CN109983235A - 压缩机叶片表面造型 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机叶片，具有引导边缘和拖尾边缘，和引导边缘和拖尾边缘之间的表面造型，该表面造型包括至少一组人字形肋部，其由多个v型肋部形成，其中该v型肋部间隔开200‑400μm之间的距离，且具有50‑120μm之间的高度。

Description

压缩机叶片表面造型
技术领域
本发明涉及一种压缩机叶片上的表面造型。
背景技术
由降低叶片数量以便降低总部件重量的需要所驱动，轴向压缩机叶片被设计为承受高负荷且由此容易流动分离，特别在偏离设计的操作条件处。随着叶片负荷的越来越高，需要对流动进行控制，因为在吸力峰值后容易出现强烈的逆压梯度，并且在许多情况下会出现失速。而且，对于在较低雷诺兹数处工作的压缩机，叶片的抽吸表面上的层状边界层分离通常增加，引起性能的退化。
为了控制边界层分离，前人已经探索了被动和主动两种方法以减少或克服轴向压缩机中分离的影响。先前已经探索出的主动方法的一些实施例包含稳定和脉冲空气射流以使用声波激发或等离子促动器控制抽吸表面上的分离。已知被动流动控制设备的实例是叶片以及犁涡发生器，腔的使用以控制与湍流边界层之间互相作用的冲击波，以及低姿涡流发生器以降低边界层厚度。
根据类型，被动设备可以在分离开始前触发边界层过渡，由此彻底避免分离，或它们引入流动不稳定(其预测形成分离剪切层中的转变由此减小气泡尺寸)。
被动控制方法保持更好的技术因为因为它们的简单性和成本效益。然而，被动设备的显著缺点是在较高的雷诺兹数量下，它们会产生很高的轮廓损失。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种压缩机叶片，具有引导边缘和拖尾边缘，和引导边缘和拖尾边缘之间的表面造型，该表面造型包括至少一组人字形肋部，其由多个v型肋部形成，其中该v型肋部间隔开200-400μm之间的距离，且具有50-120μm之间的高度。
结果，该压缩机叶片受边界层分离的影响较小，特别在较低雷诺兹数处，且总压力损失可在高负荷压缩机叶栅(其包括压缩机叶片)中被降低。
该至少一组人字形肋部可被放置以使该组人字形肋部的上游端部位于用于叶片的边界层分离气泡内。
该至少一组人字形肋部可被放置以使该组人字形肋部的上游端部位于叶片的从引导边缘的总弦长度的24％-46％之间处,且可被放置以使该组人字形肋部的上游端部位于叶片从引导边缘的总弦长度的37％处。
该至少一组人字形肋部的下游端部可位于叶片的拖尾边缘处。替代地，该至少一组人字形肋部的下游端部可位于叶片的从拖尾边缘的总弦长度的5％-20％之间，且可位于叶片的从拖尾边缘的总弦长度的10％处。
由v型肋部的每个形成的角度可在40°和80°之间，且可为60°。
该v型肋部可被间隔开300μm的距离，且该v型肋部可具有80μm的高度。
该压缩机叶片可为扩散器叶片和叶轮叶片中的一个。
该表面造型可使用激光蚀刻到叶片的表面上。
该表面造型可被提供在粘到叶片的表面的胶粘带中。
本发明的第二方面提供了一种胶粘带，其包括表面造型刻于其中，其包括由多个v型肋部形成的至少一组人字形肋部，其中该v型肋部间隔开200-400μm之间的距离，且具有50-120μm之间的高度。
该胶粘带可由聚氯乙烯(PVC)形成，或胶粘带可由金属箔形成。
该表面造型可通过激光蚀刻形成。
本发明的第三方面提供了一种应用表面造型到压缩机叶片的方法，该方法包括首先在胶粘带中形成表面造型，然后将胶粘带粘到压缩机叶片。
附图说明
为了本发明可被更容易地理解,本发明的实施例现在将要参考下面的附图通过实例而被描述，其中：
图1是压缩机叶片级联试验(cascade testing)装置的示意性图示；
图2示出了叶片叶栅的一部分的示意性图示；
图3示出了压缩机叶片；
图4示出了图3中的压缩机叶片，具有表面造型；
图5示出了一组人字形肋部；
