CN110005641A - 压气机叶片及压气机流动分离控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压气机叶片及压气机流动分离控制方法，使得压气机在大流量和小流量工况均具有较佳的工作状态。其中的压气机叶片包括叶片本体以及包边部，所述叶片本体为非金属材料，所述叶片本体的尾缘部分由包边部包边，其中，所述包边部为记忆合金材料制成，所述压气机叶片还包括设置在所述叶片本体内的电加热装置、压电转换开关，所述压电转换开关根据所述叶片本体的叶背尾缘的压力变化开启所述电加热装置，以使所述电加热装置对所述包边部进行加热，所述包边部的低温相使所述叶片本体的尾缘保持在第一尾缘形状，所述包边部的高温相使叶片本体的尾缘保持在第二尾缘形状，所述第一尾缘形状和所述第二尾缘形状分别适合于叶片的不同攻角工况。

Description

压气机叶片及压气机流动分离控制方法

技术领域

本发明涉及压气机叶片及压气机流动分离控制方法。

背景技术

在现代航空发动机设计时要求压气机具有高压比、高效率的特点，还要求压气机有足够的稳定工作范围。压气机主要作用是对空气做压缩功以提高其压力，为燃烧室提供高温高压气体。由于气体具有黏性，在流经压气机叶片表面时总有附面层存在。空气流经压气机每一级时，压力都会增高，气体处于逆压梯度环境下。对于压气机叶型压力面由于逆压梯度不大，附面层较薄，但是在叶型吸力面即叶背表面处，逆压梯度相对较大，附面层较厚且发展较快，到达一定程度时就会引起附面层的分离损失，甚至在高马赫数情况会引起激波-附面层干涉，加重流动分离，导致分离损失急剧增加。这样会大幅降低压气机的性能，甚至会造成十分严重的后果。

压气机在非设计点工作时，当压气机流量减小，气流进入叶栅通道的攻角就会增大，大攻角情况下会很容易使气流在叶背处发生流动分离，导致损失大幅增大，压气机性能明显降低。

目前主要通过对压气机叶片附面层进行抽吸的方法来控制流动分离，降低损失，如中国专利文献CN103410779A，公开日为2013年11月27日，公开了一种高负荷轴流压气机静叶栅流动分离控制方法，通过针对不同造型叶片在特定位置处设置抽吸槽，以解决在高负荷压气机中，由于负荷增加造成的附面层分离，开抽吸槽数量过多造成的抽吸管道布局困难、叶片强度下降的问题。不过这主要针对在高负荷设计下的正弯、反弯叶片，具有很强的针对性，因此在其它叶片造型形式上的应用也相应受到了一定限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压气机叶片及压气机流动分离控制方法，使得压气机在大流量和小流量工况均具有较佳的工作状态。

根据本发明一方面的压气机叶片包括叶片本体以及包边部，所述叶片本体为非金属材料，所述叶片本体的尾缘部分由包边部包边，其中，所述包边部为记忆合金材料制成，所述压气机叶片还包括设置在所述叶片本体内的电加热装置、压电转换开关，所述压电转换开关根据所述叶片本体的叶背尾缘的压力变化开启所述电加热装置，以使所述电加热装置对所述包边部进行加热，所述包边部的低温相使所述叶片本体的尾缘保持在第一尾缘形状，所述包边部的高温相使叶片本体的尾缘保持在第二尾缘形状，所述第一尾缘形状和所述第二尾缘形状分别适合于叶片的不同攻角工况。

在所述叶片的一个实施例中，所述包边厚度为t，该压气机叶片的叶型最大厚度为T，t≤0.2T；此外包边部的包边范围从叶片本体尾缘点起占压气机叶片的叶型弦长百分比为k，0.20c≤k≤0.45c，其中c为压气机叶片的叶型的弦长。

