CN111577657B - 带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，包括压气机叶片主体，所述压气机叶片主体内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体叶盆侧的引气口和位于压气机叶片主体叶背侧的射流口，所述引气口和射流口之间设有混合腔，所述混合腔两侧分别设有反馈回路，所述反馈回路分别与混合腔相连通，利用流动不稳定性在射流口处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧的气流分离。本发明不需要外接气源或能量源，无可动部件及机械或电磁作动元件，也省去了复杂气路和电路系统，因此结构上较为简单、可靠性高、制造和维护成本低、工程实用性强。

Description

带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片
技术领域
本发明涉及一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，属于压气机技术领域。
背景技术
在以航空燃气涡轮发动机等为应用目标的各类轴流压气机中，单级压气机获得更高的压比是压气机领域长期以来的发展方向。长期以来，增大压气机的级压比主要采用提高叶片轮缘线速度和叶型的气动优化实现。但是，叶片轮缘线速度的提高受到材料强度极限的限制，叶型的气动优化对当前设计水平下压气机性能的提升也十分有限。当试图将单级压气机的负荷提高到显著超过当前水平时，会因为出现叶背流动分离的现象(见图1)，使压气机效率急剧下降甚至导致压气机失速。因此，各类能抑制甚至消除流动分离的流动控制技术得到了国内外研究人员的重视，其中又以非定常流动控制技术最具代表性。由于能利用流动不稳定性，非定常流动控制技术产生的激励能与分离流中的拟序结构发生相干作用。非定常流动控制技术耗费能量极低，相关研究表明，达到相同的流动控制效果，采用非定常流动控制技术能比相应的定常流动控制技术节约1～2个数量级的所耗费的能量，即有“四两拨千斤”的效果。
综合国内外在该非定常流动控制领域的已有工作，相关技术主要有3大类：(1)声波类，主要是采用一定频率的声波对流场进行激励；(2)射流类，包括“零质量”注入流场的合成射流，“正质量”注入流场的脉冲射流和“负质量”注入的脉冲吸气；(3)壁面运动类，包括和壁面垂直方向运动的振动壁面，与和壁面平行方向运动的行波壁面。
这些技术都从各方层面推动了流动控制技术的进步，但是，为满足今后更高负荷压气机叶片设计的需要，这些技术在实际工程应用角度存在以下不足：(1)声波类激励往往需要在叶片内部装置扬声器，还需要额外的电源和电路系统，增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性；(2)射流类，合成射流通常通过射流腔内的振动片实现，其劣势和声波激励类似，而脉冲射流或脉冲吸气存在着两方面问题，一方面需要额外引入高压或低压气源，另一方面需要引入能按一定频率周期性开闭的阀门(通常由电磁或压电元件构成)，这些部件还将附带复杂的气路和电路系统，也大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性；(3)壁面运动类，该类型的非定常流动控制往往由柔性表面或可活动的刚性表面构成，通常也由电磁或压电元件作为驱动单元，因而也需在叶片内部的狭小区域引入电源和电路系统，大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性。
发明内容
本发明的目的是在保持气动效率的前提下，让单级压气机获得更高的压比，以使采用该叶轮机械的动力或能源系统具有更大的推重比或功重比。提出了一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，在无需引入外部气源或能源，也无可动部件及机械电磁作动装置的前提下，提供有效的非定常激励以抑制气流分离。
为解决上述技术问题，本发明提供一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，包括压气机叶片主体，所述压气机叶片主体内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体叶盆侧的引气口和位于压气机叶片主体叶背侧的射流口，所述引气口和射流口之间设有混合腔，所述混合腔两侧分别设有反馈回路，所述反馈回路分别与混合腔相连通，利用流动不稳定性在射流口处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧的气流分离。
