CN111102249A - 一种自适应主动控制的叶片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种自适应主动控制的叶片及其制作方法，叶片包括叶片部分和控制部分，其中：叶片部分，该叶片的截面呈月牙型，所述叶片部分的流体侧由两个曲面组成，所述叶片部分内包含有喷气通道(1)，所述喷气通道(1)贯通所述叶片部分，并形成吸力面喷气缝(3)和压力面喷气缝(4)，其中，所述吸力面喷气缝(3)的出口对应于所述吸力面康达表面(10)，所述压力面喷气缝(4)的出口对应于所述压力面康达表面(11)；控制部分，包括第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)以及压力阀门(7)，压力阀门(7)根据第一压力传感器(5)和第二压力传感器(6)监测的压力控制凹槽的进气压力。另一方面，本公开还提供了一种制作自适应主动控制叶片方法。

Description

一种自适应主动控制的叶片及其制作方法

技术领域

本发明涉及压气机、涡轮等叶轮机械流动控制领域，尤其涉及一种自适应主动控制的叶片及其制作方法。

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、涡轮等流体机械中，其本质源于粘性流动与非粘性流动的相互作用。流动分离导致的低能流体汇聚在叶片表面，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，当流动分离严重时，叶轮机械会进入旋转失速、喘振等不稳定工况，振动增加，效率急剧下降，甚至造成严重事故。因此，设法抑制叶轮机械中的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、涡轮等流体机械原来的结构，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，反而有可能使性能恶化；主动控制是检测叶轮机械设备的运行状态，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。

针对叶片的表面分离现象，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流体机械的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。

当叶片攻角较大时，流动分离一般存在于叶片的吸力面，而当叶片在较小攻角甚至负攻角下运行时，分离将主要存在于叶片的压力面。现有技术的分离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，而叶轮机械实际运行中，运行工况的变化会导致气流攻角变化，因此现有技术不适用于叶轮机械实际运行中的所有攻角范围。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种自适应主动控制的叶片及其制作方法，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种自适应主动控制的叶片，包括叶片部分和控制部分，其中：

叶片部分，该叶片的截面呈月牙型，叶片部分的流体侧由两个曲面组成，叶片部分内包含有喷气通道1，喷气通道1贯通叶片部分，并形成吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4，其中，吸力面喷气缝3的出口对应于吸力面康达表面10，压力面喷气缝4的出口对应于压力面康达表面11；控制部分，包括第一压力传感器5、第二压力传感器6以及压力阀门7，其中，第一压力传感器5设于吸力面喷气缝3出口处，用于监测吸力面喷气缝3出口处的压力；第二压力传感器6设于压力面喷气缝4出口处，用于监测第二喷气缝4出口处的压力，压力阀门7根据第一压力传感器5和第二压力传感器6监测的压力控制所述凹槽的进气压力。

可选地，还包括：检测器8，其与第一压力传感器5和第二压力传感器6连接，用于检测第一压力传感器5和第二压力传感器6处的压力值；驱动器9，其与检测器8和压力阀门7连接，用于根据检测器8中的压力值设定所述压力阀门7处的压力。

可选地，喷气通道1为弧形槽。

可选地，喷气通道1内设有至少一个导流叶片12。

可选地，喷气通道1的高度沿叶高方向不变。

可选地，喷气通道1的一侧端面连接喷气气源。

可选地，吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4的缝高沿叶高方向不变。

可选地，压力面康达表面10和压力面康达表面11分别与所述叶片部分的流体侧由两个曲面相切。

可选地，吸力面喷气缝3的缝高与吸力面康达表面10的半径之比小于0.1，压力面喷气缝4的缝高与压力面康达表面11的半径之比小于0.1。

另一方面，本发明还提供了一种自适应主动控制的叶片的制作方法，步骤包括：S1，确定原始叶片流体分离的位置；S2，在原始叶片流体分离的位置设置喷气通道1，该喷气通道1贯通压力流体侧两表面，并形成吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4；S3，在吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4分别安装第一压力传感器5和所述第二压力传感器6，在喷气通道1的出口处安装控制阀门7。

(三)有益效果

本发明通过在叶片表面开设两个贯通的喷气缝，并且设置了一个压力检测和控制装置，使喷气缝中的压力始终保持为喷气缝出口处压力较大的压力值，进而使喷气缝中的气体从压力较小的喷气缝处喷出，而后经过具有一定曲率的曲面，由于康达效应，使得喷气沿曲面流动，增加叶片附面层的流体动能，减少流动分离。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的叶片部分的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例的导流叶片的结构示意图。

