CN111102012A - 采用自适应康达喷气的叶片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用康达喷气的叶片，包括：叶片本体(1)，包括凸出的吸力面(2)和凹陷的压力面(3)；喷气通道(8)，其开设在吸力面(2)与压力面(3)之间，喷气通道(8)两端开设有吸力面喷气缝(4)和压力面喷气缝(5)，喷气通道(8)、吸力面喷气缝(4)和压力面喷气缝(5)将吸力面(2)与压力面(3)之间连通；吸力面康达表面(6)，其形成在吸力面喷气缝(4)出口后的吸力面(2)的位置，吸力面康达表面(6)为凸出的曲面；压力面康达表面(7)，其形成在吸力面喷气缝(5)出口后的压力面(3)的位置，压力面康达表面(7)为凸出的曲面。该叶片在工作时，能够有效抑制其表面的流动分离，提高叶轮机械效率。
Description
技术领域
本发明涉及压气机及涡轮等叶轮机械的流动控制领域，尤其涉及一种采用自适应康达喷气的叶片及制作方法。
背景技术
流动分离是一种复杂的流体流动现象，普遍存在于压气机和涡轮等流体机械中，其本质源于粘性流动和非粘性流动的相互作用。流动分离导致的低能流体汇集在叶片表面，阻碍主流流体的流动，造成流动通道的阻塞，导致流体机械性能的降低，流动分离严重时，叶轮机械会进入旋转失速和喘振等不稳定的破坏性工况，效率急剧下降，甚至造成严重的事故。因此，设法抑制叶轮机械中的流动分离具有重要的意义。
基于此背景，国内外研究人员研究了多种流动控制的方法来抑制叶片表面的流动分离，以提高叶轮机械效率，拓展工作范围。现有的流动控制技术主要分为两大类：主动控制和被动控制。其中，被动控制不需要外界提供能量，仅通过改变压气机原来的结构，或添加其他结构来控制气流运动，但是，当流动状态发生改变时，被动控制方案不一定适应该流动状态下的叶轮机械气动性能，反而有可能使性能恶化。主动控制是监测叶轮机械的运行状态，然后通过调节机构来控制流动分离，需要外界提供能量，控制效果明显。近年来，主动控制技术逐渐成熟，相比于被动控制技术，具有更高的灵活性，受到越来越多研究者的关注。
针对叶片表面流动分离现象，主动控制技术中的附面层喷气技术相关研究较多且取得了较为理想的成果，附面层喷气技术因此成为提高压气机效率和稳定性的最具应用潜力的措施之一。康达喷气技术是附面层喷气技术的一种新的应用形式，其与常规的附面层喷气技术的区别在于该技术的应用需要在叶型尾缘构造曲率一定的康达表面。1934年罗马尼亚空气动力学家亨利·康达首先在航空飞行器实验中发现了射流流体具有绕其附近固体表面流动的趋势的特性，并将其命名为康达效应。康达效应首先在机翼上应用，应用康达效应的环量控制翼型已经成功在飞机应用，如美国的YC-14和前苏联的安-72等。Clark和Ordway首先将康达射流引入压气机中，成功推迟了高转速条件下压气机喘振和失速的发生。Fischer将康达效应应用于某四级高速轴流压气机第一级静子叶栅上的二维研究，发现在设计点采用1％的喷气量时可以使静压升提高9％，当发生流动分离之后，采用1％的喷气量可以使气流折转角、静压升增加的同时，减小总压损失。Vorreiter在静叶吸力面尾缘的射流口之后设计康达表面，分别在单列直叶栅和某四级高速压气机第一级静叶栅上进行研究，发现在非设计工况时使用0.5％的喷气量可以有效提高静压升及其它气动性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种采用自适应康达喷气的叶片，以保证在更大攻角范围内抑制流动分离的现象。
(二)技术方案
本发明提供一种采用康达喷气的叶片，包括：
叶片本体1，包括凸出的吸力面2和凹陷的压力面3；
喷气通道8，其开设在吸力面2与压力面3之间，喷气通道8两端开设有吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5，喷气通道8、吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5将吸力面2与压力面3之间连通；
吸力面康达表面6，其形成在吸力面喷气缝4出口后的吸力面2的位置，吸力面康达表面6为凸出的曲面；
压力面康达表面7，其形成在吸力面喷气缝5出口后的压力面3的位置，压力面康达表面7为凸出的曲面。
可选地，在形成吸力面康达表面6的位置，吸力面康达表面6的曲率大于该位置原吸力面2的曲率；在形成压力面康达表面7的位置，压力面康达表面7的曲率大于该位置原压力面3曲率。
