CN111946666B - 一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构，仅在压气机端壁的进口段和出口段上设置凸起的进口段刀纹、出口段刀纹，通过进口段刀纹阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，阻断端壁近壁面附面层的增厚及横向涡的发展，通过出口段刀纹降低叶栅气流通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱端壁与叶片吸力面相交处的角区涡，在降低二次流的同时，不会在中间弦长处造成流动损失，从而可有效提高压气机效率，扩大稳定工作范围；刀纹的波峰与波谷之间由铣刀加工成型，圆滑过渡，且符合压气机叶型铣削加工特点，对压气机端壁的轴对称结构破坏少，对叶片结构没有影响，加工方便，可用于压气机静子和转子，适用范围宽。

Description

一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构
技术领域
本发明属于轴流压气机领域，涉及一种用于轴流压气机附面层流动调控的端壁结构，具体涉及应用于燃气涡轮发动机用轴流压气机，通过减弱端壁附面层内部横向流动从而降低附面层流动损失、减小端壁角区分离以提高压气机性能和稳定工作范围的非连续刀纹结构。
背景技术
压气机是燃气涡轮发动机的三大部件之一，其性能的优劣对发动机的稳定工作和性能水平具有至关重要的影响。随着发动机技术的发展，压气机的级负荷越来越高。压气机级负荷的提高使得流道内的逆压力梯度和横向压力梯度显著增大。前者使压气机叶片更易发生二维叶型流动分离；后者增强了二次流动，由此导致的复杂端区流动现象给压气机性能带来了不利影响。在二次流动的强化作用下，角区分离(发生于压气机叶片吸力面与端壁角区的低能流体回流、聚集现象)引起的流动损失显著增加，是制约高负荷压气机发展的主要因素之一。
为了降低横向压力梯度以降低横向二次流动，进而减小端壁角区分离而提高高负荷压气机性能，研究人员提出了多种控制压气机叶栅流道内横向二次流动的方法，其中具有代表性的是压气机端壁非轴对称、端壁翼刀和端壁凹槽结构。在压气机端壁上设置翼刀和凹槽结构，其原理是通过阻断横向二次流动和流体的径向迁移，可有效减小端壁角区分离，降低压气机叶栅流动损失，但其结构与加工工艺契合度较低，不利于工艺实现。将压气机端壁设置为非轴对称结构，是通过改变常规的压气机端壁轴对称几何结构，代之以具有局部凹凸结构的非轴对称曲面。这种几何结构改变了压气机端壁附近的流场静压分布，能够降低二次流动损失和削弱静子角区分离，从而提高压气机的效率；然而非轴对称端壁结构没有实际的可控几何参数，且非轴对称端壁结构对轮毂的周向平衡影响较大，在压气机转子中的应用受到限制。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，为有效降低压气机叶栅通道内的横向压力梯度以降低横向二次流动，减小压气机端壁角区分离以提高高负荷压气机性能，并尽可能降低对压气机端壁轴对称结构的破坏而保持良好的周向平衡，本发明旨在提供一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构，通过在压气机端壁上设置非连续刀纹结构，减弱端壁附面层内部横向流动从而降低附面层流动损失、减小角区分离以提高压气机性能和稳定工作范围。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构，包括压气机端壁以及沿周向均匀固定设置在所述压气机端壁上的多个压气机叶片，相邻两所述压气机叶片之间形成叶栅气流通道，其特征在于，
每一所述叶栅气流通道中，在压气机端壁的进口段上沿周向布设有若干均沿流线方向延伸的进口段刀纹，并在压气机端壁的出口段上沿周向布设有若干均沿流线方向延伸的出口段刀纹，各所述进口段刀纹、出口段刀纹在流线方向上为非连续设置，且各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机端壁上直接加工成形。
本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构中，所述进口段刀纹的主要作用是阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，从而阻断端壁近壁面附面层的增厚及横向涡的发展；所述出口段刀纹的主要作用是降低叶栅气流通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱压气机端壁与叶片吸力面相交处的角区涡。通过在各叶栅气流通道中的压气机端壁上设置非连续的进口段刀纹、出口段刀纹，在降低二次流的同时，不会在中间弦长处造成流动损失，从而使得本发明可有效提高轴流压气机效率，扩大稳定工作范围。
