面上均布四个第一凹槽作为第一端壁凹腔，所述第一端壁凹腔均位于抽吸叶片吸力面一侧，与所述端壁抽吸槽一对一连通；所述第一栅板外端面上均布有四个第二凹槽作为第一吸力凹腔，所述第一吸力凹腔均位于抽吸叶片压力面一侧，与所述抽吸叶片内部的空腔一对一连通；所述第一栅板和第二栅板的两端分别通过栅板棒固定；

所述第一抽吸罩和第二抽吸罩为镜像对称设置的两个板状结构，分别通过螺钉固定于所述第一栅板和第二栅板的外端面的中心位置；所述第一抽吸罩上均布四个第三凹槽作为第二端壁凹腔，所述第二端壁凹腔位于抽吸叶片吸力面一侧，与所述第一端壁凹腔一一对应设置，形成用于存储端壁气流的端壁抽吸腔；所述第一抽吸罩上均布有四个第四凹槽作为第二吸力凹腔，所述第二吸力凹腔位于抽吸叶片压力面一侧，与所述第一吸力凹腔一一对应设置，形成用于存储吸力面气流的吸力面抽吸腔；在所述第二端壁凹腔和第二吸力凹腔底面均设置有螺纹通孔，分别用于安装所述端壁抽吸棒和吸力面抽吸棒；

所述端壁抽吸棒和吸力面抽吸棒均为中空圆管，用于导出端壁抽吸腔和吸力面抽吸腔内的附面层低能流体。

2.根据权利要求1所述组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：所述端壁抽吸槽为月牙形，其内弧面与所述抽吸叶片吸力面平行且形状相同，且内弧面作为第一端壁凹腔的一个侧壁。

3.根据权利要求1所述组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：所述叶片安装槽弦长中点所连直线与第一栅板中轴线重合。

4.根据权利要求1所述组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：在所述第二端壁凹腔及第二吸力凹腔边缘均设计有榫槽结构，其外壁轮廓与第一端壁凹腔和第一吸力凹腔完全贴合，并在贴合壁面涂密封胶，起到阻隔气流泄漏掺混的作用。

5.根据权利要求1所述组合抽吸式平面叶栅实验装置，其特征在于：所述吸力面抽吸棒和端壁抽吸棒的数量为各八根。

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