带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片产生非定常扫掠射流的原理为：由于流动控制装置的引气口位于压力较高的叶盆处，而射流口位于压力较低的叶背处，压气机流场中部分气流将沿引气口流入装置内部；由于引气口呈收敛型几何形状，气流在引气口会加速形成射流流入混合腔内，在柯恩达效应的作用下，射流将贴近混合腔的左侧或右侧壁面；假设射流贴近混合腔的左侧壁面，射流将沿射流口右侧壁面射出(见图5向右扫掠模式)，而混合腔出口段左侧壁面压力将显著上升，且该压力将通过左反馈回路传回至混合腔进口处，推动射流贴近混合腔右侧壁面并沿射流口左侧壁面射出(见图5向左扫掠模式)；同样，向左扫掠模式也会自发发展为向右扫掠模式；因此，由于流动控制装置内部的流动不稳定性，射流口出口处的射流会交替沿左侧和右侧壁面射出，形成周期性的扫掠射流。
一方面，从射流能量的来源角度而言，由于引气口和射流口分别位于压气机叶片压力较高的叶盆和压力较低的叶背处，扫掠式射流由引气口和射流口之间的压差驱动形成，从而不需要外接气源或能量源；另一方面，从射流非定常性的产生角度而言，引气口和射流口之间的混合腔、左反馈回路、右反馈回路依靠流动不稳定性使射流具有非定常的扫掠特性，从而能在不需要可动部件及电磁或机械驱动元件的前提下，即可产生能有效抑制流动分离的非定常激励。
优选地，所述引气口处的压力高于射流口处的压力，扫掠式射流由引气口和射流口之间的压差驱动形成，从而不需要外接气源或能量源。
优选地，所述的引气口位于压气机叶片叶盆侧静压最高的位置，以提供足够的驱动压力产生扫掠式射流；所述的射流口位于压气机叶片叶背侧分离点前后5％叶片弦长范围内，以产生较好的流动控制效果。
优选地，所述的混合腔具有沿流道横截面积先扩张、再不变、最后收缩的几何形状，使引气口射流利用柯恩达效应贴近左侧或右侧腔壁，并最终产生高速射流射入射流口。
优选地，所述的反馈回路包括左反馈回路和右反馈回路，从混合腔壁面两侧的下游分别引出一股气路至混合腔入口处，从而将混合腔出口压力信号反馈回入口，反馈回路的长度和宽度是影响射流扫掠频率的关键。
优选地，所述的引气口具有沿流道收缩的形状，从而对气流加速，产生射流射入混合腔。
优选地，所述的射流口具有沿流道扩张的形状，从而利用柯恩达效应使混合腔出口射流沿左侧或右侧壁面射出，为产生一定频率的非定常扫掠射流奠定基础。
优选地，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置在压气机叶片内具有两种布置方式，按照扫掠旋转轴与压气机叶片间的相对关系，分为展向扫掠射流方式与流向扫掠射流方式，在展向扫掠射流方式下，所述压气机叶片主体(1)内部布置有一个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有一个缝状引气口和缝状射流口；在流向扫掠射流方式下，所述压气机叶片主体(1)内部布置有N个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有相同数量的N个引气口和射流口，其中N为5～20个。
本发明所达到的有益效果：本发明的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，能够在基本不降低叶盆叶背的压差(也就是不降低压气机做功能力)的情况下，在叶背侧生成射流速度足够大的非定常扫掠式射流，且依靠适当频率扫掠射流与特定频率非定常分离涡结构发生相干作用，从而产生显著的对流动分离的抑制作用。并且，本发明的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片不需要外接气源或能量源，无可动部件及机械或电磁作动元件，也省去了复杂气路和电路系统，因此结构上较为简单、可靠性高、制造和维护成本低、工程实用性强。
附图说明
图1是压气机叶背侧流动分离的原理示意图。
图2是带有无源自激励扫掠射流流动控制装置压气机叶片的主视图(以流向扫掠方式为例)。
图3是图2中A-A剖视局部放大图。
图4是带有无源自激励扫掠射流(流向式)流动控制装置压气机叶片的三维示意图。
图5是带有无源自激励扫掠射流(展向式)流动控制装置压气机叶片的三维局部剖视示意图。
图6是无源自激励扫掠射流装置产生非定常性的原理示意图。
图7是无源自激励扫掠射流装置的主要几何参数。
图中主要附图标记的含义为：
