CN112324708A - 一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，包括：压力面、吸力面、叶顶、叶根、主流孔、支流孔和微型孔；微型孔与支流孔相连通，支流孔与主流孔相连通，主流孔、支流孔和微型孔不在同一平面内，构成树形结构；在压气机叶片的最大挠度处开设主流孔，主流孔的径向范围是从压气机叶片的叶根到叶顶；支流孔分布在主流孔两侧，支流孔轴向方向为平行分布，与主流孔的轴线存在夹角；微型孔分布在支流孔两侧，微型孔轴线方向与支流孔轴向方向存在夹角，微型孔出口在压气机叶片的吸力面上。该设计既能达到抽除流动分离时低能流体的效果，又可以尽可能小地对压气机叶片的强度产生影响。

Description

一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片

技术领域

本发明涉及航空压气机叶片技术领域，特别涉及一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片。

背景技术

近些年来，航空发动机和燃气轮机的迅速发展无一例外的都对压气机部件提出了更高压比、更高效率和稳定工作范围的要求。目前，由于材料和结构的约束，出于安全性考虑，压气机转子叶尖切线速度提升的幅度有限，要进一步提高气动负荷将会造成叶栅内严重的流动分离，严重的流动分离不仅会造成流道堵塞和气动效率下降，甚至还会导致旋转失速和喘振，影响压气机气动特性和稳定裕度，因此采用恰当的方式合理地控制叶栅流动分离是提高压气机性能的有效途径。在过去几十年中对此已进行了多种方法的研究。这些方法可以分为改变叶片的几何形状如叶片的弯、扭、掠，端弯，翼刀、缝隙叶栅及可控扩散叶型等达到控制叶栅流动的被动控制方法和在叶栅中通过局部吹气、吸气或其他的强化附面层流动方法以影响附面层流动、防止分离的主动控制方法。

相关技术中，缺少一种可以很好地把会产生流动分离的部分低能流体吸除，使在压气机中的流动具有更好的气动性能的压气机叶片。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，该设计既能达到抽除流动分离时低能流体的效果，又可以尽可能小地对压气机叶片的强度产生影响。

本发明实施例的一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，包括：

压力面、吸力面、叶顶、叶根、主流孔、支流孔和微型孔；

所述微型孔与所述支流孔相连通，所述支流孔与所述主流孔相连通，所述主流孔、所述支流孔和所述微型孔不在同一平面内，构成树形结构；

在压气机叶片的最大挠度处开设所述主流孔，所述主流孔的径向范围是从所述压气机叶片的所述叶根到所述叶顶；

所述支流孔分布在所述主流孔两侧，所述支流孔轴向方向为平行分布，与所述主流孔的轴线存在夹角；

所述微型孔分布在所述支流孔两侧，所述微型孔轴线方向与所述支流孔轴向方向存在夹角，所述微型孔出口在所述压气机叶片的吸力面上。

另外，根据本发明上述实施例的一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主流孔、所述支流孔和所述微型孔不在同一平面内，具体包括：

从周向方向上看，所述主流孔和所述支流孔在同一平面内；单从一个所述微型孔和其所在的支流孔看，两者是在同一平面的；每两个微型孔不在同一平面内。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微型孔的倾斜角度为朝向来流方向。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支流孔对称分布在主流孔的两侧，所述支流孔的轴线沿着叶片的中弧线方向。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微型孔分布在所述主流孔的两侧，在所述支流孔上为对称分布，轴线方向为平行分布。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述主流孔的直径为10mm，所述主流孔6的长度为200mm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支流孔的直径为5mm，所述支流孔的长度为30mm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述微型孔的直径为2mm。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支流孔的轴线与所述主流孔的轴线夹角为80°。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支流孔的轴线与所述微型孔的轴线夹角为60°。

本发明实施例的一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，有益效果为：

(1)引入抽吸孔的压气机叶片比无抽吸孔的压气机叶片的压缩效率更高，这是因为由于引入了抽吸孔，附面层中的低能流体被抽除，流动损失被降低了，压缩效率就更高了，每一级压气机叶片的压比就提升了。

(2)压气机叶片自身很薄，抽吸孔的引入一定会影响压气机叶片的强度。本发明采用的是树型抽吸孔，相比于直接的抽吸孔结构更加复杂，在压气机叶片最大挠度处开主流抽吸孔可以尽可能小地影响压气机叶片的强度，而且本发明中是树型抽吸孔，三种抽吸孔并不在同一平面内，所以对压气机叶片强度的影响会减弱。