图3示意性示出了本公开实施例的控制部分的结构示意图。

图4示意性示出了本公开实施例的该叶片的制作方法。

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。

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。

本发明实施例，提供了一种基于康达效应的自适应主动控制的叶片，包括叶片部分和控制部分。

图1示意性示出了本公开实施例的叶片部分的结构示意图，由图1可知，叶片部分的截面呈月牙形，其中：

叶片部分的流体侧由两个曲面组成，形成叶片部分的凸面和凹面；叶片部分沿流体方向的终端截面开有用于气体通过的喷气通道1，喷气通道1贯通整个叶片，并与在叶片表面形成吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4，该吸力面喷气缝3位于叶片的凸面，该压力面喷气缝4位于叶片的凹面，并且吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4出口后表面分别为吸力面康达表面10和压力面康达表面11，并且吸力面康达表面10和压力面康达表面11的曲率分别大于吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4出口上游叶片部分的曲率。

在本实施例中，需要首先进行流体分离起始位置确定，通过实验或模拟等方式确定流体在叶片部分的分离起始位置，压力面喷气缝位于压力面分离起始位置，吸力面喷气缝位于吸力面分离起始位置。在压力面喷气缝和吸力面喷气缝之间开设喷气通道1，喷气通道1贯通整个叶片。为表述方便将喷气缝后的叶片部分称为尾部叶片，喷气缝上游的叶片部分称为前部叶片，吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4出口处分别为具有康达效应的两个凸面即吸力面康达表面10和压力面康达表面11，两个康达表面通过圆弧面连接，圆弧面位于喷气通道1内，并与喷气通道1不完全拼合，即形成了上述吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4，尾部叶片的两个康达表面的曲率均大于叶片未处理时原叶片在该处的曲率，并且需要保证喷气缝出口处前部叶片凸面和凹面的终端分别与两个康达表面相切，可有效避免喷气与主流方向不一致而导致掺混损失。吸力面喷气缝3的缝高与吸力面康达表面10的半径之比小于0.1，压力面喷气缝4的缝高与压力面康达表面11的半径之比小于0.1；在机械加工允许的情况下尽量使喷气缝的缝高尽量小，进而使喷气气流速度更大。为保证喷气流动在叶高方向尽量均匀，因此弧形槽的宽度沿页高方向不变，进而使得吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4的高度沿页高方向不变。处理后的叶片部分的总叶片弦长尽量与原始叶片的弦长保持相同。

喷气通道1与喷气气源连接，喷气气源可由外部气源提供，如轴流式压气机的高压级引气等。在实际应用中，为使得气流更加均匀得到更好的流体性能，可以在喷气通道1内安装若干导流叶片12(如图2所示)，通过对导流叶片12的结构、位置进行优化设计，可以使喷气在喷气通道1内进行转折，重整以后以均匀的速度沿与叶片本体1表面的流体相同的方向流出。

图3示意性示出了本公开实施例的控制部分的结构示意图，由图3可知，该控制部分包括第一压力传感器5、第二压力传感器6、压力阀门7、检测器8以及驱动器9，其中，第一压力传感器5和第二压力传感器6分别位于吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4的出口处，分别用于检测吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4处的压力P_ss和P_ps，检测器8与吸力面喷气缝3、压力面喷气缝4以及驱动器9连接，检测器8时刻检测吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4出口处的压力，即P_ss和P_ps，并对两喷气缝出口处的压力值进行比较，将较大值发送至驱动器9，即P₀＝max{P_ss，P_ps}，驱动器9下连驱动器7，驱动器7将压力阀门的压力P₀设置为该压力值，使得喷气通道1内的压力始终保持两喷气缝出口处的压力的较大值，进而使得喷气通道1中的气体从压力较小的喷气缝喷出。由于康达效应，气体从喷气缝喷出后沿叶片副体2的凸面喷出后会附壁流动，进而增大附面层的流体动能，改善叶片表面的流动分离情况。

图4示意性示出了本公开实施例的该叶片的制作方法，具体包括：

S1，确定原始叶片流体分离的位置；

对原始叶片进行实验或数值模拟，确定在正常运行工况下流体在叶片表面出现流体分离的位置，而后对分离点的下游叶片进行重构。

S2，在原始叶片流体分离的位置设置喷气通道1，该喷气通道1贯通压力流体侧两表面，并形成吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4。

在原始叶片的分离点附近设置喷气通道1，该喷气通道1用于喷气流道，并且为保证喷气均匀，因此设置喷气通道1在叶片截面的高度沿叶高方向不变。对喷气通道1口部和叶片表面进行修整，使喷气通道1表面与叶片表面圆弧形过渡。并且该喷气通道1将原始叶片分为前部叶片和尾部叶片，对尾部叶片进行处理，原始叶片尾部的流体侧的两表面分别为凸起表面和凹陷表面，对其进行加工，将一部分凸起表面进行处理使得其曲率更大，形成吸力面康达表面10，对一部分凹陷表面进行处理使其成为凸起表面，形成压力面康达表面11。