1.压气机叶片，2.压气机叶片叶背侧的分离区，3.分离点，4.压气机叶片附近的典型流线，5.压气机叶片的叶背侧，6.压气机叶片的叶盆侧，7.引气口，8.混合腔，9.左反馈回路，10.右反馈回路，11.射流口，12.引气气流，13.扫掠射流，13a.扫掠射流左支，13b.掠射流右支。W1.引气口进口宽度，W2.引气口出口或混合腔进口宽度，W3.混合腔的最大宽度，W4.左或右反馈回路宽度，W5.混合腔出口或射流口进口宽度，W6表示的射流口出口宽度，L1.引气口长度，L2.混合腔扩张段长度，L3.混合腔等宽段长度，L4.左或右反馈回路长度，L5.射流口长度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2至图4所示，一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，包括压气机叶片主体1，压气机叶片主体1内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体1叶盆侧6的引气口7和位于压气机叶片主体1叶背侧5的射流口11，引气口7和射流口11之间设有混合腔8，混合腔8两侧分别设有反馈回路，反馈回路分别与混合腔8相连通，利用流动不稳定性在射流口11处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧5的气流分离。
其中，如图2所示，引气口7处的压力高于射流口11处的压力，扫掠式射流由引气口7和射流口11之间的压差驱动形成。引气口7位于压气机叶片叶盆侧6静压最高的位置，以提供足够的驱动压力产生扫掠式射流；射流口11位于压气机叶片叶背侧5分离点3前后5％叶片弦长范围内，以产生较好的流动控制效果。引气口7具有沿流道收缩的形状(即W1>W2)，从而对气流加速，产生射流射入混合腔8。射流口11具有沿流道扩张的形状(即W6>W5)，从而利用柯恩达效应使混合腔8出口射流沿左侧或右侧壁面射出。混合腔8具有沿流道横截面积先扩张、再不变、最后收缩的几何形状(即W2<W3,W3>W5)，使引气口7射流利用柯恩达效应贴近左侧或右侧腔壁，并最终产生高速射流射入射流口11。反馈回路包括左反馈回路9和右反馈回路10，从混合腔8壁面两侧的下游分别引出一股气路至混合腔8入口处，从而将混合腔8出口压力信号反馈回入口。
所述无源自激励扫掠射流流动控制装置在压气机叶片内的布置方式有两种，对应于两种射流扫掠方式。按扫掠旋转轴与压气机叶片间的相对关系，这两种布置方式被命名为流向射流扫掠方式(见图2～4)与展向扫掠射流方式(见图5)。它们扫掠射流的来源和产生机制相同，其差异在于扫掠射流流动控制装置在压气机叶片内的摆放方向、单个压气机叶片内扫掠射流流动控制装置个数及扫掠射流的空间指向上。展向扫掠射流方式中，压气机叶片内部布置有一个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有一个缝状引气口和缝状射流口。流向扫掠射流方式中，压气机叶片内部布置有N个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有相同数量的N个引气口和射流口，其中N为5～20个。
在压气机叶片上内置无源自激励扫掠射流流动控制装置以抑制叶背分离的方法：流动控制装置的引气口7位于压力较高的压气机叶片叶盆侧6，而射流口11位于压力较低的压气机叶片叶背侧5，由于压差作用，压气机流场中占比很小的一部分气流将沿引气口7流入装置内部。引气口7呈收敛型几何形状，气流在引气口7加速形成射流流入混合腔8内，由于柯恩达效应，射流将贴近混合腔8的左侧或右侧壁面，若射流贴近混合腔8左侧壁面，射流将沿射流口11右侧壁面射出，而混合腔8出口段左侧壁面压力将显著上升，该压力将通过左反馈回路9传回至混合腔8进口处，推动射流贴近混合腔8右侧壁面并沿射流口11左侧壁面射出，反之亦然。这样，由于流动控制装置内部的流动不稳定性，射流口11出口处的射流会交替沿左侧和右侧壁面流出，形成在某个频率下周期性进行扫掠的射流(原理示意图见图6)。这种具有非定常性的扫掠射流能与分离流场中的非定常分离涡结构产生作用，从而产生“四两拨千斤”的良好流动控制效果。
无源自激励扫掠射流流动控制装置主要设计方法如下：
1.确定引气口和射流口在压气机叶片上的位置。首先通过数值模拟或实验方法确定分离点在叶背处的位置，在该位置附近布置射流口；其次，引气口位置决定着扫掠射流的速度，可采用近似关系式
Figure BDA0002473942190000071
确定引气口位置。其中：Pb为引气口处静压，Pj为射流口处静压，ρ为气体密度，Vj为射流速度，σ为考虑射流器内流动损失和可压缩性产生的修正系数。
2.确定射流口进口宽度。射流口进口宽度W5的选取是按控制分离所需的气流量m和射流速度Vj确定，采用近似关系式m＝ρVjW5h，实际射流口的进口宽度将通过数值模拟或实验方法，考虑附面层厚度及射流非定常性进行修正得到。其中，h为射流口的进口高度(W5h即为射流口进口的面积)。
3.确定射流口的出口宽度。射流口的出口宽度W6的选取是按控制分离所需射流的扫掠角θj确定，采用关系式W6-W5＝2L5tan(θj/2)。其中，L5为射流口长度。
4.引气口、混合腔、射流口的其他几何参数的确定。引气口进口宽度W1、引气口出口宽度W2、混合腔等长段宽度W3通过流量连续方程估算得到初始值，引气口长度L1、混合腔扩张段长度L2、混合腔等长段长度L3、射流口长度L5参考相关文献的经验值得到初始值，然后通过数值模拟方法经过有限次优化确定。
