CN114109895B - 抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，包括轮毂，轮毂的壁面固接有叶片组，叶片组的前端设置有凹槽结构，叶片组的末端设置有锯齿尾缘；叶片组的进口靠近叶轮入口设置，叶片组上设置有叶片流道，叶片流道设置在轮毂的壁面上；叶片组的进口位置设置有导流帽罩；轮毂面设置有用于抑制低能气流在吸力面堆积的稳流平面。本发明能够使高速离心叶轮在运行时，增大叶片表面对气流的附着能力，减弱翼型叶片壁面的湍流耗散强度，并提高叶轮对气体的做功能力；加工难度不大，结构较为精细，特别适用于民用中小型航空发动机/燃气轮机压气机，以及微特电机的负载端用于做功压缩工质。

Description

抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮
技术领域
本发明涉及内燃机及燃气轮机技术领域，特别是涉及抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮。
背景技术
离心叶轮作为一种高速流体机械，是中小型航空发动机/燃气轮机压气机的核心动力部件，它能将流体的动能转化为叶轮做的功，并对气体工质进行压缩实现降速及增压。但现如今高速离心叶轮的气动效率不高，叶轮间的内流流动并不稳定，存在附面层分离、动态失速等现象，并因流量的变化而引发喘振，所以离心叶轮的叶片气动外形的设计和流道的构造，对气体的流动效率和平稳程度至关重要，且高速运行下的叶轮结构强度及安全性有待检验。
高速离心叶轮正朝着小微型方向发展，如何在提保证叶轮做功效率的前提下，抑制附面层分离并提高流动效率，减少气动故障的发生，提高压比和稳定的工作范围，是本领域技术人员需要解决的一项技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，括轮毂，所述轮毂的壁面固接有叶片组，所述叶片组的前端设置有凹槽结构，所述叶片组的末端设置有锯齿尾缘；
所述叶片组的进口靠近叶轮入口设置，所述叶片组上设置有叶片流道，所述叶片流道设置在所述轮毂的壁面上；
所述叶片组的进口位置设置有导流帽罩；所述轮毂面设置有用于抑制低能气流在吸力面堆积的稳流平面。
优选的，所述叶片组包括分别于所述轮毂壁面固接的主叶片和分流叶片；所述分流叶片设置在两个所述主叶片之间；所述叶片流道分别设置在所述主叶片的吸力面与分流叶片之间。
优选的，所述凹槽结构设置在所述主叶片上靠近主叶片前缘的位置，所述凹槽结构设置在所述主叶片的吸力面；所述锯齿尾缘设置在所述主叶片的主叶尾缘。
优选的，所述凹槽结构设置在所述分流叶片靠近分流叶片前缘的位置，所述凹槽结构设置在所述分流叶片的吸力面，所述锯齿尾缘设置在所述分流叶片的分叶尾缘。
优选的，所述导流帽罩内包覆有转轴，所述导流帽罩用于对从叶轮入口进入的气流进行分流；所述导流帽罩分别设置在所述主叶片前缘位置和所述分流叶片前缘位置。
优选的，所述主叶片的吸力面靠近所述分流叶片，所述主叶片和分流叶片均采用“前倾+后弯”造型方式，且从入口至出口方向，所述主叶片和所述分流叶片均采用了周向偏置并呈现S型形态。
优选的，所述主叶片上设置有有叶扩压器，所述有叶扩压器的出口处固接有叶轮出口。
优选的，所述叶片流道内的所述轮毂壁面上固定设置有若干粗糙元结构，所述粗糙元结构为半球形凹坑。
优选的，所述主叶片包括第一叶片和第二叶片，所述第一叶片和所述第二叶片分别与所述轮毂固接；所述分流叶片设置在所述第一叶片与所述第二叶片之间，所述分流叶片靠近所述第一叶片的吸力面。
优选的，所述锯齿尾缘为仿生柔性正弦型锯齿，所述锯齿尾缘的三角形尖端沿着气流的流动方向。
