CN113847277B - 吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片 - Google Patents

Abstract

一种吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，在在叶片的吸力面上排布有波纹凹槽，该波纹凹槽的波纹曲线形式为多段圆弧曲线或正弦曲线。在所述波纹凹槽的波谷均有抽吸孔，沿该吸附式压气机叶片展向形成多排抽吸孔。本发明提供波纹凹槽进行叶片激波强度控制，减弱激波/壁面干扰效应；利用预压缩叶型设计进一步降低激波前马赫数，减低激波强度；波纹凹槽的波谷均设置多排抽吸孔对超声速叶片流动分离进行控制。波纹凹槽与预压缩叶型的耦合控制方法有利于该超声速吸附式压气机叶片在低抽吸流量下实现良好控制效果，增强了叶片的结构强度。

Description

吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片

技术领域

本发明涉及压气机领域，具体是一种吸力面有波纹凹槽的多孔控制激波/壁面干扰的超声速吸附式压气机叶片。

背景技术

现代航空飞行器技术对更高推重比发动机的需求，促进航空发动机向更高的级负荷与更少的级数发展。随着压气机负荷的提高，跨声速与超声速压气机中激波强度不断增加，强激波产生的激波损失与流动干涉又限制了压气机性能的提升。因此，有必要对跨、超声速压气机中激波进行控制，削弱激波强度。此外，更高的级负荷常产生不可避免的流动分离，造成更大损失，导致压气机级负荷的降低。因此，弱化跨、超声速压气机内部激波并对流动分离进行控制具有重要意义。

叶片吸力面波纹凹槽作为能够有效控制激波强度的被动控制技术在涡轮叶片中被多次应用。Zhao等人在2016年发表于ASME的论文Numerical Investigation of a NovelApproach for Mitigation of Forced Response of a Variable Geometry TurbineDuring Exhaust Braking Mode(文献号GT2016-56342)中，对涡轮叶片吸力面凹槽的激波控制方法进行数值模拟研究，研究结果表明吸力面凹槽结构能够降低尾缘激波强度，控制流动干涉现象。Lei等人在2017年发表于ASME的论文Investigation on the ShockControl Using Grooved Surface in a Linear Turbine Nozzle(Journal ofTurbomachinery2017年12期)中，针对采用涡轮吸力面凹槽的激波控制机理进行实验与数值模拟研究。研究结果显示，吸力面波纹凹槽能够有效降低尾缘正激波强度；吸力面波纹凹槽产生多道斜激波，经过斜激波后尾缘正激波上游气流流速降低，激波强度得到有效削弱。刘恒的硕士论文《VNT导流叶片尾缘激波调制方法研究》中发现吸力面激波产生位置采用波纹凹槽被动控制技术后，叶片尾缘激波强度得到显著降低，凹槽结构还明显减小了激波影响范围。采用0.5mm深的凹槽结构后，激波强度降低约3.29％，激波影响范围缩小约10％。上述研究表明叶片吸力面波纹凹槽结构能有效控制叶片表面激波强度，但流动分离问题并未得到有效控制。因此，控制叶片表面流动分离需采用其他技术。

吸附式压气机技术由MIT的Kerrebrock等于1997年首次提出，已被证明该方法能够有效控制流动分离提高压气机负荷，并已逐渐成为一个提高压气机负荷的重要研究方向。Merchant等人在2004年发表于AIAA的论文Compressors with Aspirated FlowControl and Counter-Rotation(文献号AIAA2004-2514)中，对2台设计的吸附式压气机进行数值模拟研究，论证了附面层抽吸技术能够实现压气机气动负荷的有效提高。Siemann等人在2016年发表于ASME的论文Experimental Investigation of Aspiration in aMulti-Stage High-Speed Axial-Compressor(文献号GT2016-56440)中设计一台四级轴流吸附式压气机并开展研究工作。研究结果表明附面层抽吸技术提升了高负荷压气机性能，采用附面层抽吸技术后压气机出口静压提高4.59％，单级效率提高1.3％，压气机稳定裕度扩大19％。葛正威等人在《吸附式跨声速压气机叶栅流场数值模拟》(《航空动力学报》2007年08期)中对某高负荷跨声速压气机叶栅开展了吸力面附面层抽的研究，探究了附面层抽吸流量与抽吸位置对跨声速压气机叶栅气动性能的作用。结果表明，抽吸流量与抽吸位置相互关联，理想抽吸位置在激波后附面层发展进入过渡段的位置；随抽吸位置向后缘远离激波，最佳抽吸流量呈增大趋势。梁锐星等人在《吸力面开槽抽吸对跨声速压气机扇形静子叶栅性能影响的数值研究》(《大连海事大学学报》2019年04期)中研究了跨声速压气机中不同吸力面抽吸缝位置对气动性能及流场结构的影响。结果表明，吸力面抽吸能改善在近失速工况下的跨声速压气机内部流场，抑制角区分离，叶栅整体损失降低16.68％。虽然上述研究均采用附面层抽吸技术抑制了流动分离，但激波强度未降低，激波影响范围没有减小。跨、超声速压气机中强激波与附面层的干涉导致的流动分离现象及激波损失问题依旧存在。

