CN111102241A - 一种轴流压气机叶片及轴流压气机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种轴流压气机叶片，包括：叶片本体(1)，包括叶片本体吸力面(2)和叶片本体压力面(14)，叶片本体吸力面(2)为凸面，叶片本体压力面(14)为凹面，叶片本体吸力面(2)上形成有多个康达表面(6，7，8)；叶片本体吸力面(2)与叶片本体压力面(14)之间开设有多个引气通道(9，10，11)，叶片本体吸力面(2)上开设有多个喷气缝(3，4，5)，并且，喷气缝(3，4，5)的进口与相邻的引气通道(9，10，11)连通，喷气缝(3，4，5)的出口与相邻的康达表面(6，7，8)相连；导流叶片(15)，设于引气通道(9，10，11)内部。另外，本公开还提供了一种轴流压气机。

Description

一种轴流压气机叶片及轴流压气机

技术领域

本公开涉及轴流压气机流动控制领域，具体地，涉及一种轴流压气机叶片及轴流压气机。

背景技术

高空低雷诺数下高性能发动机设计技术是制约高空飞行器研制的瓶颈之一。随着飞行高度的升高，大气温度、压力和密度降低，当发动机在小速度条件下工作时，发动机处于低雷诺数环境，导致摩擦阻力和气流损失增大。雷诺数低于临界雷诺数会造成附面层转捩推迟，叶片前缘附近的层流附面层比湍流附面层更容易分离，叶型损失增加，严重影响压气机的效率和稳定性。因此，设法抑制压气机叶片吸力面流动分离具有重要意义。

在此背景下，国内外研究人员研究了多种流动控制的方法来控制叶片吸力面的流动分离，以提高压气机效率，拓展压气机工作范围。现有的流动控制方法主要分为两大类：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，或添加小结构来控制气体的流动，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，反而有可能使其性能恶化；主动控制是检测压气机的运行状态，然后通过调节机构来控制流动分离，需要外界提供能量，但控制效果明显。近年来，主动控制技术逐渐成熟，相比于被动控制技术有更高的灵活性，受到越来越多研究者的关注。

针对叶片吸力面分离现象，主动控制技术中的关于附面层喷气技术的研究较多且取得了较为理想的成果，因此，附面层喷气技术成为了提高压气机效率和稳定性的最具应用潜力的措施之一，而基于康达效应的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，通过康达效应的环量控制机翼已经成功在飞机上得到应用，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，发现在设计点采用1％的喷气量时可以使静压升提高9％，当发生分离之后，采用1％的喷气量可以使气流折转角和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他气动性能。然而，现有流动分离控制技术研究大多基于常规飞行高度下飞行器的流动分离情况，欠缺高空低雷诺数下流动分离控制技术的研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种轴流压气机叶片及轴流压气机，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种轴流压气机叶片，包括：叶片本体，包括前缘、尾缘、叶片本体吸力面和叶片本体压力面，所述叶片本体吸力面为凸面，所述叶片本体压力面为凹面，所述叶片本体吸力面上形成有多个康达表面；所述叶片本体吸力面与所述叶片本体压力面之间开设有多个引气通道，所述叶片本体吸力面上开设有多个喷气缝，并且，所述喷气缝的进口与所述引气通道连通，所述喷气缝的出口与所述康达表面相连；导流叶片，设于所述引气通道内部。

可选地，所述喷气缝平行于所述叶片本体吸力面的轴向。

可选地，所述引气通道的下表面与相邻的所述康达表面的连接为圆弧连接。

可选地，所述喷气缝的出口连接的所述康达表面相切于与该康达表面相邻的所述叶片本体吸力面。

可选地，所述康达表面的曲率大于原叶片本体吸力面在该康达表面位置处的曲率。

可选地，所述导流叶片为弧形结构。

可选地，所述喷气缝的缝高与所述康达表面的半径之比小于0.1。

可选地，所述导流叶片包括：吸力面导流叶片，其设于与所述叶片本体吸力面相近的所述引气通道的内壁上；压力面导流叶片，其设于与所述叶片本体压力面相近的所述引气通道的内壁上。

可选地，所述引气通道用于连接至喷气气源。

本公开的另一个方面还提供了一种轴流压气机，包括：压气机机匣；轮毂，其设于所述压气机机匣的轴向位置；静叶，其沿所述压气机机匣的轴向位置分布于该压气机机匣的内侧，至少一片所述静叶为上述轴流压气机叶片；动叶，其沿所述压气机机匣的轴向位置分布于该压气机轮毂的外侧。

(三)有益效果

本公开提供的轴流压气机叶片及轴流压气机，具有以下有益效果：

(1)通过在压气机叶片本体吸力面多位置开设喷气缝和引气通道，并将喷气缝后的叶片本体吸力面设置为康达表面，使得喷气缝中喷出的气体为附面层的低能流体增加动量，使其抵抗叶片通道内逆压梯度的能力增强，进而抑制整个吸力面附面层发生流动分离；

