CN112594011B - 一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，用以综合控制叶片吸力面分离和端区二次流，通过设置吸力面分离控制单元，将自激励射流式脉冲激振器安装于涡轮叶片吸力面上，脉冲射流可促进吸力面附面层内的低能流体与主流的动量交换，增加了吸力面附面层的能量，可显著抑制涡轮叶片吸力面的气流分离，减小叶型损失；通过设置端壁边界层抽吸单元，利用端壁边界层抽吸技术去除涡轮端壁附近的低能流体，抑制端区二次流的形成；最后将端区抽除的气体供给与自激励射流式脉冲激振器，达到抽吸和射流流量平衡的目的，实现高负荷低压涡轮端区二次流和吸力面附面层的综合调控效果，较大限度的提升了高负荷低压涡轮的整体气动性能。

Description

一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置

技术领域

本发明属于航空发动机/燃气轮机内部流动控制领域，涉及一种低压涡轮内部流动分离调控装置，尤其涉及一种综合调控高负荷低压涡轮端区二次流和吸力面附面层的主动流动控制装置，通过将自激励射流式脉冲激振器安装于涡轮叶片吸力面上，脉冲射流可促进吸力面附面层内的低能流体与主流的动量交换，增加了吸力面附面层的能量，可显著抑制涡轮叶片吸力面的气流分离，减小叶型损失；然后利用端壁边界层抽吸技术去除涡轮端壁附近的低能流体，抑制端区二次流的形成；最后将端区抽除的气体供给与自激励射流式脉冲激振器，达到抽吸和射流流量平衡的目的，实现高负荷低压涡轮端区二次流和吸力面附面层的综合调控效果，较大限度的提升了高负荷低压涡轮的整体气动性能。

背景技术

在大涵道比航空涡扇发动机中，相对较低的进口燃气温度和压力使得单级低压涡轮输出功率有限，同时受风扇转速和高涵道比的限制，低压涡轮级数通常较多，是涡扇发动机内部最大的部件之一，其重量可占整台发动机重量的20％～30％。另一方面，低压涡轮对大涵道比涡扇发动机性能影响显著，以发动机耗油率为例，在巡航状态下，低压涡轮效率提高1％，发动机的耗油率将下降0.7％～0.9％，成为影响发动机整机性能最大的部件之一。随着对大涵道比涡扇发动机性能的不断追求，高负荷低压涡轮设计已经成为一种趋势，通过高负荷叶型设计减少低压涡轮叶片数目，更甚至是级数，是减轻低压涡轮重量、提升发动机性能的一种有效途径，受到了广大研究者们的广泛关注。近年来，高升力、低展弦比、大转折角叶片成了低压涡轮设计的一个新趋势，越来越多的研究者开始关注Zweifel数1.4以上的超高负荷低压涡轮叶片研究。但是，叶片载荷的提高将不可避免地增加气流通道内横向压差和叶片边界层中的流向逆压梯度，容易导致边界层分离，加剧叶型损失和端区二次流损失，尤其是在高空低雷诺数的运行环境下，如何降低流动损失是高负荷低压涡轮叶片设计面临的一项技术难点。

流动控制技术在近年来得到广泛的重视和发展。所谓流动控制是指以较小的流动修正或损失为代价来获得较大的主流流动收益，甚至改变主流的流动状态，达到组织流场、提高涡轮性能的目的。因此，采用有效的设计和控制方法抑制高负荷低压涡轮端区流动损失已成为提高低压涡轮性能、发展新一代高性能低压涡轮的重要技术方向。流动控制可以分为被动流动控制和主动流动控制。在过去的很长一段时间里，出于安全性和易用性的考量，人们一直将低压涡轮流动控制的研究重点集中在被动控制方法上。被动控制虽然操作方式相对简单，但其不能随流动状态的改变而改变，在没有流动分离或者流动分离较小时，施加被动控制反而会干扰流动并加剧流动损失。而主动流动控制可以根据叶轮机械内部的具体流场情况施加控制方案，通过外部微量能量输入，达到改善局部或整体流场结构的目的，进而显著改善低压涡轮气动性能。