可选地，在吸力面喷气缝4的出口位置，吸力面康达表面6与吸力面2相切；在压力面喷气缝5的出口位置，压力面康达表面7与压力面3相切。
可选地，喷气通道8为圆弧通道，通道内各位置的高度相等。
可选地，吸力面喷气缝4及压力面喷气缝5的缝高沿叶片本体1的叶高方向相等。
可选地，吸力面喷气缝4及压力面喷气缝5沿叶片主体1的叶高方向垂直于叶片本体1的流面。
可选地，喷气通道8内设有至少一个导流叶片，以使气体在喷气通道8内进行转折。
可选地，喷气通道8内设有肋板，以加强叶片本体1。
本发明提供一种采用康达喷气的叶片的制作方法，包括：
S1，确定叶片本体1工作时吸力面2和压力面3发生流动分离的起点位置；
S2，在吸力面2发生流动分离的起点位置开设吸力面喷气缝4，在压力面3发生流动分离的起点位置开设压力面喷气缝5；
S3，在吸力面2和压力面3之间开设喷气通道8，将吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5连接，喷气通道8内各位置的高度相等；
S4，对吸力面喷气缝4出口后的吸力面2进行加工，形成能够产生康达效应的吸力面康达表面6，对压力面喷气缝5出口后的压力面3进行加工，形成能够产生康达效应的压力面康达表面7。
可选地，在喷气通道8内装设至少一个导流叶片，以使气体在喷气通道8内进行转折。
(三)有益效果
本发明提供一种采用自适应康达喷气的叶片，通过在叶片的吸力面和压力面开设喷气缝，并自适应喷气通道与喷气缝连接，当攻角变化时，在压差的作用下，气体由压力较小的喷气缝喷出，为叶片附面层的低能流体增加动量，使其抵抗叶片表面流动分离的能力增强，抑制流动分离，这样，在叶片实际运行过程中发生在吸力面和压力面上的流动分离都能得到有效的抑制；喷气缝后设置康达表面，充分利用康达效应，使喷气附壁流动，避免喷气与主流速度方向不一致引起的掺混损失，提高叶轮机械效率。
附图说明
图1是本发明实施例中采用康达喷气的叶片的结构示意图。
【附图中主要元件符号说明】
1-叶片主体
2-吸力面
3-压力面
4-吸力面喷气缝
5-压力面喷气缝
6-吸力面康达表面
7-压力面康达表面
8-喷气通道
h-喷气缝高度
F-喷气通道内的气流方向
图2是本发明实施例中采用康达喷气的叶片喷气通道处的结构的放大示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本实施例提供一种采用自适应康达喷气的叶片，如图1所示，具体结构包括：
叶片本体1，其中，叶片本体1上，气体流过的吸力面2为凸出的曲面，气体流过的压力面3为凹陷的曲面，一般情况下，吸力面2的曲率大于压力面3的曲率。
喷气通道8，其开设在叶片本体1的内部，吸力面2与压力面3之间，喷气通道8两端开设有吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5，喷气通道8、吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5将吸力面2与压力面3之间连通。
吸力面康达表面6，其形成在吸力面喷气缝4出口后的原吸力面2的位置，吸力面康达表面6为凸出的曲面，吸力面康达表面6的曲率大于该位置原吸力面2的曲率。
压力面康达表面7，其形成在吸力面喷气缝5出口后的原压力面3的位置，压力面康达表面7为凸出的曲面，压力面康达表面7的曲率大于该位置原压力面3的曲率。
基于这种结构的设计，吸力面喷气缝4与压力面喷气缝5通过喷气通道8连通，当吸力面2或压力面3任何一面出现流动分离时，两边会产生气压差，出现流动分离一面的气压较低，在压差的作用下，气体将从压力较低(出现流动分离的那一面)的喷气缝的出口喷向吸力面康达表面6或压力面康达表面7，由于康达效应，出现流动分离位置附面层的低能流体在喷出的气体作用下动量增加，使流体抵抗叶片表面流动分离的能力增强，从而抑制流动分离的现象。
其中，在设计喷气通道和喷气缝时，一般将喷气通道8设计为弧形，且保证喷气通道8内各位置的高度相等，吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5的缝高沿叶片叶高方向保持不变，即喷气缝是等高的，这样使得喷气缝各处气体的流道高度一样，能够均匀喷气。同时，保证喷气缝与叶片的前缘平行，这样喷气缝各处喷气的条件一致，避免喷气缝不同位置的气流速度可能不一致影响均匀喷气。