(2)引气通道内的导流叶片采用弧形结构，使得引气通道内的喷气以均匀的轴向速度由喷气缝喷出，进而避免喷气在引气通道内由于流动方向偏转而导致的展向分布不均匀；

(3)喷气缝后的叶片本体吸力面采用康达表面，充分利用康达效应，使喷气附壁流动，避免由于喷气与主流速度方向不一致而引起的掺混损失，进而提高压气机的效率。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例提供的轴流压气机叶片的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例提供的轴流压气机叶片内部导流叶片的结构示意图。

附图标记说明：

1-叶片本体；2-叶片吸力面；3-喷气缝；4-喷气缝；5-喷气缝；6-康达表面；7-康达表面；8-康达表面；9-引气通道；10-引气通道；11-引气通道；12-叶片前缘；13-叶片尾缘；14-叶片压力面；15-导流叶片；16-吸力面导流叶片；17-压力面导流叶片。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以有许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

图1示意性示出了本公开实施例提供的轴流压气机叶片的结构示意图，图2示意性示出了本公开实施例提供的轴流压气机叶片内部导流叶片的结构示意图。下面结合图2，对图1中的轴流压气机叶片进行详细说明。

从图1中可以看出，该轴流压气机叶片包括：叶片本体1，包括叶片本体吸力面2和叶片本体压力面14，叶片本体吸力面2为凸面，叶片本体压力面14为凹面，叶片本体吸力面2上形成有多个康达表面6、7、8；叶片本体吸力面2与叶片本体压力面14之间开设有多个引气通道9、10、11，叶片本体吸力面2上开设有多个喷气缝3、4、5，形成的喷气缝3、4、5的进口分别与引气通道9、10、11连通，喷气缝3、4、5的出口分别与康达表面6、7、8相连。

在本实施例中，以形成三个喷气缝为例进行说明。喷气缝3、4、5平行于叶片本体吸力面2的轴向，即喷气缝3、4、5设于叶片本体吸力面2的不同轴向位置，每个喷气缝之间彼此平行，对于单个喷气缝而言，其高度沿叶片本体吸力面2的展向固定不变。每个引气通道9、10、11的下表面与相邻的康达表面6、7、8的连接为圆弧连接，康达表面6、7、8是圆弧连接的一部分。每个引气通道9、10、11的气体经喷气缝3、4、5喷射出去，喷出的气体经康达表面6、7、8流出。喷气缝3、4、5的出口连接的康达表面6、7、8相切于与该康达表面6、7、8相邻的叶片本体吸力面2，这一设计能够有效地避免由于引气通道的喷气与主流速度方向不一致而导致的掺混损失；并且，每个康达表面6、7、8的曲率大于原叶片本体吸力面在该康达表面6、7、8位置处的曲率，使得喷气缝喷射出的气流可以向上游的附面层中注入能量，增加附面层中流体的动量，增强流体康逆压梯度的能力，此处的原叶片本体吸力面是未开设引气通道、喷气缝和康达表面时的叶片本体吸力面。喷气缝3、4、5的缝高和与其相邻的康达表面6、7、8的半径之比小于0.1，在考虑机械可加工性的前提下，喷气缝3、4、5的缝高与康达表面6、7、8的半径之比应尽量小。导流叶片15为弧形结构，弧形结构使得引气通道内的喷气以均匀的轴向速度由喷气缝喷出，进而避免喷气在引气通道内由于流动方向偏转而导致的展向分布不均匀。引气通道9、10、11连接至喷气气源，喷气气源可以由外部气源提供，也可以从轴流压气机的高压级位置引气，喷气气源根据运行工况主动控制喷气量。

从图2中可以看出，引气通道9、10、11内部包含有导流叶片15，导流叶片15有包括吸力面导流叶片16和压力面导流叶片17，吸力面导流叶片16设于与叶片本体吸力面2相近的引气通道9、10、11的内壁上，压力面导流叶片17设于与叶片本体压力面2相近的引气通道9、10、11的内壁上。通过对导流叶片的结构和位置进行优化，可以使喷气在引气通道内进行转折，重整后以展向均匀的速度沿康达表面切线一致的方向流出。

进一步地，设计喷气缝3、4、5时，应沿流动方向由前向后的方式依次选取喷气缝的位置，即在未加喷气缝前的叶片原型分离起始点设置第一个喷气缝，在加上第一个喷气缝喷气效果的叶片上，选取分离的起始点设置第二个喷气缝，以此类推，设计多个喷气缝。设计康达表面6、7、8时，首先要考虑曲率的影响，曲率太小，附壁效应增加的气流转折能力下降，曲率太大，气流附壁时间太短而容易产生分离，应综合考虑并设计康达表面6、7、8的曲率，并保证康达表面6、7、8和与其相邻的叶片本体吸力面2相切；确定康达表面曲率后，以喷气缝缝高和康达表面半径的比值越小越好为设计标准，在考虑机械加工可行性的基础上，确定喷气缝缝高；确定喷气缝缝高后，根据喷气缝的设计方法，对未加喷气缝前的叶片原型叶片吸力面型线进行调整，确定康达表面6、7、8与叶片本体吸力面2的交点位置，即确定喷气缝的位置，并且需要保证调整后的叶片的总弦长应尽量和原始叶片总弦长尽量保持相等。调整后的叶片启动性能应与原始叶片的启动性能尽量一致，在改变叶片型线后，即使喷气量为0时的叶片性能也可以优于原始叶片，在较小的喷气量下，如主气流量的2％以内时可以有效抑制流动分离，进而提高压气机的效率和稳定性。

