CN114001052B - 一种自适应控制的压气机叶片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种自适应控制的压气机叶片，包括叶片本体，在叶片本体靠近叶片前缘位置布置有吹气槽，在叶片本体上流动分离起始位置布置有吸气槽，并在叶片本体内部沿叶片弦长方向开设有用于连通吸气槽和吹气槽的槽道；所述吹气槽以及吸气槽均布置在叶片本体的吸力面，且吸气槽的宽度大于吹气槽宽度。本发明创造制作成本低，易于改进实现，使得轴流压气机叶片具备自适应性，达到完成自主适应性控制目的，并且能更好的适应流场环境，从而达到更为有效控制压气机性能。

Description

一种自适应控制的压气机叶片及其制作方法

技术领域

本发明创造属于航空压气机技术领域，尤其是涉及一种自适应控制的压气机叶片及其制作方法。

背景技术

作为现代航空发动机的核心部件之一，轴流式压气机有着极其重要的地位，现代民航客机追求更加安全、高效、经济等高要求目标，那么提高航空发动机压气机的各项性能是非常重要的。在航空发动机工作时，核心机所工作的环境是时刻变化的，其中压气机的主要作用是借助高速旋转的动叶对流入的气体作功，通过压缩来提高气体压力，从而改善发动机性能，然而压气机在强逆压梯度下工作，会受到各方因素带来的气动损失，这也是限制轴流压气机压比改善的一项重要因素。针对轴流式压气机内部气体的流动分离及各项损失，国内外学者和研究人员均从该机理入手，提出了许多改善压气机性能的流动控制方法，即主、被动控制。其中，虽然主动控制方法的适应性较好，在各种工况下可针对的使用，但依靠外界能量的输入和控制，所带来的是经济成本过高的缺陷，而被动控制仅在特定工况下才会有较好的改善效果，其适应性远不如主动控制。因此，如何在工况适应性、降低成本、降低控制复杂程度等多种因素下找到较佳的平衡点，是需要着重研究和解决的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种自适应控制的压气机叶片及其制作方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种自适应控制的压气机叶片，包括叶片本体以及叶片本体上的开槽，在叶片本体靠近叶片前缘位置布置有吹气槽，在叶片本体上端区流动分离起始位置布置有吸气槽，并在叶片本体内部沿叶片弦长方向开设有用于连通吸气槽和吹气槽的槽道；所述吹气槽以及吸气槽均布置在叶片本体的吸力面，且吸气槽的宽度大于吹气槽宽度。

进一步，所述吹气槽布置在叶片本体前缘10％-30％弦长处。

进一步，所述流动分离起始位置处于叶片尾缘50％-90％弦长处，即，从叶片本体前缘向尾缘方向计算的50％-90％弦长。

进一步，所述吸气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为1-2mm。

进一步，所述吹气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为0.5-1.5mm。

进一步，所述吸气槽与槽道衔接处、以及吹气槽与槽道衔接处均采用圆角过渡。

进一步，所述吸气槽、吹气槽均采用矩形槽。

进一步，所述槽道距叶片本体的吸力面距离、以及槽道距叶片本体压力面的距离，均为0.5mm-2mm。

一种自适应控制的压气机叶片的制作方法，包括如下步骤；

S1、先确定压气机端区分离起始点位置；

S2、确定吸气槽、吹气槽位置；

确定吸气槽位置时，先计算出流动分离所在区域，在50％-90％叶片弦长处选取吸气槽位置；

确定吹气槽位置时，根据叶片前缘附面层附着的位置，在靠近叶片前缘10％-30％叶片弦长处选取吹气槽位置；

S3、确定吸气槽、吹气槽宽度，并在叶片本体厚度方向上，保证吸气槽的宽度大于吹气槽的宽度；

S4、确定吸气槽、吹气槽、槽道在叶高方向上的高度；

S5、设计槽道，将吸气槽与吹气槽连通。

进一步，所述槽道呈弧状结构。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明创造制作成本低，易于改进实现，通过在叶片吸力面开设吸气槽、吹气槽，并由槽道连通，作为轴流式压气机的流动分离控制手段，使轴流压气机叶片具备自适应性，达到完成自主适应性控制目的，通过开槽实现吸气-吹气作用，便于更好的适应流场环境，从而达到更为有效控制压气机性能，保障压气机工作稳定性和可靠性。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造的结构示意图；