图6示出了穿过两个肋部的横截面；以及
图7A和7B示出了具有数组人字形肋部形成在其中的胶粘带。
如现在将描述的，以及如在附图中所示的，研究发现，在高负荷压缩机叶栅中，新型的人字型肋部可以有效地降低压缩机叶栅的总压力损失。
以下术语在这里使用相应的符号作为缩写：
α 入射角
β 叶片角
p 节距长度
c 弦长度
c’ 在局部坐标系中的轴向弦长度
Re 雷诺数
ξ1 节距对弦的比
ξ2 纵横比
sp 跨度长度
LE 引导边缘
TE 拖尾边缘
LSL 层流分离线
RL 重新附着线
s 肋部槽宽度
h 肋部槽深度
θ 肋部发散角
lr 带肋部条带长度
br 带肋部条带宽度
具体实施方式
图1示出了试验装置1的示意性图示。由电机驱动的离心风扇形式的空气流发生器(未示出)被设置在湍流格状物2的上游。湍流格状物2允许可调节的湍流水平以使作用于叶片5上的空气流的流动特性可被调节。湍流格状物2的下游是收缩区段3，在其中流动被加速。叶栅4被示出在收缩区段3的下游，且该叶栅4被安装到尾板6，其允许叶栅4的易于接近，移除和更换。试验装置1意在提供120m/s的最大流动速度跨过叶栅4，对应于约3×105的最大雷诺兹数。本申请中发现的叶栅意在可在相对较低的雷诺兹数(在5×104到2×105的范围内)处操作。雷诺兹数的这个范围被认为对于通常在涡轮机械内发现的这类型的高速压缩机(如涡轮增压机或高速压缩机)是较低的。例如，涡轮增压机通常在约5×105到1×106的雷诺兹数处工作。
图2示出了图1中所示的叶栅4的一部分的示意性图示。该叶栅由13个叶片5组成，形成试验装置内的12个通道。然而，仅仅三个叶片被示出在图2中。该叶片5具有高负荷轮廓，31mm的弦长度(c)和51.2mm的高度(跨度，sp)以确保确保跨度中部的二维流动。最大厚度是2.5mm，在从领导边缘(LE)8的34％弦长度处。叶片5的转向角是60.3°。试验装置1中的叶栅4的叶片5可关于进入流动方向旋转以便允许入射角在-10deg<α<+10deg的范围内变化。叶片轮廓的主要几何参数如表1中所示。
雷诺数(Re) 1×10<sup>5</sup>
实际弦长度(c) 31.0mm
轴向弦长度(c’) 26.1mm
节距(p) 15.9mm
节距对弦的比(ξ<sub>1</sub>) 0.513
跨度(s<sub>p</sub>) 51.2mm
纵横比(ξ<sub>2</sub>) 1.65
入口叶片角度(β1) 0.83°
出口叶片角度(β2) 61.1°
表1
图3示出了压缩机叶片20。这个压缩机叶片20可为被使用在压缩机的扩散器内的类型，或可为叶轮叶片，例如在轴向叶轮上，图1中的试验装置中的叶片5类似于压缩机叶片20，且试验装置1意在执行试验以发现压缩机内的叶片的最佳几何参数。该叶片20由此为一般叶片形状(其可被使用，例如在高速轴向压缩机内)。叶片20具有引导边缘(LE)22(其在叶片的上游侧部处)和拖尾边缘(TE)24(其在叶片的下游侧部处)。LE 22和TE 24之间的距离被称为弦长度，示出为尺寸c。
图4示出了图3中的叶片，具有表面造型改动。该表面造型改动是数组人字形肋部30的形式。图4中的叶片20具有七组人字形肋部30在叶片20的凸形上表面上。一组人字形肋部被示出在图5中。穿过两个相邻肋部峰部的放大的横截面被示出在图6中。
由发明者执行的试验发现压缩机叶片上比如叶片20上，越过叶片表面的流动的层状边界层在层状分离线LSL处分离，其是自LE的约24％的弦长度(24％c)处，且在重新附着线RL处(在约46％弦长度(46％c)处)重新附着。因此，为了降低叶片20上的边界层分离，该组人字形肋部被放置在叶片表面上以使肋部的起点也就是肋部的上游端部，位于分离气泡内。图4中的肋部在自LE 22的37％c处起始。该人字形肋部端部，也就是下游端部，接近于拖尾边缘(TE)24，且在图4中的叶片20中，肋部端部在自LE 22的90％c处(也就是自TE 24的10％c处)。该肋部可在TE 24处终止，但已发现肋部在靠近TE 24，但与TE 24相距小距离处终止是有利的。