在公开号为CN113153815A的发明创造中公开了“一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片”，该超声速吸附式压气机叶片内部存在贯通的真空腔；叶片吸力面有多排与真空腔贯通的抽吸孔。各抽吸孔为横截面面积相同的圆形孔或矩形孔。叶片吸力面附面层内的低能流体由各排抽吸槽抽吸进入真空腔，并通过抽吸孔排出，从而减弱超声速叶片内强激波诱导引起的附面层分离，提高压气机的性能。但该发明创造中超声速吸附式压气机叶片的激波强度大，激波诱导附面层分离严重，附面层抽吸控制难度大，效果不佳。

通过附面层抽吸技术，常规跨、超声速吸附式压气机叶片中激波后低能流体能够得到控制，但强激波导致流动分离严重。在高来流马赫数、高负荷工况下，超声速叶片内激波强度大，激波损失严重，激波/壁面干扰效应会更加严重。此时采用单一的附面层抽吸手段不能实现有效的控制，需结合波纹凹槽对激波强度予以控制。

发明内容

为克服现有技术中存在的激波强度大、激波诱导附面层分离严重、附面层抽吸控制效果不佳的不足，本发明提出了一种吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片。

本发明的叶型采用进口段直线叶型或预压缩叶型。当采用进口段直线叶型时，该进口段直线叶型的吸力面为一段直线，该直线与吸力面后段圆弧相切，叶片进口直线段气流转折角为0°。当采用预压缩叶型时，预压缩叶型吸力面为一段进口段转角为负角度的光滑曲线，吸力面前段叶型线与后段叶型线相切，该设计中原始叶片的最大厚度位置点位于42％叶片弦长处；吸力面最大厚度点为通过后段大曲率圆弧型线与叶片尾缘相连，叶片前后段型线相切于叶片最大厚度处；该叶片的最大厚度置位于距该叶片前缘42％弦长处。

本发明的特征在于，在该多孔吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔；该抽吸腔的型面与对应的叶片型面相同。在所述吸力面上排布有波纹凹槽，该波纹凹槽的前端位于该叶片前缘38％弦长处，尾端距该叶片前缘46％弦长处；所述波纹凹槽的展长贯通该叶片的展长，使该波纹凹槽的内端位于该叶片0％处，外端位于该叶片100％处。所述波纹凹槽的波纹曲线形式为多段圆弧曲线或正弦曲线。在所述波纹凹槽的波谷均有抽吸孔，沿该吸附式压气机叶片展向形成多排抽吸孔。

所述抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该叶片内部。抽吸腔前缘点距超声速叶片前缘22.4％弦长，抽吸腔后缘点距叶片前缘73.9％弦长。该抽吸腔的中弧线与所述多孔吸附式压气机叶片的中弧线重合。该抽吸腔的前缘端与后缘端均为圆弧状，该圆弧的半径为0.4mm；所述抽吸腔壁厚为0.5mm。

当所述波纹凹槽采用多段圆弧曲线时，该波纹由多段凹圆弧与凸圆弧依次首尾相连组成，凹圆弧与凸圆弧半径均为0.5mm，该多段圆弧型凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片表面相切。

当所述波纹凹槽采用正弦曲线时，该波纹的正弦函数表达式为：y＝0.15*sin((12*x+1)*PI*1rad)+0.15，PI为圆周率；该正弦函数型凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片吸力面相切。