射流式旋涡发生器(VGJs，Vortex Generator Jets)是通过将一股射流注入主流中，射流与主流之间的相互作用产生流向涡，从而影响了整个流场结构，达到改善流场状态、抑制流动分离的目的。而自激励反馈式射流激振器则是根据射流的附壁原理(Coanda效应)，当射流在激振器两侧端壁流动时，通过不断地附壁切换实现摆动振荡，实现了射流的周期性振荡，整个流动过程，无需运动部件，只需保证供给稳定的微量气体即可产生非定常(振荡)射流。激振器的脉冲射流与涡轮主流的剪切作用产生了一个流向涡对，促进了涡轮叶片吸力面附面层与主流的动量交换，可促使叶片吸力面分离泡发生旁路转捩，有效抑制高负荷低压涡轮吸力面分离。但必须指出的是，虽然脉冲射流式激振器作用效果显著，但由于流量需要外界额外提供，在真实发动机内部，通常是由压气机引气，往往需要设计复杂的空气系统管路，致使发动机结构复杂、可靠性降低，极大地限制了主动控制策略的工程应用价值。另一方面，端区边界层内含大量的低能流体在涡轮端区二次流的发展演化过程中起到至关重要的作用，是端区二次流形成的主要根源，而端壁边界层抽吸可以去除端壁附近的低能流体，抑制端区二次流的形成，从而减少二次流损失。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明针对现有大涵道比涡扇发动机的高负荷低压涡轮叶片设计所引起的通道内横向压差和流向逆压梯度增大，容易导致边界层分离，加剧叶型损失和端区二次流损失的问题，通过充分吸收自激励反馈式射流激振和端壁边界层抽吸两种主动流动控制技术的优点，并克服相应的技术缺点，本发明通过将自激励反馈式射流激振器安装在涡轮叶片的吸力面上，利用端壁边界层抽除的气体供给于自激励反馈式射流激振器，实现抽吸和射流的流量平衡，不需要外界流量的输入和输出，并且实现了端区二次流和吸力面附面层的综合调控效果，较大限度的提升了高负荷低压涡轮的整体气动性能。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案如下：

一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，用以综合控制叶片吸力面分离和端区二次流，所述高负荷低压涡轮包括端壁以及沿周向均匀分布在所述端壁上的多个涡轮叶片，各相邻两所述涡轮叶片之间形成气流通道，所述主动调控装置至少包括一端壁边界层抽吸单元和一吸力面分离控制单元，其特征在于，

所述端壁边界层抽吸单元，包括设置在各所述气流通道中端壁区域上的多个端区抽吸孔以及设置在各所述气流通道中端壁内部的多个抽气管道、一增压装置，各所述端区抽吸孔分布在通道中马蹄涡压力面分支的发展路径上，各所述抽气管道的一端与各所述端区抽吸孔一一对应连通、另一端均与所述增压装置的进口连通；

所述吸力面分离控制单元，包括设置在每一所述涡轮叶片内的多个自激励射流式涡激振器以及多个与所述自激励射流式涡激振器一一对应连通的射流管道，所述多个自激励射流式涡激振器沿叶片展向布置，每一所述射流管道的出口对应与一所述自激励射流式涡激振器的入口连通，每一所述射流管道的入口与所述端壁边界层抽吸单元中的增压装置的出口连通，每一所述自激励射流式涡激振器的射流出口形成在所述涡轮叶片的吸力面的分离泡发展区域，且所述射流出口的射流角度θ应设置为有利于抑制叶片吸力面的附面层分离。

优选地，每一所述涡轮叶片内的射流管道与所述端壁边界层抽吸单元中的抽气管道一一对应，使得各所述端壁抽吸孔抽除的端区低能流体与各所述自激励射流式涡激振器射出的流量平衡，避免从外界外界额引气。