5.左、右反馈回路宽度W4和长度L4的选取。由于左、右反馈回路对扫掠射流频率具有决定性的影响，因此这两个参数通过数值模拟或实验方法经过有限次尝试得到，使扫掠射流频率接近分离涡主频或其倍频，以达到最佳控制效果。
实施例：
针对某典型大扩压度低速压气机静子叶片，其弦长为60mm，叶片几何进气角和出气角分别为46°和-10°，气流攻角为9°。当进口马赫数为0.1时，叶背表面产生较大尺度的流动分离区，分离点距离前缘约70％弦长处。以展向式无源自激励扫掠射流流动控制装置为例(见图5)，可以在叶背距离前缘70％弦长位置设置无源自激励扫掠射流流动控制装置的射流口，由于该叶型叶盆表面静压变化较小，装置的引气口也可设置在叶盆距离前缘70％弦长位置附近，引气口与射流口的无量纲静压差约为0.37，考虑到射流器内部的流阻损失，可估算出扫掠射流速度约为主流速度的一半，即0.05马赫，该射流速度结合射流扫掠可有效穿透附面层，对分离区进行控制。此外，射流口进口宽度可取为0.4mm，射流动量系数在0.3％左右(即射流耗费动量仅相当于流入压气机动量的千分之三，产生的能量损失近似可以忽略)，超过了非定常激励起到较好流动控制效果的阈值。引气口、混合腔、射流口的各个几何参数可参考图7比例初步给出(
Figure BDA0002473942190000081
H为叶片最大厚度)，并通过数值模拟手段进行有限次优化。由于该工况下叶片表面分离涡主频约为450Hz，通过有限次尝试调节反馈回路的长度L4和宽度W4，使射流扫掠频率尽可能接近450Hz或该频率的整数倍，可获得扫掠射流流动控制器允许的几何参数空间内较好的流动控制效果，以尽可能地对流动分离进行抑制。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1. 带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，其特征是，包括压气机叶片主体（1），所述压气机叶片主体（1）内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体（1）叶盆侧（6）的引气口（7）和位于压气机叶片主体（1）叶背侧（5）的射流口（11），所述引气口（7）和射流口（11）之间设有混合腔（8），所述混合腔（8）两侧分别设有反馈回路，所述反馈回路分别与混合腔（8）相连通，利用流动不稳定性在射流口（11）处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧（5）的气流分离；所述引气口（7）处的压力高于射流口（11）处的压力，扫掠式射流由引气口（7）和射流口（11）之间的压差驱动形成；所述的引气口（7）位于压气机叶片叶盆侧（6）静压最高的位置；所述的射流口（11）位于压气机叶片叶背侧（5）分离点（3）前后5 %叶片弦长范围内；所述无源自激励扫掠射流流动控制装置在压气机叶片内具有两种布置方式，按照扫掠旋转轴与压气机叶片间的相对关系，分为展向扫掠射流方式与流向扫掠射流方式，在展向扫掠射流方式下，所述压气机叶片主体（1）内部布置有一个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有一个缝状引气口和缝状射流口；在流向扫掠射流方式下，所述压气机叶片主体（1）内部布置有N个无源自激励扫掠射流流动控制装置，压气机叶片表面具有相同数量的N个引气口和射流口， 其中N为5～20个。
2.根据权利要求1所述的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，其特征是，所述的混合腔（8）具有沿流道横截面积先扩张、再不变、最后收缩的几何形状，使引气口（7）射流利用柯恩达效应贴近左侧或右侧腔壁，并最终产生高速射流射入射流口（11）。
3.根据权利要求1所述的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，其特征是，所述的反馈回路包括左反馈回路（9）和右反馈回路（10），从混合腔（8）壁面两侧的下游分别引出一股气路至混合腔（8）入口处，将混合腔（8）出口压力信号反馈回入口。
4.根据权利要求1所述的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，其特征是，所述的引气口（7）具有沿流道收缩的形状，对气流加速，产生射流射入混合腔（8）。
5.根据权利要求1所述的带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，其特征是，所述的射流口（11）具有沿流道扩张的形状，利用柯恩达效应使混合腔（8）出口射流沿左侧或右侧壁面射出。
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