所述各抽吸孔中，第一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向3.1125％处，最后一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向96.8875％处。

所述各抽吸孔的开孔方向均垂直于叶片弦长。

所述抽吸孔分为圆形孔或矩形孔；各展向相邻抽吸孔的中心距或几何中心距之间的距离为3.025％的展长。当所述抽吸孔为圆形孔时，孔径为0.6mm。当所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔长边沿叶片展向分布，矩形孔长边b＝2mm，短边a＝0.7mm。所述圆形抽吸孔的横截面积与矩形抽吸孔的横截面积相同。

为了控制高负荷工况下激波强度，减弱激波/壁面干扰效应，提高附面层抽吸效果，本发明提出一种新的吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片。

本发明基于吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片设计方法，采用全三维气动优化设计进行叶片设计。本设计中采用位于吸力面激波位置的波纹凹槽进行叶片激波强度控制，减弱激波/壁面干扰效应；利用预压缩叶型设计进一步降低激波前马赫数，减低激波强度；波纹凹槽的波谷均设置多排抽吸孔对超声速叶片流动分离进行控制。波纹凹槽与预压缩叶型的耦合控制方法有利于该超声速吸附式压气机叶片在低抽吸流量下实现良好控制效果，叶片结构强度得到增强。带有波纹凹槽的超声速吸附式压气机叶片初步设计完成后，将该超声速吸附式压气机叶片按照设计工况排布为叶栅形式，并对该叶栅进行三维数值模拟。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果为：

在将本发明提出的超声速吸附式压气机叶片安装在栅板上时，其栅距为30.55mm，安装角为47°，有利于充分发挥波纹凹槽及多孔抽吸的优势。数值模拟在设计工况下进行，进口气流角β₁为61°，设计进口马赫数为1.5。图8是设计工况下原始叶片叶栅在50％叶片展向截面的马赫数云图，图9是设计工况下具有矩形抽吸孔的吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片在50％叶片展向截面的马赫数云图。由图可知，在原始叶片叶栅通道中，叶栅通道中形成强烈的弓形激波，强激波后流动分离严重，流动损失增大；相比于原始叶片，本发明所述的吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片叶栅通道内，经过波纹凹槽及抽吸后激波得到控制，流动分离范围迅速减小，叶片吸力面流动分离被消除。采用波纹凹槽及多孔抽吸耦合控制技术后，抽吸流量得到有效降低，仅为叶栅进口质量流量的3.8％；此时超声速吸附式压气机叶片激波后流动分离得到有效控制。具有矩形抽吸孔的超声速吸附式压气机叶栅出进口静压比达到3.15，扩散因子D达到0.907。控制原理如下：

本发明中，波纹凹槽起始位置距叶片前缘38％弦长，结尾位置距叶片前缘46％弦长，即波纹凹槽沿叶片弦长方向的范围覆盖原始超声速吸附式压气机叶片吸力面激波冲击点7(原始叶片最大厚度位置，42％叶片弦长处)，波纹凹槽的波谷均有抽吸孔。设计工况下两种抽吸孔的抽吸流量均为进口质量流量的3.8％，以保证激波冲击点下游该超声速吸附式压气机叶片表面流动分离得到有效控制。其设计原理为：叶片吸力面弓形激波冲击点处的波纹壁面降低弓形激波强度，多排附面层抽吸孔吸除叶片表面低能流体，叶片表面附面层变薄，不易发生流动分离；如图10中所示，波纹凹槽处产生了三道斜激波。经过该斜激波系，气流速度下降，叶片前缘弓形激波强度减弱，降低了激波损失，减弱了激波干扰附面层流动分离；设计工况下，弓形激波冲击点恰好位于第三排抽吸孔内，避免了激波在吸力面表面的反射，进一步降低了气流经过弓形激波的损失。叶片吸力面前三排抽吸孔控制叶片表面附面层并形成稳定的斜激波系，弓形激波强度得到削弱；弓形激波与叶片吸力面附面层干涉形成的流动分离在第四排抽吸孔处被抽吸消除，第四排抽吸孔后该超声速吸附式压气机叶片表面激波后附面层分离现象得到有效抑制，叶片吸力面流动分离不在发生。