当具有人字形肋部的叶片24被定位在叶栅中，且被使用在试验装置中比如图1中所示的试验装置，发现随叶栅的压力分布与当叶栅使用没有人字形肋部的叶片时均匀得多。此外，平均总压力损失系数在具有人字形肋部的叶片被使用时还降低22.4％。而且，随叶栅的速度矢量被分布更均匀，其中平均流动转向角被增加10度。因此，由于人字形肋部的使用，意义深远的空气动力学改进被实现。
一组肋部的长度lr取决于叶片20的总弦长度c。典型地，lr将为约总弦长度c的66％-44％。对于叶片具有31mm的弦长度c，lr将为约13mm-20mm，且优选在16mm和18mm之间。对于相同尺寸叶片，一组肋部的宽度br是约4-10mm，且在优选实施例中是6mm。一组肋部30由多个交替V型肋部40和槽42形成。肋部40的v型的两个臂部和槽之间的角度θ是60°，其中每个臂部相对于穿过每组肋部30的中间的中心线以30°角度处延伸。在优选实施例中，如图4,5和6中所示，肋部40间隔开200-400μm之间的距离s，优选300μm，且每个肋部具有50-120μm之间的高度h，优选80μm。然而，应理解s和h的值可根据叶片的规格和需求以及压缩机的工作参数而变化。
肋部30的组可被放置为在叶片表面上邻近彼此以使没有间隙在它们之间。然而，两个相邻组肋部30的0.2mm和1mm之间的间隙已被发现为有利的。一特别优选实施例具有相邻组肋部30之间的0.5mm的间隙。
因此，对于在具有31.0mm的弦长度c的叶片上的特别优选实施例，在图4,5和6中提及的尺寸在下表2中列出。
c 31.0mm
A 11.47mm
B 3.1mm
D 6.5mm
E 45mm
s 300μm
h 80μm
l<sub>r</sub> 18mm
b<sub>r</sub> 6mm
θ 60°
表2
每组人字形肋部30可使用激光直接在叶片表面刻槽来形成。激光蚀刻/雕刻是用于建立肋部的优选方法，因为高水平的灵活性，也因为它提供了容易且精确的可控性。
然而，直接到叶片表面的激光蚀刻/雕刻可证明是困难的，特别当叶片形成较大部件的一部分时，例如如果叶片在扩散器或叶轮中。也许是困难的或不可能将激光角度对准以实现叶片上的恰当的位置中的期望造型。例如，激光透镜可为固定在垂直方向中，其可意味着在制造过程期间用于激光的工作点仅仅能够沿水平平面移动。精确的3D控制设备(其能够在叶片上的弯曲表面上激光雕刻)将被需求，且这个控制设备的成本可能为及其昂贵的。
替代方法是在如胶粘带的胶布上制造人字形肋部30组(如图77A和7B中所示)，可以将其粘在叶片表面的期望位置中。激光可仍然被使用于在胶布中建立肋部，但由于胶布的平面特性，制造过程比直接在叶片表面使用激光容易地多。所需数量组的肋部30可被形成作为一件胶布上的单个胶粘带，其于是被粘作为一件到叶片表面上。替代地，个别可移除组的肋部30可被产生作为胶布的个别胶粘带。那么，每组肋部可从胶粘带上取下且根据需求被放置在叶片表面上。图7A示出了胶布50的胶粘带包括八组人字形肋部，其被布置为重叠构造用于较大的空间效率，且图7B中示出了胶布52的狭窄带，其具有成一个线的四组人字形肋部30。
该胶布可由聚氯乙烯(PVC)形成，例如类似于包装胶布(又称包裹胶布)或电气绝缘胶布。在替代实施例中，胶布可由薄的金属箔形成。发现使用粘性金属箔形成人字形肋部产生最佳降低边界层分离的结果，假设肋部保持完美形状。然而，箔容易变皱，且如果不小心处理，被形成在箔内的肋部可能在应用到叶片表面期间变得畸形。这可导致肋部的效力降低。另一方面，胶布PVC虽然没有在减少边界层分离上达到和箔一样的高水平结果,仍然是非常有效的但不遭受与箔遭受的相同的微褶皱问题,且由此对于典型的制造过程可提供更好的选择。
