CN110685976B - 叶片附面层抽吸射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶片附面层抽吸射流装置，包括叶片主体、可转动地设置在叶片主体上气流进出端的转子以及罩盖在转子上且与叶片主体固连的弧形叶片前缘，叶片主体气流进出端的表面上并排设置有多个静叶流道，转子的表面上设置有以其轴线为中心的螺旋形的多个动叶流道，多个静叶流道与多个动叶流道一一对应且连通，叶片前缘在固定于叶片主体上后其与叶片主体其中一表面之间形成用于气流进出的第一缝隙以及与叶片主体上相对的另一表面之间形成气流进出的第二缝隙，第一缝隙和第二缝隙均与多个静叶流道连通。本发明通过一个驱动源驱动转子转动即可获得稳定持续的射流，且射流的大小和方向通过控制转子旋转的转速和方向进行改变，控制方法简单。

Description

叶片附面层抽吸射流装置

技术领域

本发明涉及主动流动控制的技术领域，具体涉及一种基于零工质射流且应用于叶片的抽吸射流装置。

背景技术

流动分离是流体力学中一类非常重要而又复杂的流动现象，普遍存在于航空航天、动力机械等各类实际工程中。在许多动力机械中，流体从固壁表面分离是不可避免的。尽管分离流动可以提高热量和质量的传输以及混合效率，但由于其固有的非定常性，往往造成大量的能量损耗。流动分离不仅会引起飞行器的阻力增大、升力减小，导致回流甚至失速，还会降低动力机械的运行效率，使动力机械产生振动并危害机组安全运行。例如，在轴流压缩机中，绕流叶栅的流动发生分离会使压缩机进入旋转失速和喘振等不稳定的破坏性工况，导致压比和效率急剧下降，振动增加，甚至造成重大事故。因此，加深对分离流动物理过程的认识，发展分离流动控制技术，一直是学术界和工程界关注的焦点。

进行流动控制的目的包括延迟/加速转捩、抑制/加强湍流、阻止/促进分离等，从而减小阻力、增加升力、加强掺混、加强热传导并抑制流动引起的噪声，具有广泛的工程应用前景。进行流动控制还可以在很大程度上提高动力机械的性能。例如，在透平机械叶片表面进行流动控制可以延迟流动分离，提高压比和质量流量；在机翼表面进行控制可以使流动状态从层流转捩为湍流，降低流动阻力；而对火箭发动机进行流动控制则可以增大掺混程度，提高燃烧效率及比冲，使发动机的小型化成为可能，同时可以大大提高火箭及导弹的机动性、经济性，增大射程和载荷，提高能源利用率。

流动控制技术按控制方式分为被动控制与主动控制。被动控制是没有辅助能量消耗的流动控制。这种控制技术通过改变流动边界条件、压强梯度等达到控制流动的目的，主要采用调节优化几何型面来实现(如在物体表面使用固体涡旋发生器、在分离点上游物体表面加工一系列横向或纵向沟槽、在物体表面布置粗糙单元等方法来减少或抑制流动分离)。这种控制是事先确定的，当实际情况偏离设计状态时，控制效果有可能达不到最佳设计状态。

主动控制是将辅助能量引入流动的控制。采用这种控制方法时，需要在流动环境中直接注入合适的扰动，使之与系统内的流动相互作用达到控制目的。主动控制方法包括表面运动、连续或间断吸吹以及以激光、电子束、等离子体等为载体输入能量的方法。流动分离的主、被动控制方法各有优缺点，被动控制的优点在于结构简单，无需额外添加装置或系统，但是变工况性能较差，不能根据主流工况的变化进行相应的调整，而且会增大流动阻力。主动控制的优势在于具有良好的变工况性能，可以根据工况的变化改变自身结构或流动参数，从而达到最优的控制效果，但是主动控制方法往往需要添加额外的装置或系统，从而增加了系统本身的复杂性。