本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构中，所述进口段刀纹、出口段刀纹由铣刀在压气机端壁上直接加工成形，铣刀去除的部分形成波谷，留下的部分形成波峰。
本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，其工作原理为：
基于引起压气机端壁角区分离、失速的主要因素是近端壁附面层的逆压力梯度和二次流动，结合压气机端壁铣削加工工艺特点，参考翼刀和凹槽结构，提出了一种控制压气机端壁附面层流动的非连续刀纹结构，通过在压气机端壁上设置非连续的进口段刀纹和出口段刀纹，且进口段刀纹和出口段刀纹的波峰(凸起)均沿流线方向设置，使得进口段刀纹的主要作用是阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，从而阻断近壁面附面层的增厚及横向涡的发展，出口段刀纹的主要作用是降低叶片通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱端壁与吸力面相交处的角区涡，由此可有效提高压气机效率，扩大稳定工作范围。
优选地，所述进口段刀纹、出口段刀纹的无量纲高度H，其较优的取值范围为5～8，其中，H＝h/δ，式中，h为刀纹结构波峰的凸起高度，δ为叶栅气流通道进口处端壁附面层的厚度。
优选地，所述进口段刀纹、出口段刀纹的无量纲周向密度λ，其较优的取值范围为20～30，其中，λ＝t/s，式中，t为叶片周向栅距，s为刀纹结构波峰凸起的有效宽度s。
优选地，所述进口段刀纹从端壁前端面延伸至进口段凸起与端壁交点，所述进口段刀纹在叶栅气流通道中的相对长度C1，其较优的取值范围为0.1～0.25，其中，C1＝c1/b，式中，c1为叶片前缘至进口段凸起与端壁交点的距离，b为叶片弦长。
优选地，所述出口段刀纹从出口段凸起与端壁交点延伸至端壁后端面，所述出口段刀纹在叶栅气流通道中的相对长度C2，其较优的取值范围为0.15～0.3，其中，C2＝c2/b，式中，c2为叶片尾缘至出口段凸起与端壁交点的距离，b为叶片弦长。
优选地，所述压气机端壁为压气机转子轮毂，所述压气机叶片为压气机转子动叶，各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机转子轮毂上直接加工成形。
优选地，所述压气机端壁为压气机静子轮毂或机匣，所述压气机叶片为压气机静子叶片，各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机静子轮毂或机匣上直接加工成形。
本发明的另一个发明目的在于提供一种轴流压气机，其特征在于，所述轴流压气机包括本发明的上述端壁附面层流动调控结构。
同现有技术相比，本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，仅在压气机端壁的进口段和出口段上设置凸起的进口段刀纹、出口段刀纹结构，通过进口段刀纹阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，阻断端壁近壁面附面层的增厚及横向涡的发展，通过出口段刀纹降低叶栅气流通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱压气机端壁与叶片吸力面相交处的角区涡，在降低二次流的同时，不会在中间弦长处造成流动损失，从而使得本发明可有效提高轴流压气机效率，扩大稳定工作范围；进口段刀纹、出口段刀纹的波峰与波谷之间由铣刀加工成型，圆滑过渡，且符合压气机叶型铣削加工特点，对压气机端壁的轴对称结构破坏少，对叶片结构没有影响，加工方便，可用于压气机静子和转子，适用范围宽。
附图说明
图1为本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构的子午流道视图；
图2为进口段刀纹、出口段刀纹在叶栅气流通道中的布置示意图；
图3为图1的左视图；
图4为图3的局部放大示意图；
图5为设置进、出口段非连续刀纹结构前后压气机转速特性对比示意图；
图中，轮毂前端面1，轮毂后端面2，叶片3，机匣4，轮毂5，叶片吸力面31，叶片压力面32，叶片前缘33，叶片尾缘34，进口段刀纹51，出口段刀纹52，波峰53，波谷54，进口段凸起与轮毂交点512，出口段凸起与轮毂交点522。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