在本实施例中，叶片本体吸力面2靠近叶片前缘12的位置的流体雷诺数较小，容易发生分离，而靠近叶片前缘12的喷气缝3喷射出的气流可以为该位置处的流体注入能量，减小分离损失；叶片中部位置的喷气缝4及靠近叶片尾缘13位置的喷气缝5可以继续向上游发展了的附面层中注入能量，增加附面层中流体的动量，增强流体抗逆压梯度的能力。在叶片本体吸力面上的多个位置设置喷气缝可以保证吸力面上的附面层不会发生大的流动分离，进而保证压气机的效率和稳定性。

需要说明的是，本公开中的轴流压气机叶片包括但不局限于实施例及附图中给出的三个位置设置，实际的喷气缝的数量和结构位置需要根据叶片结构和流动状况进行选取。

本公开的第二个实施例中，提供了一种应用上述轴流压气机叶片的轴流压气机。本实施例中针对低压轴流压气机，选取不同径向高度的叶片截面进行上述轴流压气机叶片设计，再将不同截面的数据进行调整结合，形成轴流压气机叶片的设计方案，并依此设计一种应用上述轴流压气机叶片的轴流压气机。

本实施例中的轴流压气机包括：压气机机匣；轮毂，其设于压气机机匣的轴向位置；N排静叶，其沿压气机机匣的轴向位置分布于该压气机机匣的内侧，该N排静叶中至少一片静叶为上述轴流压气机叶片；M排动叶，其沿压气机机匣的轴向位置分布于该压气机轮毂的外侧，其中，N≥1，M≥1。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开轴流压气机叶片及轴流压气机有了清楚的认识。

综上所述，本公开利用康达效应，在轴流压气机叶片上设置多个喷气缝，有效抑制了航空发动机在高空低雷诺数条件下运行时，低压压气机容易发生的叶片吸力面分离现象，避免喘振和失速的发生，有效提高了压气机乃至航空发动机的效率和稳定性，具有良好的推广应用前景。

还需要说明的是，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，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴流压气机叶片，包括：

叶片本体(1)，包括叶片本体吸力面(2)和叶片本体压力面(14)，所述叶片本体吸力面(2)为凸面，所述叶片本体压力面(14)为凹面，所述叶片本体吸力面(2)上形成有多个康达表面(6，7，8)；

所述叶片本体吸力面(2)与所述叶片本体压力面(14)之间开设有多个引气通道(9，10，11)，所述叶片本体吸力面(2)上开设有多个喷气缝(3，4，5)，并且，所述喷气缝(3，4，5)的进口与相邻的所述引气通道(9，10，11)连通，所述喷气缝(3，4，5)的出口与相邻的所述康达表面(6，7，8)相连；

导流叶片(15)，设于所述引气通道(9，10，11)内部。

2.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述喷气缝(3，4，5)平行于所述叶片本体吸力面(2)的轴向。

3.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述引气通道(9，10，11)的下表面与相邻的所述康达表面(6，7，8)的连接为圆弧连接。

4.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述喷气缝(3，4，5)的出口连接的所述康达表面(6，7，8)相切于与该康达表面(6，7，8)相邻的所述叶片本体吸力面(2)。

5.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述康达表面(6，7，8)的曲率大于原叶片本体吸力面(2)在该康达表面(6，7，8)位置处的曲率。

6.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述导流叶片(15)为弧形结构。

7.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述喷气缝(3，4，5)的缝高与所述康达表面(6，7，8)的半径之比小于0.1。

8.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述导流叶片(15)包括：

吸力面导流叶片(16)，其设于与所述叶片本体吸力面(2)相近的所述引气通道(9，10，11)的内壁上；以及

压力面导流叶片(17)，其设于与所述叶片本体压力面(14)相近的所述引气通道(9，10，11)的内壁上。

9.根据权利要求1所述的轴流压气机叶片，其中，所述引气通道(9，10，11)用于连接至喷气气源。

10.一种轴流压气机，包括：

压气机机匣；

轮毂，其设于所述压气机机匣的轴向位置；

静叶，其沿所述压气机机匣的轴向位置分布于该压气机机匣的内侧，至少一片所述静叶为权利要求1-9中任一项所述的轴流压气机叶片；

动叶，其沿所述压气机机匣的轴向位置分布于该压气机轮毂的外侧。

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