值得注意的是，叶片表面的曲率影响流动控制的效果，曲率太小，附壁效应增加的气流折转能力下降，曲率太大，气流附壁时间太短而易产生分离，因此在制作时应综合考虑该吸力面康达表面10和压力面康达表面11的曲率，并且应该保证吸力面康达表面10体起始点的曲率应与后部叶片的流体侧表面终端曲率一致，一方面使主流体的方向和喷气缝喷出的气流方向一致，减少掺混能量损失，另一方面可以保证前部叶片和尾部叶片的曲率连续。

使尾部叶片的部分表面安装与喷气通道1内，并与喷气通道1形成吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4，喷气缝的缝高应尽量小，以提高喷出气流的速度，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，使调整后的叶片的气动性能在即使喷气量为0时的叶片性能可以与原始叶片相同或优于原始叶片，在较小的喷气量，如主汽流量的2％以内时可以有效抑制流动分离，进而提高叶轮机械的效率和稳定性。

S3，在吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4分别安装第一压力传感器5和所述第二压力传感器6，在喷气通道1的出口处安装控制阀门7。

在吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4的出口处分别安装第一压力传感器5和第二压力传感器6，用于检测喷气缝处的压力，检测器8与吸力面喷气缝3、压力面喷气缝4以及驱动器9连接，检测器8时刻检测吸力面喷气缝3和压力面喷气缝4出口处的压力，并对两喷气缝出口处的压力值进行比较，将较大值发送至驱动器9，驱动器9下连压力阀门7，驱动器9将压力阀门7的压力设置为该压力值，使得喷气通道1内的压力始终保持两喷气缝出口处的压力的较大值，进而使得喷气通道1中的气体从压力较小的喷气缝喷出。由于康达效应，气体从喷气缝喷出后沿尾部叶片的凸面喷出后会附壁流动，进而增大附面层的流体动能。

另外，针对本公开，可以在叶片二维设计的基础上，针对不同的叶轮机械或不同的工况对叶片进行三维设计，该种叶片的生成方式并仅仅局限于本公开中的方式，凡是能得到本公开的结构均在本公开的保护范围之内。并且本公开的叶片应用范围并不仅仅局限于压气机，凡是流体机械中相似叶片均在本公开的保护范围之内，喷气缝的位置和结构可以根据叶片结构和流动状况进行选取。

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自适应主动控制的叶片有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种自适应主动控制的叶片及其制作方法，该叶片采用主动控制机构，结合康达效应，有效抑制了叶轮机械中普遍存在的流动分离的现象，避免了喘振和失速的发生，有效提高压气机、涡轮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。

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)

1.一种自适应主动控制的叶片，包括叶片部分和控制部分，其中：

叶片部分，该叶片的截面呈月牙型，所述叶片部分的流体侧由两个曲面组成，所述叶片部分内包含有喷气通道(1)，所述喷气通道(1)贯通所述叶片部分，并形成吸力面喷气缝(3)和压力面喷气缝(4)，其中，所述吸力面喷气缝(3)的出口对应于所述吸力面康达表面(10)，所述压力面喷气缝(4)的出口对应于所述压力面康达表面(11)；

控制部分，包括第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)以及压力阀门(7)，其中，所述第一压力传感器(5)设于所述吸力面喷气缝(3)出口处，用于监测所述吸力面喷气缝(3)出口处的压力；所述第二压力传感器(6)设于压力面喷气缝(4)出口处，用于监测所述压力面喷气缝(4)出口处的压力，所述压力阀门(7)根据所述第一压力传感器(5)和所述第二压力传感器(6)监测的压力控制所述凹槽的进气压力。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，还包括：

检测器(8)，其与所述第一压力传感器(5)和第二压力传感器(6)连接，用于检测所述第一压力传感器(5)和第二压力传感器(6)处的压力值；

驱动器(9)，其与所述检测器(8)和压力阀门(7)连接，用于根据所述检测器(8)中的压力值设定所述压力阀门(7)处的压力。

3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述喷气通道(1)为弧形槽。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述喷气通道(1)内设有至少一个导流叶片(12)。

5.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述喷气通道(1)的高度沿叶高方向不变。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述喷气通道(1)的一侧端面连接喷气气源。

7.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述吸力面喷气缝(3)和压力面喷气缝(4)的缝高沿叶高方向不变。

8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述吸力面康达表面(10)和压力面康达表面(11)分别与所述叶片部分的流体侧由两个曲面相切。

9.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述吸力面喷气缝(3)的缝高与所述吸力面康达表面(10)的半径之比小于0.1，所述压力面喷气缝(4)的缝高与所述压力面康达表面(11)的半径之比小于0.1。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述的自适应主动控制的叶片的制作方法，步骤包括：

S1，确定原始叶片流体分离的位置；

S2，在原始叶片流体分离的位置设置喷气通道(1)，该喷气通道(1)贯通压力流体侧两表面，并形成吸力面喷气缝(3)和压力面喷气缝(4)；

S3，在所述吸力面喷气缝(3)和压力面喷气缝(4)分别安装第一压力传感器(5)和所述第二压力传感器(6)，在所述喷气通道(1)的出口处安装控制阀门(7)。

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