CN111396357A - 一种控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制压气机转子叶尖泄漏流微喷气形成方法，即在转子叶片内设有一连通叶片前缘和叶尖的空心腔室，在转子叶片靠近叶根处开设叶片前缘缝隙与空心腔室连通，在转子叶片的顶部开设缝隙与空心腔室连通；转子高速旋转将气体吸入，其中绝大部分气体流入叶片通道；微量气体流入叶片前缘缝隙，在离心力作用下通过叶片空心腔室由叶根向叶尖运动，并由叶尖缝隙流出，形成微量喷气。本发明所提出的利用离心力做功和速度冲量形成微喷气控制转子叶尖间隙泄漏流方法，可用于压气机、风扇等一类轴流压缩机械，以降低流动损失、提高效率和扩大失速裕度。
Description
技术领域
本发明属于空气动力学技术领域，涉及轴流压气机和风扇流动控制技术，具体涉及一种利用离心力和速度冲量形成微喷气控制叶尖泄漏流的压气机转子叶片。
背景技术
轴流压气机和风扇转子是转动件，与静止外机匣之间留有叶尖间隙。叶尖间隙造成叶尖间隙泄漏流，产生较大流动损失、也是流动失速的主要原因；压气机和风扇级压比越高、影响越大。为了提高航空发动机推重比，航空压气机和风扇始终向着高级压比方向发展。因此对于航空压气机和风扇，控制叶尖间隙泄漏流更有价值。
2020年1月，张博涛等在推进技术期刊上发表论文“叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究”提出叶尖吸气控制压气机叶尖间隙泄漏流，采用计算机模拟方法进行吸气方案验证；2017年10月，钟兢军等在推进技术期刊上发表论文“叶尖小翼控制压气机间隙流动的研究进展”，详细介绍了采用叶尖小翼控制压气机叶尖间隙流动的进展。叶顶抽吸需要附加抽气装置；叶尖小翼产生较大离心力影响转子叶片强度。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种利用离心力和速度冲量形成微喷气控制压气机转子叶尖泄漏流方法，利用离心力做功和速度冲量形成微喷气，实现对叶尖间隙泄漏流抑制，提高压气机效率、扩大失速裕度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法，该转子叶片内设有一连通叶片前缘和叶尖的空心腔室，在转子叶片的下部靠近叶根处开设叶片前缘缝隙与空心腔室连通，在转子叶片的顶部开设叶尖缝隙与空心腔室连通；转子高速旋转将气体吸入，其中绝大部分气体流入叶片通道；微量气体流入叶片前缘缝隙，在离心力作用下通过叶片空心腔室由叶根向叶尖运动，并由叶尖缝隙流出，形成微量喷气。
进一步的，所述叶尖缝隙开在叶尖靠压力面一侧或开在叶片顶端即叶尖端面。
进一步的，所述微量喷气的喷气方向θ满足15°>θ>0°。
进一步的，所述空心腔室顶部所处弦向位置设置在叶尖间隙泄漏流的流速最大的区域。
有益效果：本发明提出的利用离心力和速度冲量形成微喷气控制压气机转子叶尖泄漏流方法，与现有技术相比，具有以下优势：本项发明所提出的利用离心力做功和速度冲量形成高能量微喷气，有效控制转子叶尖间隙泄漏流方法可用于压气机、风扇等一类轴流压缩机械，以降低流动损失、提高效率和扩大失速裕度。
附图说明
图1转子空心叶片；
图2叶片空心腔室；
图3压力面喷气(叶片弦向剖面，即图1中A-A剖面)。
图4叶顶喷气(叶片弦向剖面，即图1中A-A剖面)。
图中包括：1、微量流体，2、叶片前缘缝隙，3、空心腔室，4、转子叶片，5叶尖端面，6、弦向剖面(A-A剖面)，7、叶尖缝隙，8、微量喷气，9、叶根，10、空心腔室侧面，11、外机匣，12、叶尖间隙泄漏流。
具体实施方式