本发明基于引起压气机端壁角区分离、失速的主要因素是近端壁附面层的逆压力梯度和二次流动，结合压气机轮毂铣削加工工艺特点，参考翼刀和凹槽结构，提出了一种控制压气机端壁附面层流动的非连续刀纹结构。图1～4示出了本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，应用于压气机转子轮毂上的示意图。该结构由轮毂前端面1、轮毂后端面2、叶片3、机匣4和轮毂5组成。本发明的非连续刀纹结构分为设置于轮毂上的进口段刀纹51和出口段刀纹52，进口段刀纹51和出口段刀纹52的波峰(凸起)均沿流线方向设置。进口段刀纹51的主要作用是阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，从而阻断近壁面附面层的增厚及横向涡的发展。出口段刀纹52的主要作用是降低叶片通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱轮毂与吸力面相交处的角区涡。本发明端壁非连续刀纹结构可有效提高压气机效率，扩大稳定工作范围。
进口段刀纹51和出口段刀纹52由轮毂加工过程中铣刀刀纹直接成形。铣刀去除的部分形成波谷54，留下的部分形成波峰53。为方便研究和设计，对刀纹结构的几何参数进行无量纲定义。
刀纹结构的无量纲高度H，定义如下：H＝h/δ，式中：h为刀纹结构波峰凸起高度；δ为叶片排进口轮毂附面层厚度。
刀纹结构的无量纲周向密度λ，定义如下：λ＝t/s，式中：t为叶片周向栅距；s为刀纹结构波峰凸起的有效宽度s。
进口段刀纹结构的相对长度C1，定义如下：C1＝c1/b，式中：c1为叶片前缘33至进口段凸起与轮毂交点512的距离；b为叶片弦长。
出口段刀纹结构的相对长度C2，定义如下：C2＝c2/b，式中：c2为叶片前缘34至进口段凸起与轮毂交点522的距离；b为叶片弦长。
为获得较高的压气机效率和较宽的稳定工作范围，经过理论分析和数值计算，无量纲高度H的较优取值范围为5～8；轴向密度λ的较优取值范围为20～30；C1的较优取值范围为0.1～0.25；C2的较优取值范围为0.15～0.3。
本发明的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，仅在压气机端壁的进口段和出口段上设置凸起的进口段刀纹、出口段刀纹结构，通过进口段刀纹阻止马蹄涡压力面分支向相邻叶片的发展，阻断端壁近壁面附面层的增厚及横向涡的发展，通过出口段刀纹降低叶栅气流通道近出口段的横向压力梯度，降低附面层内的横向二次流动，削弱压气机端壁与叶片吸力面相交处的角区涡，在降低二次流的同时，不会在中间弦长处造成流动损失，从而使得本发明可有效提高轴流压气机效率，扩大稳定工作范围(如图5所示)；进口段刀纹、出口段刀纹的波峰与波谷之间由铣刀加工成型，圆滑过渡，且符合压气机叶型铣削加工特点，对压气机端壁的轴对称结构破坏少，对叶片结构没有影响，加工方便，可用于压气机静子和转子，适用范围宽。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种轴流压气机端壁附面层流动调控结构，包括压气机端壁以及沿周向均匀固定设置在所述压气机端壁上的多个压气机叶片，相邻两所述压气机叶片之间形成叶栅气流通道，其特征在于，
每一所述叶栅气流通道中，在压气机端壁的进口段上沿周向布设有若干均沿流线方向延伸的进口段刀纹，并在压气机端壁的出口段上沿周向布设有若干均沿流线方向延伸的出口段刀纹，各所述进口段刀纹、出口段刀纹在流线方向上为非连续设置，且各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机端壁上直接加工成形；
所述进口段刀纹从端壁前端面延伸至进口段凸起与端壁交点，
所述出口段刀纹从出口段凸起与端壁交点延伸至端壁后端面，
所述进口段刀纹在叶栅气流通道中的相对长度C1，其取值范围为0.1～0.25，所述出口段刀纹在叶栅气流通道中的相对长度C2，其取值范围为0.15～0.3，其中，C1＝c1/b，C2＝c2/b，c1为叶片前缘至进口段凸起与端壁交点的距离，c2为叶片尾缘至出口段凸起与端壁交点的距离，b为叶片弦长；
所述进口段刀纹、出口段刀纹的无量纲高度H，其取值范围为5～8，其中，H＝h/δ，h为刀纹结构波峰的凸起高度，δ为叶栅气流通道进口处端壁附面层的厚度；
所述进口段刀纹、出口段刀纹的无量纲周向密度λ，其取值范围为20～30，其中，λ＝t/s，t为叶片周向栅距，s为刀纹结构波峰凸起的有效宽度s。
2.根据权利要求1所述的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，其特征在于，所述压气机端壁为压气机转子轮毂，所述压气机叶片为压气机转子动叶，各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机转子轮毂上直接加工成形。
3.根据权利要求1所述的轴流压气机端壁附面层流动调控结构，其特征在于，所述压气机端壁为压气机静子轮毂或机匣，所述压气机叶片为压气机静子叶片，各所述进口段刀纹、出口段刀纹均由铣刀在压气机静子轮毂或机匣上直接加工成形。
4.一种轴流压气机，其特征在于，所述轴流压气机包括上述权利要求1至3任一项所述的轴流压气机端壁附面层流动调控结构。
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