其中，在吸力面喷气缝4的出口位置，吸力面康达表面6与吸力面2相切，在压力面喷气缝5的出口位置，压力面康达表面7与压力面3相切，在无论是吸力面2还是压力面3发生流体分离时，由于康达效应，吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5喷气体方向与主流方向保持一致，喷出的气体都是附壁流动，有效避免喷出气体的方向与主流方向不一致导致的掺混损失，提高叶轮机械效率。
其中，吸力面康达表面6的曲率大于原吸力面2的曲率及压力面康达表面7的曲率大于压力面3曲率是为了保证在发生流动分离时，喷气缝喷向吸力面康达表面6或压力面康达表面7的气体的康达效应更显著，能够有效地抑制流动分离。吸力面康达表面6或压力面康达表面7的曲率不能太大，也不能太小，曲率太小，康达效应增加的气流折转能力下降，曲率太大，气流附壁的时间太短而产生分离，具体的曲率需要根据实际的工况来确定。
其中，在考虑机械加工可行性的情况下，吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5的缝高越小越好，缝高越小，气体喷出时的流通面积越小，气流更加集中，速度更高，出现流动分离位置附面层的低能流体增加的动量越大，使流体抵抗叶片表面流动分离的能力更强，更能有效地抑制流动分离的现象。
其中，喷气通道8内可加装有圆弧形导流叶片，通过对导流叶片的结构、位置进行优化设计，使气体在喷气通道内进行转折，重整后叶片叶高方向均匀喷出，或根据数值模拟/实验结果设计喷气的展向分布比例，另外，喷气通道8里面可加装肋板以加固叶片。
当叶片攻角较大时，流动分离一般主要存在于叶片的吸力面，而当叶片在较小攻角或负攻角情况下运行时，流动分离将主要存在于叶片的压力面。现有的流动分离控制技术多为考虑常规流动攻角下的流动分离情况，且多为在正攻角下叶片吸力面的流动分离，不一定适用于叶轮机械实际运行中的所有攻角范围。
该采用自适应的康达喷气的叶片的工作过程可以理解为：
当叶片攻角较大时，叶片的吸力面康达表面6位置附近容易发生流动分离，此时吸力面康达表面6的气压小于压力面康达表面7的气压，由于喷气通道8将吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5连通，在两侧压差的作用下，气体由压力面喷气缝5吸入，经过喷气通道8后由吸力面喷气缝4喷向吸力面康达表面6，在吸力面喷气缝4喷出的气体的作用下，吸力面康达表面6的附面层上的低能流体的动量增加，从而抑制吸力面康达表面6上气体的流动分离现象。
当叶片攻角较小或负攻角时，叶片的压力面康达表面7上容易发生流动分离，此时吸力面康达表面6的气压大于压力面康达表面7的气压，在两侧压差的作用下，气体由吸力面喷气缝4吸入，经过喷气通道8后由压力面喷气缝5喷向压力面康达表面7，在压力面喷气缝5喷出的气体的作用下，压力面康达表面7的附面层上的低能流体的动量增加，从而抑制压力面康达表面7上气体的流动分离现象。
本实施例提供一种采用康达喷气的叶片的制作方法，包括：
S1，确定叶片本体1工作时吸力面2和压力面3发生流动分离的起点位置；
S2，在吸力面2发生流动分离的起点位置开设吸力面喷气缝4，在压力面3发生流动分离的起点位置开设压力面喷气缝5，吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5的缝高沿叶片本体1的叶高方向相等；
S3，在吸力面2和压力面3之间开设喷气通道8，将吸力面喷气缝4和压力面喷气缝5连接，喷气通道8内各位置的高度相等；
S4，对吸力面喷气缝4出口后的吸力面2进行加工，形成能够产生康达效应的吸力面康达表面6，对压力面喷气缝5出口后的压力面3进行加工，形成能够产生康达效应的压力面康达表面7。其中。吸力面2和压力面3经加工后形成的吸力面康达表面6和压力面康达表面7的曲率大于加工前两表面的曲率。其中，该曲率根据叶片的实际工况来确定，既不能太大也不能太小，曲率太小，康达效应增加的气流折转能力下降，曲率太大，气流附壁的时间太短而产生分离。
其中，在制作该采用康达喷气的叶片过程中，要根据康达表面的曲率以及喷气缝的高度调整叶片的线性，保证加工后的叶片的弦长与原叶片相等，不改变叶片在压气机中的几何尺寸和位置。
另外，在上述叶片二维设计的基础上可以针对具体的叶轮机械中的三维叶片，选取不同径向高度的叶片截面进行上述设计，再将不同截面的数据调整结合，形成叶片的设计方案。