在所述叶片的一个实施例中，所述包边部与所述叶片本体以胶接方式连接。

根据本发明另一方面的压气机流动分离控制方法，对压气机叶片尾缘部分采用记忆合金进行包边；利用记忆合金的双程记忆效应，在设计工况下，所述包边保持压气机叶片具有高气动特性的叶型型线，在小流量工况下，大正攻角时，通过加热所述包边改变压气机叶片的叶型尾缘形状以减小流动分离范围控制流动分离发展。

在所述方法的一个实施方式中，通过感应叶型尾缘预先埋设传感器监测到的压力变化，转换成电信号，以此判断是否处于流动分离状态，所述压力变化达到一定阈值后，触发开关启动电加热装置进行所述加热。

在所述方法的一个实施方式中，在压气机叶片内部设置压电转换开关，通过预先埋设的传感器，监测叶背尾缘包边范围内的压力变化梯度，δ＝(Pmax-Pmin)/Δ(x/B)，其中Pmax为叶背尾缘处监测到的最大压力，Pmin为叶背尾缘处监测到的最小压力,Δ(x/B)为包边范围内的相对轴向距离，通过压电信号转换，当对应监测数据δ<m*δ0时，其中m为阈值系数，δ0为攻角为0度时的所述压力变化梯度，根据所设计叶片气动性能以及具体的包边范围确定，则判定压力变化梯度达到设计阈值，进一步判定叶背处已经发生了较严重的流动分离，从而触发压电转换开关启动电加热装置以进行所述加热。

前述方案通过采用前缘记忆合金包边的方式，使得叶片尾缘部分具有对应两种运行工况下各自最佳的形状，使得无论在哪种状态下，叶片叶背区域处的流动分离都能被较好地控制，抑制了流动分离的产生，提高了压气机的性能和稳定性。

附图说明

本发明的上述的以及其它的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1显示了正攻角增大过程中压气机叶片叶背处流动分离的示意图；

图2显示了攻角在0°时压气机叶型表面压力系数分布图；

图3显示了攻角在10°时压气机叶型表面压力系数分布图；

图4显示了根据本发明的压气机叶片在不同工况下变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

如图1所示，在非设计工况下，如当压气机流量减小时，压气机叶型处于正攻角状态下，攻角为+i’，在逆压梯度不大、正攻角较小时气流附面层在叶背会发生分离，导致损失增大；当流量进一步减小时，攻角会也会进一步增大到+i，此时叶背处的流动分离无论是范围上还是强度上都会快速增大，从而导致损失的急剧增加。另一方面在设计工况下，攻角较小，气体基本可以保持沿着叶背流动，此时损失也较小。由此可知，需要解决的是，当攻角由小变大时，抑制流动分离的发展，减小其范围和强度。

因此当不改变前方来流的情况下，需要在小流量工况下大正攻角时，通过改变叶型尾缘部分区域叶型形状，使其适应此时来流，减小流动分离范围，从而抑制流动分离的发展，削弱其强度，进而控制流动分离的损失。另一方面，当进口来流恢复到小攻角状态时，叶型形状也能得到恢复，以适应此时的流动。这样就可以在上述两种状态下，通过叶片尾缘形状的改变和恢复，使气流尽可能地沿着叶片表面流动，从而控制流动分离的发展，减小分离损失，保证压气机稳定高效的运行。

根据本发明的一实施例，压气机叶片的本体为非金属材料，前缘和尾缘分别采用包边部进行增强，其中尾缘由记忆合金包边，包边厚度为t，t≤0.2T，T为叶型最大厚度；包边范围从尾缘点起占叶型弦长百分比为k，0.20c≤k≤0.45c，其中c为叶型的弦长。此外，在该压气机叶片内部增设电加热装置，安装在叶片内部；并且还增设压电转换开关，通过感应叶型尾缘预先埋设传感器监测到的压力变化。如图2和图3所示，在攻角为0°时，叶背尾缘附近压力变化搅打，而在大正攻角下例如10°时，叶背尾缘附件压力变化趋缓，据此可以监测该变化转换成电信号，以此判断是否处于流动分离状态，达到一定阈值后，触发开关启动电加热装置。在达到阈值前，前缘记忆合金保持低温相，为图4所示的A型尾缘，使叶片运行在小攻角抵损失的设计点状态。流量增大导致攻角增加时，叶型叶背处压力变化，触发开关，加热装置启动，温度升高，尾缘记忆合金变成高温相，为B型尾缘，此时叶片流动分离范围减小，抑制了流动分离，降低了分离损失。