合成射流(synthetic jet)又称零质量射流，是一种采用流体激励器进行流场主动控制的全新技术。由于工质来源于主流流体，无需外部供应流体，因此控制结构比较简单，所需能量极小。Ingard等在1950年就已利用声波使管内空气产生振动，进而在圆管两端的小孔得到一系列涡环结构，但直到1993年，Wiltse等的研究才使合成射流技术真正成为一种主动流动控制技术，其后该技术迅速成为相关研究的热点。国内，明晓等在20世纪80年代末也开始研究零质量射流各种现象的形成机理，并将其应用于流动分离的主动控制。传统的零工质射流流动控制技术的射流通常为点状分布，如果要求大面积覆盖叶片表面，需要布置多个零工质射流激励器，故一般需要布置多个驱动源进行驱动，而且容易出现射流不持续且不便于控制射流的大小和方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片附面层抽吸射流装置，该抽吸射流装置只需要一个驱动源，且本装置射出的射流是持续的、射流的大小和方向通过控制转子旋转的转速和方向进行改变，控制方便。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种抽吸射流装置，包括叶片主体、可转动地设置在所述叶片主体上气流进出端的转子以及罩盖在所述转子上且与所述叶片主体固连的弧形叶片前缘，所述叶片主体的气流进出端的表面上并排设置有多个静叶流道，所述转子的表面上设置有以其轴线为中心的螺旋形的多个动叶流道，所述多个静叶流道与所述多个动叶流道一一对应且连通，所述叶片前缘在固定于所述叶片主体上后其与所述叶片主体其中一表面之间形成用于气流进出的第一缝隙以及与所述叶片主体上相对的另一表面之间形成气流进出的第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙均与所述多个静叶流道连通。

进一步地，所述叶片主体的气流进出端的两侧分别固定一轴承座，所述转子的两端分别通过轴承与所述轴承座连接，所述叶片前缘的两端则分别对应地与所述叶片主体两侧的轴承座通过连接件固定连接。

进一步地，每个所述静叶流道包括靠近所述转子的静叶进入段和远离所述转子的静叶输出段，所述静叶进入段与所述静叶输出段连通，所述静叶进入段与所述转子的轴线之间的夹角与对应的动叶流道与所述转子的轴线之间的夹角相匹配。

进一步地，所述静叶流道的所述静叶进入段向转子方向的延长线设置为与所述动叶流道的表面相切。

进一步地，所述静叶输出段与所述转子的轴线垂直。

进一步地，所述叶片主体的气流进出端的两相对的表面上均并排设置有多个静叶流道，且两相对的表面上的多个静叶流道均与所述多个动叶流道一一对应且连通。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明通过一个驱动源驱动转子转动既可获得稳定持续的射流，且射流的大小和方向通过控制转子旋转的转速和方向进行改变，控制方法简单；当转子顺时针旋转时，气流从压力面抽吸喷射到吸力面；当转子逆时针旋转时，气流从吸力面抽吸喷射到压力面，控制方便；而且当转子旋转时，该抽吸射流装置起到主动流动控制的作用，当转子静止时，该抽吸射流装置本身的存在不会影响到主流的流动；此外，本发明的静叶流道的静叶入口气流角与对应的动叶流道的动叶螺旋角匹配设置，从而使得气流能够顺畅且低损耗地在静叶流道和动叶流道之间流动。

附图说明

图1为本发明实施例抽吸射流装置的结构示意图；

图2为本发明实施例抽吸射流装置的局部爆炸图；

图3为本发明实施例转子的结构示意图；

图4为工质在本发明实施例抽吸射流装置的内部流动示意图；

图5为本发明实施例抽吸射流装置工作时的展向示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供一种叶片附面层抽吸射流装置，如图1和图2所示，包括叶片主体1、可转动地设置在叶片主体1上气流进出端的转子3以及罩盖在转子3上且与叶片主体1固连的弧形叶片前缘2。叶片主体1的上表面与下表面均为弧形结构(本实施例中的“上、下、顺时针、逆时针”等方位的描述均是针对说明书附图而言，不作为对本发明的限制)。叶片主体1的气流进出端的两侧分别固定设置有一轴承座4，每个轴承座4中设置有一轴承5，转子3的两端分别设置在对应的轴承5中，从而使得转子3可以在叶片主体1上自由转动。为了便于控制射流的大小和方向以及保证射流的持续输出，在叶片主体1的气流进出端的上表面和下表面上均并排设置有多个相互平行的静叶流道6。对应地，见图3，在转子3的表面上设置有以其轴线为中心的螺旋形的多个动叶流道7，动叶流道7始终与转子3轴线保持一个角度，该角度称之为动叶螺旋角。为了便于气流的进出，多个静叶流道6与多个动叶流道7一一对应且连通。见图4，每个静叶流道6包括靠近转子3的静叶进入段60和远离转子3的静叶输出段61，静叶进入段60与静叶输出段61连通。静叶进入段60与转子3的轴线之间的夹角为静叶入口气流角，为了进一步提高气流射入和射出的流畅性，该静叶流道6的静叶入口气流角需与对应的动叶流道7的动叶螺旋角对应且匹配设置。这样气流从叶片主体1其中一个表面上的静叶流道6进入，就能顺利进入到转子3上的动叶流道7中再从叶片主体1的另一个表面上的静叶通道6输出。进一步地，可以将静叶流道6的静叶进入段60向转子3方向的延长线设置为与动叶流道7的表面相切，从而有利于气流在动叶流道7离心力作用下顺利进入静叶流道6。此外，为了保证气流能以垂直于转子3轴线的方向射入和射出，静叶输出段61与转子3的轴线垂直。而将静叶输出段61向背离转子3方向延伸的延长线设置为贴合其所在叶片主体1的表面，使两者尽量保证平行有利于保证静叶流道6的静叶输出段61喷出或射入的气流贴在叶片表面。