综上所述，本发明通过在叶轮机械叶片的吸力面和压力面开设喷气缝，并将自适应喷气通道与喷气缝连接，当攻角变化时，在压差的作用下，气体由压力较小的喷气缝喷出，为叶片附面层的低能流体增加动量，使其抵抗叶片表面流动分离的能力增强，抑制流动分离，这样，在叶片实际运行过程中发生在吸力面和压力面上的流动分离都能得到有效的抑制，避免了叶片旋转失速和喘振等不稳定的破坏性工况，同时，喷气缝后设置康达表面，充分利用康达效应，使喷气附壁流动，避免喷气与主流速度方向不一致引起的掺混损失，提高叶轮机械效率。将通过本发明设计后的叶轮机械叶片应用于风扇、压气机及涡轮等航空发动机的叶轮机械中，有利于提高叶轮机械乃至整个航空发动机的效率和稳定性，具有良好的推广应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种采用康达喷气的叶片，其特征在于，包括：
叶片本体(1)，其上形成有凸出的吸力面(2)和凹陷的压力面(3)；
喷气通道(8)，其开设在所述吸力面(2)与所述压力面(3)之间，所述喷气通道(8)两端开设有吸力面喷气缝(4)和压力面喷气缝(5)，所述喷气通道(8)、所述吸力面喷气缝(4)和所述压力面喷气缝(5)将所述吸力面(2)与所述压力面(3)之间连通；
吸力面康达表面(6)，其形成在所述吸力面喷气缝(4)出口后的所述吸力面(2)的位置，所述吸力面康达表面(6)为凸出的曲面；
压力面康达表面(7)，其形成在所述吸力面喷气缝(5)出口后的所述压力面(3)的位置，所述压力面康达表面(7)为凸出的曲面。
2.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，在形成所述吸力面康达表面(6)的位置，所述吸力面康达表面(6)的曲率大于该位置原所述吸力面(2)的曲率；
在形成所述压力面康达表面(7)的位置，所述压力面康达表面(7)的曲率大于该位置原所述压力面(3)曲率。
3.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，在所述吸力面喷气缝(4)的出口位置，所述吸力面康达表面(6)与所述吸力面(2)相切；
在所述压力面喷气缝(5)的出口位置，所述压力面康达表面(7)与所述压力面(3)相切。
4.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，所述喷气通道(8)为圆弧通道，通道内各位置的高度相等。
5.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，所述吸力面喷气缝(4)及所述压力面喷气缝(5)的缝高沿所述叶片本体(1)的叶高方向相等。
6.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，所述吸力面喷气缝(4)及所述压力面喷气缝(5)沿所述叶片主体(1)的叶高方向垂直于所述叶片本体(1)的流面。
7.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，所述喷气通道(8)内设有至少一个导流叶片，以使气体在所述喷气通道(8)内进行转折。
8.根据权利要求1所述的采用康达喷气的叶片，其特征在于，所述喷气通道(8)内设有肋板，以加强所述叶片本体(1)。
9.一种基于权利要求1-8任意一项所述采用康达喷气的叶片的制作方法，包括：
S1，确定叶片本体(1)工作时吸力面(2)和压力面(3)发生流动分离的起点位置；
S2，在所述吸力面(2)发生流动分离的起点位置开设吸力面喷气缝(4)，在所述压力面(3)发生流动分离的起点位置开设压力面喷气缝(5)；
S3，在所述吸力面(2)和压力面(3)之间开设喷气通道(8)，将所述吸力面喷气缝(4)和所述压力面喷气缝(5)连接；
S4，对所述吸力面喷气缝(4)出口后的所述吸力面(2)进行加工，形成能够产生康达效应的吸力面康达表面(6)，对所述压力面喷气缝(5)出口后的所述压力面(3)进行加工，形成能够产生康达效应的压力面康达表面(7)率。
10.根据权利要求9所述的采用康达喷气的叶片的制作方法，其特征在于，在所述喷气通道(8)内装设至少一个导流叶片，以使气体在所述喷气通道(8)内进行转折。
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