在一个实施例中，通过预先埋设的传感器监测叶背尾缘包边范围内的压力变化梯度，δ＝(Pmax-Pmin)/Δ(x/B)，其中Pmax为叶背尾缘处监测到的最大压力，Pmin为监测到的最小压力,Δ(x/B)为包边范围内的相对轴向距离。当叶片运行在小攻角状态时，叶背尾缘附近处的压力变化梯度δ0(0°攻角)较大，而在大正攻角的工况下，叶背尾缘附近处的压力变化相对趋缓，即δ<δ0。通过压电信号转换，当对应监测数据δ<mδ0时(其中m为阈值系数，根据所设计叶片气动性能以及具体的包边范围确定)，认为达到设计阈值，此时叶背处已经发生了较严重的流动分离，从而触发开关启动电加热装置。

前述实施例根据所设计的叶型气动性能、包边范围以及阈值系数，可有效降低流动分离损失4％～15％左右。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.压气机叶片，包括叶片本体以及包边部，所述叶片本体为非金属材料，所述叶片本体的尾缘部分由包边部包边，其特征在于，所述包边部为记忆合金材料制成，所述压气机叶片还包括设置在所述叶片本体内的电加热装置、压电转换开关，所述压电转换开关根据所述叶片本体的叶背尾缘的压力变化开启所述电加热装置，以使所述电加热装置对所述包边部进行加热，所述包边部的低温相使所述叶片本体的尾缘保持在第一尾缘形状，所述包边部的高温相使叶片本体的尾缘保持在第二尾缘形状，所述第一尾缘形状和所述第二尾缘形状分别适合于叶片的不同攻角工况。

2.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述包边厚度为t，该压气机叶片的叶型最大厚度为T，t≤0.2T；此外包边部的包边范围从叶片本体尾缘点起占压气机叶片的叶型弦长百分比为k，0.20c≤k≤0.45c，其中c为压气机叶片的叶型的弦长。

3.如权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述包边部与所述叶片本体以胶接方式连接。

4.压气机流动分离控制方法，其特征在于，对压气机叶片尾缘部分采用记忆合金进行包边；利用记忆合金的双程记忆效应，在设计工况下，所述包边保持压气机叶片具有高气动特性的叶型型线，在小流量工况下，大正攻角时，通过加热所述包边改变压气机叶片的叶型尾缘形状以减小流动分离范围控制流动分离发展。

5.如权利要求4所述的压气机流动分离控制方法，其特征在于，通过感应叶型尾缘预先埋设传感器监测到的压力变化，转换成电信号，以此判断是否处于流动分离状态，所述压力变化达到一定阈值后，触发开关启动电加热装置进行所述加热。

6.如权利要求4所述的压气机流动分离控制方法，其特征在于，在压气机叶片内部设置压电转换开关，通过预先埋设的传感器，监测叶背尾缘包边范围内的压力变化梯度，δ＝(Pmax-Pmin)/Δ(x/B)，其中Pmax为叶背尾缘处监测到的最大压力，Pmin为叶背尾缘处监测到的最小压力,Δ(x/B)为包边范围内的相对轴向距离，通过压电信号转换，

当对应监测数据δ<m*δ0时，其中m为阈值系数，δ0为攻角为0度时的所述压力变化梯度，根据所设计叶片气动性能以及具体的包边范围确定，则判定压力变化梯度达到设计阈值，进一步判定叶背处已经发生了较严重的流动分离，从而触发压电转换开关启动电加热装置以进行所述加热。