优选地，每一所述自激励射流式涡激振器的射流出口与涡轮叶片的前缘之间具有轴向距离t。

进一步地，根据叶片吸力面分离泡的位置和大小，调整所述自激励射流式涡激振器的射流出口与叶片前缘的轴向距离t和/或射流出口的射流角度θ。

优选地，所述自激励射流式涡激振器整体呈Y形对称结构，包括设置在其进口处的入流喷嘴、设置在其中心处的振荡腔、位于所述振荡腔两侧的分流通道及反馈通道，且每一侧分流通道的末端均设置一射流出口，每一所述射流出口延伸至所述涡轮叶片的吸力面上，所述入流喷嘴经一激振器入口与所述射流管道的出口连通，所述振荡腔的末端设置一分流劈，所述入流喷嘴喷出的射流沿所述振荡腔流动至所述分流劈，并经所述分流劈流动至其中一侧分流通道，大部分射流通过射流出口作用于涡轮叶片吸力面附面层，另一部分射流则通过反馈通道流入喷嘴低压区，从而破坏主流的附壁，使主射流经分流劈偏转到另一侧的端壁上，从而实现了射流的周期性振荡。

进一步地，可通过调整反馈通道的长度和宽度，从而调整涡激振器射流的脉动频率。

同现有技术相比，本发明的高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，用以综合调控涡轮端区二次流和吸力面附面层，具有以下显著技术效果：1)结构简单、加工方便、易于实现，能够较大限度的抑制高负荷低压涡轮吸力面分离和端区二次流强度，显著降低涡轮内部的流动损失，提高涡轮气动性能。2)将端区边界层抽除的低能流体供给与自激励射流式涡激振器，抽气管道和射流管道经增压装置后一一对应，实现抽吸和射流流量的平衡，避免了从外界引气，装置可靠性提高，具有较高的工程应用价值。3)自激励反馈式射流激振器是根据射流的附壁原理(Coanda效应)，基于自身的几何结构特征实现了射流的周期性振荡，整个流动过程，无需运动部件，只需保证供给稳定的微量气体即可产生非定常脉冲射流，此脉冲射流与涡轮主流的剪切作用产生了一个流向涡对，促进了涡轮叶片吸力面附面层与主流的动量交换，可促使叶片吸力面分离泡发生旁路转捩，有效抑制高负荷低压涡轮的吸力面分离。4)可根据叶片吸力面分离泡位置和大小的不同适当改变自激励反馈式射流激振器的轴向安装位置和射流角度，实现较大限度的控制叶片吸力面分离。5)端区边界层抽吸孔的安装位置灵活可变，可根据端区二次流的具体走势灵活布局，方便可调，技术难度低。

附图说明

图1为高负荷低压涡轮叶片吸力面分离泡和端区二次流涡系结构示意图。

图2为本发明的高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置示意图。

图3为本发明中端壁抽吸孔设计布局示意图。

图4为本发明中自激励射流式涡激振器结构示意图。

图5为本发明中自激励射流式涡激振器在高负荷低压涡轮叶片内部安装位置剖面图。

附图中各主要附图标记说明：

叶片吸力面1，叶片压力面2，分离泡3，马蹄涡压力面分支4，马蹄涡吸力面分支5，壁面涡6，角涡7，通道涡8，尾缘脱落涡9，来流端区边界层10，涡轮叶片11，端壁12，端壁抽吸孔13，抽气管道14，增压装置15，射流管道16，自激励射流式涡激振器17，激振器入口18，喷嘴19，振荡腔20，分流劈21，流道22，出口23，反馈通道24。

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。

在现有大涵道比涡扇发动机的高负荷低压涡轮内，由于叶片负荷的提高导致通道内横向压差和流向逆压梯度增大，使得叶型损失和端区二次流损失加剧，叶型损失和端区二次流损失已成为高负荷低压涡轮气动损失的主要来源，其叶中区域叶片吸力面分离和端区二次流涡系结构如图1所示。随着低压涡轮叶片负荷的不断提高，叶片吸力面1上的逆压力梯度增加，在低雷诺数的气动环境下，低压涡轮叶片前缘叶片吸力面1上的附面层一般维持层流状态，容易发生层流分离，形成分离泡3，进而增加了低压涡轮的叶型损失。此外，在涡轮端区存在复杂的二次流涡系结构，由于旋涡是二次流动的另一种表现方式，不同形式的涡系结构直接对应于不同类型的二次流，主要包括：马蹄涡压力面分支4、马蹄涡吸力面分支5、壁面涡6、角涡7、通道涡8和尾缘脱落涡9，这些复杂的涡系在叶片通道内的掺混耗散是涡轮端区流动损失的主要来源。