图2为端分离区域示意图；

图3为端分离区域的静压云图；

图4为本发明创造吹气槽所在位置示意图；

图5为本发明创造吹气槽所在区域的静压云图；

图6为本发明创造实施例中吹气槽与吸力面夹角的示意图；

图7为本发明创造实施例中吸气槽与吸力面夹角的示意图；

图8为吹气槽与吸力面夹角的变化规律示意图；

图9为本发明创造中槽道高度与叶片高度对比示意图；

图10为槽道高度与总压损失关系示意图；

图11为NACA65-K48原型叶片流线图；

图12为图11中叶片设有吸-吹气结构时的流线图；

图13为原型叶片与设有吸-吹气结构叶片总压损失对比示意图；

图14为本发明创造应用状态下的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种自适应控制的压气机叶片，如图1至14所示，包括叶片本体及叶片本体吸力面上设置的吸-吹气结构，吸-吹气结构包括在叶片本体靠近叶片前缘1位置布置的吹气槽2，以及在叶片本体上流动分离起始位置布置的吸气槽4，在叶片本体内部沿叶片弦长方向开设有用于连通吸气槽和吹气槽的槽道3。叶片本体布置在压气机端壁6上。本发明创造是利用吸-吹气结构抑制流动分离，并无附加装置加入，无额外功耗消耗，控制简单，保养维护成本也更低。

吸-吹气结构靠近叶根处布置，以保证叶片整体结构的稳定，也可提高吸-吹作用效果。本发明创造改进，主要针对压气机的端部损失，且适用于轴流压气机动叶根部和静叶端部，不需要额外的附加装置，结构简单，不会附加叶片的重量。

吹气槽以及吸气槽均布置在叶片本体的吸力面8，且吸气槽的宽度大于吹气槽宽度。需要说明的是，吸气槽处压力高，吹气槽处压力低，槽道两端形成压差。吸气槽与吹气槽通过槽道来通，凭借槽道两端压差，可顺利自主完成吸气-吹气，改善叶片通道内的流动能力，降低总体损失。作为举例，吸气槽、吹气槽均采用矩形槽。

上述吹气槽布置在叶片本体前缘10％-30％弦长处。如图2、图4所示，弦长L为处于叶片前缘与叶片尾缘之间的长度。上述流动分离起始位置处于50％-90％弦长处，即，吸气槽靠近叶片尾缘5，是从叶片本体前缘向叶片尾缘方向计算的50％-90％弦长。

吸气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为1-2mm；吹气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为0.5-1.5mm。需要指出的是，为保证气流经过时通畅稳定，上述吸气槽与槽道衔接处、以及吹气槽与槽道衔接处均采用圆角过渡，能更好的适应流场环境，实现叶片的自适应性抽吸射流作用，使其自主抽吸-射流过程能更顺畅进行。

为了保证叶片本体在设有槽道部分的结构强度，同时保障气流顺利经过。可将上述槽道距叶片本体的吸力面距离、以及槽道距叶片本体压力面7的距离，均为0.5mm-2mm。即，叶片本体在槽道单侧的壁厚最小值为0.5mm、最大值不超过2mm，可达到结构强度的要求，并保障叶片具有较佳的吸吹气性能。

本项发明是针对压气机叶片在端区二次流影响较大的情况下，其端部具有较大的流动损失，提出的一种自适应被动控制理论，借助与吸力面上静压分布的大小，利用其较大的压力差，设计一种在叶片吸力面部分开设吸气-吹气的结构，让高能流体吹走低能流体以实现改善叶片通道内的流动能力，降低总体损失。

下面再提供一种自适应控制的压气机叶片的制作方法，

包括如下步骤；

S1、先确定压气机端区分离起始点位置。轴流式压气机是在强逆压梯度下工作并实现压气机增压功能，特别是在高压级压气机叶片通道内，这种端壁区容易产生较大的流动分离，可能会占据整个流道，在动叶的根部和静叶端部都是比较容易出现这种低能流体的堆积，通常发生在50％-90％叶片弦长处，如图2和3所示，虚线框所处位置所标记区域的位置即为分离起始位置。

S2、确定吸气槽、吹气槽位置。

确定吸气槽位置时，先计算出流动分离所在区域，在50％-90％叶片弦长处选取吸气槽位置；确定吹气槽位置时，根据叶片前缘附面层附着的位置，在靠近叶片前缘10％-30％叶片弦长处选取吹气槽位置。