本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，当离心叶轮处于高速旋转工况时，叶轮对气体做功，并不断地压缩空气，当气流流过叶片进口时，导流帽罩结构对气流进行分流，减少冲击损失，气流沿着导流帽罩分为上下两股气流继续前移；流经叶片组的吸力面的气流，通过凹槽结构，实现增大气流的附着，使吸力面的流动更加平稳；气流流至尾缘附近，同时压力面的气流顺着压力面，流至尾缘附近，当两股气流共同流经锯齿尾缘时，锯齿尾缘实现对附面层分离流动的抑制，还可有效地抑制齿根涡脱落噪声；叶片组之间的叶片流道，能够减小叶根至叶尖的压力梯度，降低叶片流道中压力面至吸力面的横压梯度，同时能够抑制低能气流在叶尖和吸力面附近的堆积，有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，提高流动稳定性。本发明其能够减弱叶片壁面的湍流耗散强度，并提高叶轮对气体的做功能力，叶片流道的设置，增大了叶片壁面的粗糙度，减小了叶根至叶尖的压力梯度，降低叶片流道中压力面至吸力面的横压梯度，抑制了低能气流在叶尖和吸力面附近的堆积，有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，提高流动稳定性；同时有效抑制了齿根涡脱落噪声。本发明加工难度不大，结构较为精细，特别适用于民用中小型航空发动机/燃气轮机压气机，以及微特电机的负载端用于做功压缩工质。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明离心叶轮结构示意图；
图2为本发明的稳流平面结构示意图；
图3为本发明离心叶轮子午面示意图；
图4为本发明离心叶片凹槽结构弦向示意图；
图5为本发明叶轮入口和引流帽罩结构示意图；
图6为本发明锯齿尾缘涡结构示意图；
图7为本发明锯齿尾缘示意图；
其中，1、主叶尾缘；2、轮毂；3、第一叶片；4、第二叶片；5、主叶片前缘；6、导流帽罩；7、叶轮入口；8、分流叶片前缘；9、分流叶片；10、粗糙元结构；11、叶片流道；12、锯齿尾缘；13、凹槽结构；14、转轴；15、有叶扩压器；16、扩压器叶片；17、叶轮出口；18、波长L；19、波高H；20、邻波间距；21、涡结构；22、分叶尾缘。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-7，本发明提供抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，包括轮毂2，轮毂2的壁面固接有叶片组，叶片组的前端设置有凹槽结构13，叶片组的末端设置有锯齿尾缘12；
叶片组的进口靠近叶轮入口7设置，叶片组上设置有叶片流道11，叶片流道11设置在轮毂2的壁面上；
叶片组的进口位置设置有导流帽罩6；轮毂2面设置有用于抑制低能气流在吸力面堆积的稳流平面。
当本发明的离心叶轮处于高速旋转工况时，叶轮对气体做功，并不断地压缩空气，当气流流过叶片进口时，导流帽罩6结构对气流进行分流，减少冲击损失，气流沿着导流帽罩6分为上下两股气流继续前移；流经叶片组的吸力面的气流，通过凹槽结构13，增大了气流的附着力，使吸力面的流动更加平稳；气流沿叶片组吸力面流至叶片组尾缘附近，同时压力面的气流顺着压力面，流至尾缘附近，当两股气流共同流经锯齿尾缘12时，锯齿尾缘12实现对附面层分离流动的抑制，还可以有效地抑制齿根涡脱落噪声的产生；叶片组之间的叶片流道11，能够减小叶根至叶尖的压力梯度，降低叶片流道11中压力面至吸力面的横压梯度，同时能够抑制低能气流在叶尖和吸力面附近的堆积，有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，提高气流流动稳定性。
进一步优化方案，叶片组包括分别于轮毂2壁面固接的主叶片和分流叶片9；分流叶片9设置在两个主叶片之间；叶片流道11分别设置在主叶片的吸附面与分流叶片9之间。
进一步优化方案，凹槽结构13设置在主叶片上靠近主叶片前缘5的位置，凹槽结构13设置在主叶片的吸力面；锯齿尾缘12设置在主叶片的主叶尾缘1；凹槽结构13设置在分流叶片9靠近分流叶片前缘8的位置，凹槽结构13设置在分流叶片9的吸力面，锯齿尾缘12设置在分流叶片9的是分叶尾缘22。凹槽结构13用于增加主叶片和分流叶片9吸力面的粗糙度，抑制或削弱附面层的分离，设置在主叶尾缘1附近的锯齿尾缘12厚度要尽可能薄，锯齿尾缘12的翼型有沿弦长方向延展出来的两个三角形锯齿，锯齿尾缘12的三角形尖端沿着气流的流动方向，其中锯齿尾缘12的锯齿安装在翼型的主叶尾缘1和分叶尾缘22的末端，以尽量减小由于涡脱落而引起离散噪声；锯齿尾缘12为仿生柔性正弦型曲线，正弦型尾缘锯齿的型线使得齿间气流运动变得更为和缓。