以下结合图1至图4说明本发明利用离心力和速度冲量形成微喷气控制压气机转子叶尖泄漏流实施方法。
一种利用离心力和速度冲量形成微喷气控制压气机转子叶尖泄漏流方法，所述的压气机转子叶片为空心叶片，在接近叶根前缘开缝与空心腔室相连、在接近叶尖开缝与空心腔室相连。高速转动的压气机转子吸入气体其中绝大部分气体流入叶片通道。根据相对运动观点，站在转动叶片上看气流高速流过转子叶片，其中微量气体1流入叶片前缘缝隙2、在离心力作用下通过叶片空心腔室3由叶根向叶尖运动，并由叶尖缝隙7流出、形成微量喷气8。叶尖缝隙可开在叶尖靠压力面一侧或开在叶片顶端。利用微量流体减少叶尖间隙泄漏流11，降低流动损失、提高压气机效率和稳定工作裕度。
转子叶片4为空心，可采用精铸或3D打印等先进方法制造。确定叶片空心腔室3形状关键参数有：叶片前缘缝隙2宽度δ1、长度L1及其所处叶高位置；空心腔室顶部宽度δ2、长度L2及其所处弦向位置；空心腔室侧面10形状；叶尖缝隙7宽度δ3；喷气气流方向θ。叶尖缝隙7可开在叶尖压力面(如图3)；也可开在叶顶(如图4)。确定以上关键参数是要达到以下目标：微量气体1在空心腔室3内流动损失小、微量喷气8对叶尖间隙泄漏流12控制效果好；并且喷气流量尽可能少。
具体实施方法如下。首先给定关键参数初始值，采用计算机仿真方法进行包含空心腔室的压气机流场计算，通过计算结果后处理输出关键性能参数，如：压气机效率、压比、空心腔室内流动损失、叶尖间隙泄漏流量、并进行详细流动分析，依此进行参数修改，通过反复迭代优化确定关键参数最终数值。关键参数调整思路如下。
为了实现微量气体在空心腔室3内流动损失小，空心腔室侧面10形状需要反复迭代调整，使得气流在空心腔室内没有分离或分离尽可能小。为了微量喷气8对叶尖间隙泄漏流12控制效果好，并且喷气流量尽可能少，则喷气流量、流速应与叶尖间隙泄漏流量、流速相当；并且喷气方向θ能有效阻滞叶尖间隙泄漏流，15°>θ>0°。根据叶尖间隙泄漏流沿弦向分布，将空心腔室顶部所处弦向位置设置在泄漏流速较大的区域。如果给定关键参数产生的喷气流量偏少，则可增加叶片前缘缝隙2宽度δ1、长度L1、空心腔室顶部宽度δ2、长度L2、叶尖缝隙7宽度δ3，以增加空心腔室通流能力。如果微量喷气速度过高，则可将叶片前缘缝隙2移向叶尖方向，以减小离心力对微量气体做功。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法，其特征在于：该转子叶片(4)内设有一连通叶片前缘和叶尖的空心腔室(3)，在转子叶片(4)的下部靠近叶根(9)处开设叶片前缘缝隙(2)与空心腔室(3)连通，在转子叶片(4)的顶部开设叶尖缝隙(7)与空心腔室(3)连通；转子高速旋转将气体吸入，其中绝大部分气体流入叶片通道；微量气体(1)流入叶片前缘缝隙(2)，在离心力作用下通过叶片空心腔室(3)由叶根(9)向叶尖运动，并由叶尖缝隙(7)流出，形成微量喷气(8)。
2.根据权利要求1所述的控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法，其特征在于：所述叶尖缝隙(7)开在叶尖靠压力面一侧或开在叶片顶端即叶尖端面(5)。
3.根据权利要求1所述的控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法，其特征在于：所述微量喷气(8)的喷气方向θ满足15°>θ>0°。
4.根据权利要求1所述的控制压气机转子叶尖泄漏流的微喷气形成方法，其特征在于：所述空心腔室(3)顶部所处弦向位置设置在叶尖间隙泄漏流(12)的流速最大的区域。
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