本发明创造中，在分离起始位置设置吸气槽，此位置开始吸气能得到最好效果，在叶片槽道内，叶片前缘与叶片尾缘处的载荷分布也有较大差别，会存在较大的压力差，所以，根据分离位置起始点(如图2、图3所示区域)，在叶片吸力面相应位置开设矩形槽，作为气流进口，即吸气槽。

而出口吹气部分可根据叶片前缘附面层附着的位置，布置在靠近叶片前缘，位置在10％-30％叶片弦长处，如图4所示框选位置、以及图5所示静压云图也可看出该位置的静压与吸气槽位置的静压相比存在比较大的静压差，在这样的条件下，通过槽道，就能够形成自主吸气-吹气的功能，自适应性好，该位置处开设矩形槽，作为吹气槽。

S3、确定吸气槽、吹气槽宽度，并在叶片本体厚度方向上，保证吸气槽的宽度大于吹气槽的宽度；

S4、确定吸气槽、吹气槽、槽道在叶高方向上的高度。

如图9所示，槽道的高度h沿叶高H方向进行布置，吸气槽的高度比吹气槽高度大0.1％-5％H。由于开槽的主要目的是针对端区分离，所以h的高度值在有效范围内可更为有效抑制角区的大范围分离，改善叶片通道的流通能力。通过研究发现，h与H有明确的关系，当h＝0.4H时，对叶片的改善效果最为明显，如图10所示，对某叶片进行数值模拟，分别进行了端区布置h＝0.1H—1H的验证研究，与原型叶片相比，h＝0.4H时，总体总压损失降低最为明显。

为验证上述数据有效性，研究过程中特别选取了一款NACA65-K48叶型进行了数值模拟验证，NACA65-K48叶型基本参数如下表：

弦长(mm)	叶片长度(mm)
		C＝40	H＝40

主要对不增加吸-吹结构的原型叶片和增设吸吹结构后的叶片进行数值模拟，具体模拟结果对比如图11、图12所示：

图11、图12显示的是半叶高(H＝20mm)的NACA65-K48叶片，其中h＝16mm,对比流线可以看出，带有吸-吹气结构的叶片，其吸力面和端部区域分离明显下降，故说明在吸力面开设吸气-吹气结构，能够有效减小角区分离。经多次试验，槽道在0.4倍叶高时，减小角区分离作用最为明显。

如图13所示，为两种数值模拟的结果分析，横坐标代表沿叶高H方向上的截距平均值，纵坐标代表总压损失系数。可以明显看出在0.5％-3％H范围内，带有吸-吹气结构的NACA65-K48叶片的总压损失要明显低于原型叶片，故再次说明本发明中吸-吹气结构对改善端区损失有较好的效果，且槽道在0.4倍叶高时，改善最为明显。

S5、设计槽道，将吸气槽与吹气槽连通。叶片呈弧状，为提高适应性，槽道通常也呈弧状结构设计。作为举例，本发明创造在具体生产时，可以采用一体化结构设计，比如，可通过3D打印技术成型。

本发明创造提供一种改善轴流压气机流动分离的被动控制方法，仅在在叶片自身压力面开设一定高度和宽度的吸气槽、吹气槽，并利用槽道将二者连通，从而达到更为有效的、自主性的控制叶片端部的角区分离，提高压气机气动性能和稳定裕度。

根据叶片自身结构，本发明创造中的吸-吹气结构可应用位置在较厚端部的动叶和静叶端部区域，是一种适应性较强的新型设计。通过在叶根处开设槽道的方法，不增加额外驱动控制装置，可以降低部分叶片自身重量，在一定程度上改善发动机重量问题，为后续研发高负荷、高稳定裕度压气机奠定基础。

如图6和图7所示，吹气槽两侧壁与吸力面夹角a、b，以及吸气槽两侧壁与吸力面夹角c、d，a处夹角通常为30-60°，b处与a相比，位置靠后，其角度范围优选10°-25°，让吹气槽口更好的贴近吸力面，让该装置更好的发挥吹气作用。c处与d处角度标记表示吸气槽与吸力面夹角，c处角度范围优选20-30°，d处角度范围优选30-45°，吸气槽侧壁位置的角度尽量大于等于吹气槽侧壁位置的角度。a处夹角优选45°，如图8所示，当夹角为45°时，总压损失系数值最小，该角度的设置使得开槽整体的吹气效果达到最优，使叶片上的开槽更好的发挥吹气作用。