由于该超声速吸附式压气机叶片在设计工况下的进口马赫数高达1.5，因此叶型设计中可采用进口段直线叶型或预压缩叶型。当采用进口段直线叶型时，该进口段直线叶型的吸力面为一段直线，该叶型前段气流转折角为0°，避免了气流在吸力面持续加速导致的通道激波前马赫数过大。当采用预压缩叶型时，预压缩叶型吸力面为一段进口段转角为负角度的光滑曲线，吸力面前段叶型线与后段叶型线相切，超声速气流经过该吸附式压气机叶片吸力面前段受到压缩速度降低，降低了波前马赫数和激波损失。

吸力面有波纹凹槽的叶片的设计原理是：超声速来流下叶栅通道中存在图11中所示的激波结构，分为前缘弓形激波6和斜激波系9；设计工况下，波纹凹槽保证叶栅通道拥有足够喉道面积的情况下，波纹凹槽产生的一组斜激波系有效地降低了超声速气流速度，叶片前缘的弓形激波强度更低，避免了强激波导致的流动损失和强激波与叶片吸力面附面层干扰造成的严重流动分离。波纹凹槽的波谷均设置有多排多孔抽吸，最大程度发挥抽吸优势，使弓形激波冲击点7下游的亚声速段，即压力恢复区12的范围最大化。

附图说明

图1是圆形抽吸孔结构示意图；其中，图1a是主视图，图1b是图1a中B部位的局部放大图。

图2是矩形抽吸孔结构示意图；其中，图2a是主视图，图2b是图2a中A部位的局部放大图。

图3是具有圆形抽吸孔的超声速吸附式压气机叶片的俯视图；

图4是具有矩形抽吸孔的超声速吸附式压气机叶片的俯视图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是图5中C部位的局部放大图；

图7是原始叶片的俯视图；

图8是原始叶片的主视图；

图9是设计工况下原始叶片在50％叶片展向截面的马赫数云图；

图10是设计工况下本发明在50％叶片展向截面的马赫数云图；

图11是本发明叶片吸力面流动分离、减弱激波/壁面干扰效应示意图；

图12是吸力面有波纹凹槽的超声速叶片叶栅通道内的激波示意图。

图中：1.原始叶片；2.抽吸腔；3.抽吸孔；4.波纹凹槽；5.最大厚度点；6.前缘弓形激波；7.激波冲击点；8.流动分离区；9.斜激波系；10.主流区；11.附面层；12.压力恢复区。

具体实施方式

本实施例是一种吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片；该叶片是对对CN113153815A中公开的一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片改进后得到。

所述超声速多孔吸附式压气机叶片1的叶型采用进口段直线叶型或预压缩叶型。当采用进口段直线叶型时，该进口段直线叶型的吸力面为一段直线，该直线与吸力面后段圆弧相切，叶片进口直线段气流转折角为0°。当采用预压缩叶型时，预压缩叶型吸力面为一段进口段转角为负角度的光滑曲线，吸力面前段叶型线与后段叶型线相切，该设计中原始叶片的最大厚度位置点5位于42％叶片弦长处；吸力面最大厚度点为通过后段大曲率圆弧型线与叶片尾缘相连，叶片前后段型线相切于叶片最大厚度处。

所述多孔吸附式压气机叶片的展长为100mm、叶片弦长为65mm、进口几何角为14°、出口几何角为-14°。当原始叶片组装在叶栅上时，其栅距为30.55mm，叶片安装角为47°，进口气流角β₁为61°，设计进口马赫数为1.5。在该多孔吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔2。所述抽吸腔2的型面与对应的叶片型面相同；

该抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该叶片内部。抽吸腔前缘点距超声速叶片前缘22.4％弦长，抽吸腔后缘点距叶片前缘73.9％弦长。该抽吸腔的中弧线与所述多孔吸附式压气机叶片的中弧线重合。该抽吸腔的前缘端与后缘端均为圆弧状，该圆弧的半径为0.4mm；所述抽吸腔壁厚为0.5mm。

在所述原始超声速叶片的吸力面上有波纹凹槽4，该波纹凹槽的前端位于该叶片前缘38％弦长处，尾端距该叶片前缘46％弦长处；原始叶片的最大厚度位置位于距该叶片前缘42％弦长处。所述波纹凹槽的展长贯通该叶片的展长，使该波纹凹槽的内端位于该叶片0％处，外端位于该叶片100％处。