尽管特殊实施例已被描述，应理解各种修改可在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下被做出。

Claims (23)

1.一种压缩机叶片，具有引导边缘和拖尾边缘，和引导边缘和拖尾边缘之间的表面造型，所述表面造型包括至少一组人字形肋部，其由多个v型肋部形成，其中所述v型肋部间隔开200-400μm之间的距离，且具有50-120μm之间的高度。
2.根据权利要求1所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部被放置以使所述组人字形肋部的上游端部位于叶片的边界层分离气泡内。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部被放置以使所述组人字形肋部的上游端部位于叶片从引导边缘的总弦长度的24％-46％之间处。
4.根据权利要求3所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部被放置以使所述组人字形肋部的上游端部位于叶片的从引导边缘的总弦长度的37％处。
5.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部的下游端部位于叶片的拖尾边缘处。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部的下游端部位于叶片的从拖尾边缘的总弦长度的5％和20％之间。
7.根据权利要求6中所述的压缩机叶片，其中所述至少一组人字形肋部的下游端部位于叶片的从拖尾边缘的总弦长度的10％处。
8.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中由v型肋部的每个形成的角度是在40°和80°之间。
9.根据权利要求8所述的压缩机叶片，其中由v型肋部的每个形成的角度是60°。
10.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中v型肋部被间隔开300μm的距离。
11.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中v型肋部具有80μm的高度。
12.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中所述压缩机叶片是扩散器叶片和叶轮叶片中的一个。
13.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机叶片，其中所述表面造型是使用激光蚀刻到叶片的表面上的。
14.根据权利要求1-10中任一项所述的压缩机叶片，其中所述表面造型被提供在粘到叶片的表面的胶粘带中。
15.一种胶粘带，包括表面造型刻于其中，其包括由多个v型肋部形成的至少一组人字形肋部，其中所述v型肋部间隔开200-400μm之间的距离，且具有50-120μm之间的高度。
16.根据权利要求15所述的胶粘带，其中由v型肋部的每个形成的角度是在40°和80°之间。
17.根据权利要求16所述的胶粘带，其中由v型肋部的每个形成的角度是60°。
18.根据权利要求15-17中任一项所述的胶粘带，其中v型肋部被间隔开300μm的距离。
19.根据权利要求15-18中任一项所述的胶粘带，其中v型肋部具有80μm的高度。
20.根据权利要求15-19中任一项所述的胶粘带，其中所述胶粘带由聚氯乙烯(PVC)形成。
21.根据权利要求15-19中任一项所述的胶粘带，其中所述胶粘带由金属箔形成。
22.根据权利要求15-21中任一项所述的胶粘带，其中所述表面造型通过激光蚀刻形成。
23.一种应用表面造型到压缩机叶片的方法，所述方法包括首先在胶粘带中形成表面造型，然后将胶粘带粘到压缩机叶片。
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