(3)根据需要的抽吸流体量，可以调整所述主流孔6、支流孔7和微型孔8的尺寸、每一种抽吸孔的个数以及抽吸孔的角度来实现对抽吸量的调控。

(4)吸力面抽吸的优势在于降低叶栅的整体损失，抑制下游的附面层重新发展，最佳弯角与未抽吸的常规叶栅接近。沿展向全叶高的吸力面抽吸能有效抑制叶片吸力面的附面层发展，对主流损失的改善最为有效，同时，吸力面抽吸也吸除了角区的一部分低能流体；但角区分离仅会受到抑制，无法消除，角区堵塞面积并没有得到显著改观，有效工作范围拓宽有限。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的无抽吸孔时压气机叶片的表面流动示意图；

图2为根据本发明一个实施例的压气机叶片结构示意图，箭头表示低能流体流动方向；

图3为图2中支流孔与两个微型孔的位置关系的放大图；

图4为从相对于来流的方向看，支流孔与两个微型孔的位置关系的放大图；

图5为根据本发明一个实施例的压气机叶片的径向视图；

图6为在图5中的A-A截面处截取的压气机叶片1的剖视图，表明了主流孔与支流孔的相对位置；

图7为压气机叶片抽除低能流体后的表面流动示意图，其中的压气机叶片是把同一支流孔上的微型孔看成是在同一平面内，并只以一侧支流孔和微型作为示意图。

附图标记：1-叶片，2-吸力面，3-压力面，4-叶顶，5-叶根，6-主流孔，7-支流孔，8-微型孔，图1，2，7中的箭头表示流动方向，图1，7中虚线和叶片表面之间的流动表示边界层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。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。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片。

如图1所示，无抽吸孔压气机叶片的表面流动中，在叶片的吸力面的某个位置会发生流动分离，这种流动分离会产生低能流体，从而降低压气机的压缩效率。

如图2所示，本发明公开一种航空发动机的树型抽吸孔压气机叶片1，压气机叶片1包括吸力面2、压力面3、叶顶4、叶根5，主流孔6、支流孔7和微型孔8。微型孔8与支流孔7相连通，支流孔7与主流孔6相连通，在每两个孔的相贯处设置倒圆角。

在压气机叶片的最大挠度处开设主流孔，主流孔的径向范围是从压气机叶片的叶根到叶顶。

支流孔分布在主流孔两侧，支流孔轴向方向为平行分布，与主流孔的轴线存在夹角。

微型孔分布在支流孔两侧，微型孔轴线方向与支流孔轴向方向存在夹角，微型孔出口在压气机叶片的吸力面上。

如图3和图4所示，主流孔，支流孔和微型孔构成了树形结构。

如图5所示，为了最大限度地不影响压气机叶片1的强度，在叶片1的最大挠度处开主流孔6，主流孔6的径向范围是从叶片1的叶根5到叶片1的叶顶4。如图6所示，在主流孔6的两侧分布着支流孔7。微型孔8的出口在叶片1的吸力面2上。

作为一种具体的实时方式，在叶片1中，支流孔的个数取为8个，对称分布在主流孔6的两侧。在支流孔7上分布着微型孔8，每个支流孔7上的微型孔8的个数取为2个，从周向看，两个微型孔8在支流孔两侧。在主流孔6的两侧，在支流孔7上的位置为对称分布，轴线方向为平行分布，与主流孔6的轴线有一定的夹角。每一个微型孔8与其所在的支流孔7都有一定的夹角，微型孔8的出口在叶片1的吸力面2上。

由图2，3，4可以看出，主流孔6、支流孔7和微型孔8不在同一平面内，其中，从周向方向上看，主流孔6和支流孔7在同一平面内，单从一个微型孔8和其所在的支流孔7，两者是在同一平面的，但是每两个微型孔8又不在同一平面内，由此可见，三种大小不同的抽吸孔构成了树形结构。

本发明的优选实施方式，因为主流孔6对叶片强度的影响最大，所以主流孔6应该在压气机叶片的最大挠度处，直径最好不要超过压气机叶片厚度的二分之一。

本发明的优选实施方式，支流孔7应该均匀分布于主流孔6的两侧，孔的轴线最好是沿着叶片的中弧线方向，微型孔8也应该在支流孔7的两侧，而且主流孔和支流孔、支流孔和其上的微型孔的轴线应该有一定的角度，既可以保证抽吸范围大，效率高，又可以减小由于结构不均匀而产生的应力不均匀，从而减小对叶片强度的影响。