为了抑制高负荷低压涡轮内部的流动分离，提高涡轮的气动性能，本发明设计了一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，高负荷低压涡轮包括端壁12以及沿周向均匀分布在端壁12上的多个涡轮叶片11，各相邻两涡轮叶片11之间形成气流通道，用以综合控制高负荷低压涡轮的叶片吸力面附面层分离和端区二次流，主动调控装置包括端壁边界层抽吸单元和吸力面分离控制单元，如图2所示。

基于高负荷低压涡轮端区二次流的形成过程和端区涡系结构的演化规律，可以发现，来流端区边界层10内含大量的低能流体在涡轮叶片11端区二次流的发展演化过程中起到至关重要的作用，是端区二次流形成的主要根源，如果能去除端壁12附近的低能流体，势必会抑制端区二次流强度，减小二次流损失。端壁边界层抽吸单元，包括设置在各气流通道中端壁区域上的多个端区抽吸孔13以及设置在各气流通道中端壁内部的多个抽气管道14、一增压装置15，各端区抽吸孔13分布在通道中马蹄涡压力面分支4的发展路径上，各抽气管道14的一端与各端区抽吸孔13一一对应连通、另一端均与增压装置15的进口连通。端壁抽吸孔13的目的就是为了去除端壁12附近的低能流体，端壁抽吸孔13的设计是基于涡轮端区涡系结构的演化路径而确定的，如图3所示，由于通道涡8是涡轮端区尺寸最大的二次流结构，在端区二次流中占主导地位。它的发展主要受到马蹄涡压力面分支4和由叶片压力面2指向叶片吸力面1的横向压力梯度的影响，在马蹄涡压力面分支4的发展路径上设计端区抽吸孔13，可有效抑制马蹄涡压力面分支4的强度，进而控制通道涡8的发展，此外，还可调整端区抽吸孔13的直径Ф、覆盖区域直径d以及位置来最优化的选取适合不同涡轮叶型的端区抽吸方案。

另一方面，为了控制高负荷低压涡轮叶片吸力面1上发生层流分离，本发明中还设置了吸力面分离控制单元，包括设置在每一涡轮叶片11内的多个自激励射流式涡激振器17以及多个与自激励射流式涡激振器17一一对应连通的射流管道16，多个自激励射流式涡激振器17沿叶片展向布置，每一射流管道16的出口对应与一自激励射流式涡激振器17的入口连通，每一射流管道16的入口与端壁边界层抽吸单元中的增压装置15的出口连通，每一自激励射流式涡激振器17的射流出口形成在涡轮叶片11的吸力面的分离泡3的发展区域，且射流出口23的射流角度θ应设置为有利于抑制叶片吸力面的附面层分离。

本发明中自激励射流式涡激振器17安装在涡轮叶片11内部，自激励射流式涡激振器17结构示意图如图4所示，自激励射流式涡激振器17的在叶片11内部的安装位置如图5所示。自激励射流式涡激振器17发出的脉冲射流可促进涡轮叶片吸力面1附面层与主流发生动量交换，促使叶片吸力面附面层发生旁路转捩，有效抑制高负荷低压涡轮吸力面分离泡3的尺寸。自激励射流式涡激振器17的工作原理是气流经激振器入口18进入激振器的流体经喷嘴19到达振荡腔20，射流经过分流劈21进入一侧流道22，由于射流的附壁效应(Coanda效应)，当射流在两侧端壁流动时，通过不断地附壁切换实现摆动振荡，大部分射流通过出口23作用于叶栅吸力面附面层，另一部分射流则通过反馈通道24引回到激振器上游喷嘴附近，并流入喷嘴低压区，从而破坏主流的附壁，使主射流经分流劈21偏转到另一侧的端壁上，从而实现了射流的周期性振荡。自激励射流式涡激振器17的整个流动过程，无需运动部件，只需保证供给稳定的微量气体即可产生非定常脉冲射流。为了保证端壁抽吸孔13抽除的端区低能流体和自激励射流式涡激振器17射出的流量平衡，避免从外界外界额引气，本发明将端壁抽吸孔13抽除的端区低能流体通过抽气管道14，再经过增压装置15，输送到射流管道16，最后到达自激励射流式涡激振器17的入口18，抽气管道14和射流管道16是一一对应的。自激励射流式涡激振器17的出口与叶片吸力面1相连接，可通过调整与叶片前缘的轴向尺寸t来更改自激励射流式涡激振器17的安装位置，也可调整自激励射流式涡激振器17的射流角度θ来更好的抑制叶片吸力面分离。本发明可以较大限度的控制高负荷低压涡轮叶片吸力面分离和端区二次流的强度，显著减小涡轮内部的流动损失，具有结构简单、操作方便、易加工的优点。