波纹凹槽的波纹曲线形式为多段圆弧曲线或正弦曲线。当采用多段圆弧曲线时，该波纹由多段凹圆弧与凸圆弧依次首尾相连组成，凹圆弧与凸圆弧半径均为0.5mm，该多段圆弧型凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片表面相切。当采用正弦曲线时，该波纹的正弦函数表达式为：y＝0.15*sin((12*x+1)*PI*1rad)+0.15，PI为圆周率；该正弦函数型凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片吸力面相切。

所述波纹凹槽的波谷均有抽吸孔3，抽吸孔3的开孔方向于叶片弦长垂直；沿该吸附式压气机叶片展向形成多排抽吸孔；其中第一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向3.1125％处，最后一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向96.8875％处。所述抽吸孔分为圆形孔或矩形孔；各展向相邻抽吸孔的中心距或几何中心距之间的距离为3.025％的展长。

所述抽吸孔为圆形孔时，孔径为0.6mm。所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔长边沿叶片展向分布，矩形孔长边b＝2mm，短边a＝0.7mm。所述圆形抽吸孔的横截面积与矩形抽吸孔的横截面积相同。

Claims (8)

1.一种吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其叶型采用进口段直线叶型或预压缩叶型；当采用进口段直线叶型时，该进口段直线叶型的吸力面叶型线前段为一段直线，该直线与吸力面后段圆弧叶型线相切，叶片进口直线段气流转折角为0°；当采用预压缩叶型时，预压缩叶型吸力面叶型线前段为一段进口段转角为负角度的光滑曲线，吸力面前段叶型线与后段叶型线相切，该设计中吸附式压气机叶片的最大厚度位置点位于42％叶片弦长处；吸力面最大厚度点为通过后段大曲率圆弧型线与叶片尾缘相连，叶片前后段型线相切于叶片最大厚度处；该叶片的最大厚度置位于距该叶片前缘42％弦长处；

其特征在于，在该多孔吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔；该抽吸腔的型面与对应的叶片型面相同；在所述吸力面上排布有波纹凹槽，该波纹凹槽的前端位于该叶片前缘38％弦长处，尾端距该叶片前缘46％弦长处；所述波纹凹槽的展长贯通该叶片的展长，使该波纹凹槽的内端位于该叶片0％处，外端位于该叶片100％处；所述波纹凹槽的波纹曲线形式为多段圆弧曲线或正弦曲线；在所述波纹凹槽的波谷均有抽吸孔，沿该吸附式压气机叶片展向形成多排抽吸孔。

2.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，该抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该叶片内部；抽吸腔前缘点距吸附式压气机叶片前缘22.4％弦长，抽吸腔后缘点距叶片前缘73.9％弦长；该抽吸腔的中弧线与所述多孔吸附式压气机叶片的中弧线重合；该抽吸腔的前缘端与后缘端均为圆弧状，该圆弧的半径为0.4mm；所述抽吸腔壁厚为0.5mm。

3.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，当所述波纹凹槽采用多段圆弧曲线时，该波纹由多段凹圆弧与凸圆弧依次首尾相连组成，凹圆弧与凸圆弧半径均为0.5mm，该波纹凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片表面相切。

4.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，当所述波纹凹槽采用正弦曲线时，该波纹的正弦函数表达式为：y＝0.15*sin((12*x+1)*PI*1rad)+0.15，PI为圆周率；该正弦函数型凹槽在起始位置与结尾位置均与叶片吸力面相切。

5.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，所述各抽吸孔中，第一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向3.1125％处，最后一排抽吸孔的中心位于该吸附式压气机叶片展向96.8875％处。

6.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，所述各抽吸孔的开孔方向均垂直于叶片弦长。

7.如权利要求1所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，所述抽吸孔分为圆形孔或矩形孔；各展向相邻抽吸孔的中心距或几何中心距之间的距离为3.025％的展长。

8.如权利要求7所述吸力面有波纹凹槽的超声速多孔吸附式压气机叶片，其特征在于，当所述抽吸孔为圆形孔时，孔径为0.6mm；当所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔长边沿叶片展向分布，矩形孔长边b＝2mm，短边a＝0.7mm；圆形抽吸孔的横截面积与矩形抽吸孔的横截面积相同。

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