本发明的优选实施方式，在吸力面2上，微型孔8应该比较均匀地布置，而且微型孔8的倾斜角度应该朝向来流方向，这样可以保证良好的抽吸量和抽吸效率。

本发明具有带树型抽吸孔的航空发动机压气机叶片的工作方式如下：

在压气机工作时，因为附面层流动分离会产生大量的低能流体，这些低能流体包围着压气机叶片1，在引入了树型抽吸孔之后，低能流体会由压气机叶片1的吸力面2上的微型孔8流入压气机叶片1的内部；由于微型孔8分布在支流孔7上，在支流孔7上的微型孔8中的流体会流入到支流孔7中；支流孔7又分布在主流孔6的两侧，所有的支流孔中的流体会汇聚在压气机叶片1的主流孔6内，从而把流动中的低能流体抽除，低能流体抽除后的压气机叶片表面流动示意图如图7，从图中可以看出，引入树型抽吸孔可以达到抑制流动分离的目的，从而提高压气机压缩效率。

根据需要的抽吸流体量，可以调整主流孔6、支流孔7和微型孔8的尺寸、每一种抽吸孔的个数以及抽吸孔的角度，在不同设计工况下有不同的抽吸量。

可选地，主流孔6的直径为10mm。

可选地，主流孔6的长度为200mm。

可选地，支流孔7的直径为5mm。

可选地，支流孔7的长度为30mm。

可选地，微型孔8的直径为2mm。

可选地，支流孔7的轴线与主流孔6的轴线夹角为80°，支流孔7的轴线与其上的两个微型孔8的轴线夹角均为60°。

根据本发明实施例提出的一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，由于微型孔和叶片表面的压力差，来自流动分离而产生的低能流体由压气机叶片的吸力面上的微型孔引入，低能流体分为两部分进入微型孔，分别在主流孔的前后，这样可以保证抽吸效率更高；微型孔中的低能流体又分别流入每一个微型孔所连接着的支流孔，然后支流孔中的全部流体都流入主流孔，最后流出叶片。由此，既能达到抽除流动分离时低能流体的效果，又可以尽可能小地对压气机叶片的强度产生影响。将附面层内的高熵低能流体吸除，使得下一级压缩需要的压缩功减小，进而达到使压气机的压缩效率得到提高的目的。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种带树状抽吸结构的航空发动机压气机叶片，其特征在于，包括：

压力面、吸力面、叶顶、叶根、主流孔、支流孔和微型孔；

所述微型孔与所述支流孔相连通，所述支流孔与所述主流孔相连通，所述主流孔、所述支流孔和所述微型孔不在同一平面内，构成树形结构；

在压气机叶片的最大挠度处开设所述主流孔，所述主流孔的径向范围是从所述压气机叶片的所述叶根到所述叶顶；

所述支流孔分布在所述主流孔两侧，所述支流孔轴向方向为平行分布，与所述主流孔的轴线存在夹角；

所述微型孔分布在所述支流孔两侧，所述微型孔轴线方向与所述支流孔轴向方向存在夹角，所述微型孔出口在所述压气机叶片的吸力面上。

2.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述主流孔、所述支流孔和所述微型孔不在同一平面内，具体包括：

从周向方向上看，所述主流孔和所述支流孔在同一平面内；单从一个所述微型孔和其所在的支流孔看，两者是在同一平面的；每两个微型孔不在同一平面内。

3.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述微型孔的倾斜角度为朝向来流方向。

4.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述支流孔对称分布在主流孔的两侧，所述支流孔的轴线沿着叶片的中弧线方向。

5.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述微型孔分布在所述主流孔的两侧，在所述支流孔上为对称分布，轴线方向为平行分布。

6.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述主流孔的直径为10mm，所述主流孔6的长度为200mm。

7.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述支流孔的直径为5mm，所述支流孔的长度为30mm。

8.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述微型孔的直径为2mm。

9.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述支流孔的轴线与所述主流孔的轴线夹角为80°。

10.根据权利要求1所述的压气机叶片，其特征在于，所述支流孔的轴线与所述微型孔的轴线夹角为60°。

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