最后将弧形的叶片前缘2罩盖在转子3上以保护转子3，叶片前缘2的弧形与转子3的形状相配合，且其弧形的直径略大于转子3的直径，罩盖后的叶片前缘2两侧分别通过多根螺栓固定在叶片主体1两侧的轴承座上。固定后的叶片前缘2与叶片主体1的上表面之间形成第一缝隙8，且其与叶片主体1的下表面之间形成第二缝隙9。为了降低气流的损耗，第一缝隙8与叶片主体1上表面上的多个静叶流道6的静叶输出段61对应设置，第二缝隙9与叶片主体1下表面上的多个静叶流道6的静叶输出段61对应设置。

在应用本实施例的抽吸射流装置时，如图5所示，通过驱动源驱动转子3转动，转子3转动的过程中，从叶片主体1的下表面上的第二缝隙9中抽吸气流，气流从下表面上的静叶流道6的静叶输出段61进入经过静叶进入段60再顺利地流至动叶流道7上，之后进入至上表面的静叶流道6中最后从叶片主体1的上表面上的第一缝隙8中喷出。当然，也可以从叶片主体1的上表面上的第一缝隙8中抽吸气流，再从叶片主体1的下表面上的第二缝隙9中喷出。从图中的角度看，当气流从第二缝隙9流向第一缝隙8时，叶型的顺时针环量增加，升力增加；而当气流从第一缝隙8流向第二缝隙9时，叶型的逆时针环量增加，升力降低。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，包括叶片主体、可转动地设置在所述叶片主体上气流进出端的转子以及罩盖在所述转子上且与所述叶片主体固连的弧形叶片前缘，所述叶片主体的气流进出端的表面上并排设置有多个静叶流道，所述转子的表面上设置有以其轴线为中心的螺旋形的多个动叶流道，所述多个静叶流道与所述多个动叶流道一一对应且连通，所述叶片前缘在固定于所述叶片主体上后其与所述叶片主体其中一表面之间形成用于气流进出的第一缝隙以及与所述叶片主体上相对的另一表面之间形成气流进出的第二缝隙，所述第一缝隙和所述第二缝隙均与所述多个静叶流道连通。

2.如权利要求1所述的叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，所述叶片主体的气流进出端的两侧分别固定一轴承座，所述转子的两端分别通过轴承与所述轴承座连接，所述叶片前缘的两端则分别对应地与所述叶片主体两侧的轴承座通过连接件固定连接。

3.如权利要求1所述的叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，每个所述静叶流道包括靠近所述转子的静叶进入段和远离所述转子的静叶输出段，所述静叶进入段与所述静叶输出段连通，所述静叶进入段与所述转子的轴线之间的夹角与对应的动叶流道与所述转子的轴线之间的夹角相匹配。

4.如权利要求3所述的叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，所述静叶流道的所述静叶进入段向转子方向的延长线设置为与所述动叶流道的表面相切。

5.如权利要求3所述的叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，所述静叶输出段与所述转子的轴线垂直。

6.如权利要求1所述的叶片附面层抽吸射流装置，其特征在于，所述叶片主体的气流进出端的两相对的表面上均并排设置有多个静叶流道，且两相对的表面上的多个静叶流道均与所述多个动叶流道一一对应且连通。

Images