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)

1.一种高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，用以综合控制叶片吸力面分离和端区二次流，所述高负荷低压涡轮包括端壁以及沿周向均匀分布在所述端壁上的多个涡轮叶片，各相邻两所述涡轮叶片之间形成气流通道，所述主动调控装置至少包括一端壁边界层抽吸单元和一吸力面分离控制单元，其特征在于，

所述端壁边界层抽吸单元，包括设置在各所述气流通道中端壁区域上的多个端区抽吸孔以及设置在各所述气流通道中端壁内部的多个抽气管道、一增压装置，各所述端区抽吸孔分布在气流通道中马蹄涡压力面分支的发展路径上，各所述抽气管道的一端与各所述端区抽吸孔一一对应连通、另一端均与所述增压装置的进口连通；

所述吸力面分离控制单元，包括设置在每一所述涡轮叶片内的多个自激励射流式涡激振器以及多个与所述自激励射流式涡激振器一一对应连通的射流管道，所述多个自激励射流式涡激振器沿涡轮叶片的展向布置，每一所述射流管道的出口对应与一所述自激励射流式涡激振器的入口连通，每一所述射流管道的入口与所述端壁边界层抽吸单元中的增压装置的出口连通，每一所述自激励射流式涡激振器的射流出口形成在所述涡轮叶片的吸力面的分离泡发展区域，且所述射流出口的射流角度应设置为有利于抑制叶片吸力面的附面层分离；

每一所述涡轮叶片内的射流管道与所述端壁边界层抽吸单元中的抽气管道一一对应，使得各所述端壁抽吸孔抽除的端区低能流体与各所述自激励射流式涡激振器射出的流量平衡，避免从外界引气 ；

每一所述自激励射流式涡激振器的射流出口与涡轮叶片的前缘之间具有轴向距离。

2.根据权利要求1所述的高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，其特征在于，根据叶片吸力面上分离泡的位置和大小，调整所述自激励射流式涡激振器的射流出口与叶片前缘的轴向距离和/或射流出口的射流角度。

3.根据权利要求1所述的高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，其特征在于，所述自激励射流式涡激振器整体呈Y形对称结构，包括设置在其进口处的入流喷嘴、设置在其中心处的振荡腔、位于所述振荡腔两侧的分流通道及反馈通道，且每一侧分流通道的末端均设置一射流出口，每一所述射流出口延伸至所述涡轮叶片的吸力面上，所述入流喷嘴经一激振器入口与所述射流管道的出口连通，所述振荡腔的末端设置一分流劈，所述入流喷嘴喷出的射流沿所述振荡腔流动至所述分流劈，并经所述分流劈流动至其中一侧分流通道，大部分射流通过射流出口作用于涡轮叶片吸力面附面层，另一部分射流则通过反馈通道流入喷嘴低压区，从而破坏主流的附壁，使主射流经分流劈偏转到另一侧的端壁上，从而实现了射流的周期性振荡。

4.根据权利要求3所述的高负荷低压涡轮内部流动分离主动调控装置，其特征在于，可通过调整反馈通道的长度和宽度，从而调整涡激振器射流的脉动频率。

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