由于吸气槽、吹气槽的侧壁均与吸力面连接处会有一定的角度存在，且a处位置最靠近叶片前缘，其角度尺寸对整体吹气效果有较大影响，为了有效说明该角度的影响，对a处夹角角度进行了0°—90°范围的验证研究。如图8曲线所示，在该范围内当a处夹角为45°时，总压损失系数值最小，该角度的设置使得整体的吹气效果达到最优，使该吸-吹气结构更好的发挥吹气作用。

需指出的是，按常规思维，在叶片表面开设通道会破坏叶片整体承载能力，降低叶片的使用性能，因此本领域技术人员在未进行突破性创新的情况下，会按着常规设计思维，为了尽可能降低对叶片“破坏”的程度，只能是开设更窄的吹气槽以及吸气槽，以及内腔尺寸更小的槽道，或者是开设若干较小的通道，以期望抑制流动分离。

而本发明创造突破了惯用思维，克服了现有技术偏见，利用更大尺寸的吸气槽、吹气槽，并用一条槽道将二者贯通，在试验中，只要吸气槽、吹气槽以及槽道尺寸设计、角度选取在本发明创造优选的范围内，不仅不会影响叶片的强度，从静压云图(如图3和图5)以及流线图(如图11和图12)可直观证明该结论，同时，开设大内腔尺寸的槽道，能达到更佳的抑制流动分离的性能。

本发明创造制作成本低，易于改进实现，通过在叶片吸力面开设吸气槽、吹气槽，并由槽道连通，作为轴流式压气机的流动分离的控制手段，使得轴流压气机叶片具备自适应性，达到完成自主适应性控制目的，通过开槽实现吸气-吹气作用，便于更好的适应流场环境，从而达到更为有效控制压气机性能，保障压气机工作稳定性和可靠性。无附加装置加入，无额外功耗消耗，在控制复杂度、使用可靠性、工况适应性以及成本等多重因素下，找到了很好的平衡点。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应控制的压气机叶片，其特征在于：包括叶片本体，在叶片本体靠近叶片前缘位置布置有吹气槽，在叶片本体上流动分离起始位置布置有吸气槽，并在叶片本体内部沿叶片弦长方向开设有用于连通吸气槽和吹气槽的槽道；所述吹气槽以及吸气槽均布置在叶片本体的吸力面，且吸气槽在叶片本体厚度方向上的宽度，大于吹气槽在叶片本体厚度方向上的宽度；所述吹气槽布置在叶片本体前缘10％-30％弦长处；所述流动分离起始位置处于叶片尾缘50％-90％弦长处；所述吸气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为1-2mm。

2.根据权利要求1任一项所述的一种自适应控制的压气机叶片，其特征在于：所述吹气槽在叶片本体厚度方向上的槽宽度为0.5-1.5mm。

3.根据权利要求1任一项所述的一种自适应控制的压气机叶片，其特征在于：所述吸气槽与槽道衔接处、以及吹气槽与槽道衔接处均采用圆角过渡。

4.根据权利要求1所述的一种自适应控制的压气机叶片，其特征在于：所述吸气槽、吹气槽均采用矩形槽。

5.根据权利要求1所述的一种自适应控制的压气机叶片，其特征在于：所述槽道距叶片本体的吸力面距离、以及槽道距叶片本体压力面的距离，均为0.5mm-2mm。

6.一种自适应控制的压气机叶片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1、确定压气机端区分离起始点位置；

S2、确定吸气槽、吹气槽位置；

确定吸气槽位置时，先计算出端区流动分离所在区域，在50％-90％叶片弦长处选取吸气槽位置；

确定吹气槽位置时，根据叶片前缘附面层附着的位置，在靠近叶片前缘10％-30％叶片弦长处选取吹气槽位置；

S3、确定吸气槽、吹气槽宽度，并在叶片本体厚度方向上，保证吸气槽的宽度大于吹气槽的宽度；

S4、确定吸气槽、吹气槽、槽道的高度；

S5、设计槽道，将吸气槽与吹气槽连通。

7.根据权利要求6所述的一种自适应控制的压气机叶片的制作方法，其特征在于：所述槽道呈弧状结构。