进一步的，锯齿尾缘12的三角形尖端沿着气流的流动方向布置，锯齿尾缘12的翼型有沿弦长方向延展出来的两个三角形周期性锯齿，其能够在齿间产生了一对旋向相反的涡结构21，从而改变了主叶尾缘1和分叶尾缘22附近的流场；这对旋向相反的涡结构21，致使锯齿尾缘12的锯齿上方的气流被吸入到压力面一侧，在锯齿间形成一个向下的射流。由于锯齿尾缘12上下壁面的压差，导致锯齿下方的气流沿着锯齿边缘向上翻卷从而形成了涡结构21。涡结构21在齿根附近开始产生，沿着流向逐渐加强，到齿尖附近达到最大值。之后便脱离锯齿，沿着流向逐渐耗散衰减直至消失。这对涡结构21增强了尾缘速度的扰动，使得原有流场结构较大的改变，从而进一步抑制了尾缘处产生的噪声。
进一步的，流经锯齿尾缘12的锯齿的实际速度约为来流流速的0.7倍，这样能将更多的来流动能Ek转化为压力势能Ep，实现减速增压效果。
进一步的，附图7为锯齿尾缘12的示意图，其中h表示锯齿尾缘12的齿高，a表示锯齿尾缘12的齿距。
进一步的，凹槽结构13包括若干阵列设置的波形结构；波形结构的尺寸定位包括波长L18，波高H19，邻波间距D20；经过导流帽罩6分流后的气流一部分沿叶片的吸力面流过波形结构，减缓前缘的分流分层；该结构为鲨鱼皮肤的仿生结构，其原理为现有技术，此处不进行赘述。
进一步优化方案，导流帽罩6内包覆有转轴14，导流帽罩6用于对从叶轮入口7进入的气流进行分流；顶端导流帽罩分别设置在主叶片前缘5位置和分流叶片前缘8位置。导流帽罩6为C型结构，气流从叶轮入口7进入时，先撞击在导流帽罩6的弧形面上，进行分流；弧形的结构降低了气流在叶轮入口7的损耗。
进一步优化方案，主叶片的吸附面靠近分流叶片9，主叶片和分流叶片9均采用“前倾+后弯”造型方式，且从入口至出口方向，主叶片和分流叶片9均采用了周向偏置并呈现S型形态。主叶片和分流叶片9的造型均与气流的运动有关，能有效降低对气流的阻力，改善叶轮内部流动及出口流场均匀性。
进一步优化方案，主叶片上设置有有叶扩压器15，有叶扩压器15的出口处固接有叶轮出口17。气流在导流帽罩6处分流后，沿主叶片的吸力面运行，经过有叶扩压器15的增压和扩压后，从叶轮出口17流出。
进一步的，有叶扩压器15又叫做叶片扩压器，是在无叶扩压器平行光滑的壁面内，沿圆周均布一定数量的扩压器叶片16而组成。气体介质在叶片扩压器内，气体必须按照扩压器叶片16方向流动，所以流动状况较好，流动损失小，效率高。在设计工况运行时，较无叶扩压器效率高3％-5％。因此，叶片扩压器在工程上获得广泛应用。有叶扩压器15的安装和选用为现有技术，此处不进行赘述。
进一步优化方案，叶片流道11内的轮毂2壁面上固定设置有若干粗糙元结构10，粗糙元结构10半球形凹坑。叶片流道11内的粗糙元结构10，能够增大轮毂2壁面对来流的粘性附着力，抑制、削弱或减缓了气体流动分离现象的产生，使通道内气流的流动更加平稳，同时提升了叶轮的工作范围。
进一步的，在轮毂2的壁面上，从主叶片前缘5进口处延伸至叶轮出口17的45％位置，直到主叶尾缘1位置，均阵列布置有粗糙元结构10；粗糙元结构10布满整个叶片流道11，能够实现减弱叶片壁面的湍流耗散强度的目的，并且提高气流流动的均匀性，削弱附面层分离的程度。
进一步优化方案，主叶片包括第一叶片3和第二叶片4，第一叶片3和第二叶片4分别与轮毂2固接；分流叶片9设置在第一叶片3与第二叶片4之间，分流叶片9靠近第一叶片3的吸附面。
工作原理
外界气流从叶轮入口7进入离心叶轮，首先撞击到主叶片前缘5和分流叶片前缘8的导流帽罩6，导流帽罩6使气流发生分流，一部分沿叶片的压力面流过直到主叶尾缘1和分叶尾缘22位置，另一部分沿叶片的吸力面流过，先流过凹槽结构13，直到主叶尾缘1和分叶尾缘22的锯齿尾缘12处。
气流在凹槽结构13内减缓前缘的分流分层，同时凹槽结构13为参照鲨鱼皮肤的仿生结构，或降低了气流的运行阻力。
锯齿尾缘12的锯齿齿间产生了一对旋向相反的涡结构21，从而改变了主叶尾缘1和分叶尾缘22附近的流场。这对旋向相反的涡结构21，致使锯齿上方的气流被吸入到压力面一侧，在锯齿间形成一个向下的射流。由于锯齿尾缘12上下壁面的压差，导致锯齿下方的气流沿着锯齿边缘向上翻卷从而形成了涡结构21。涡结构21在齿根附近开始产生，沿着流向逐渐加强，到齿尖附近达到最大值。之后便脱离锯齿，沿着流向逐渐耗散衰减直至消失。
同时沿叶片压力面流过的气流进入叶片流道11，叶片流道11的粗糙元结构10增大轮毂2壁面对来流的粘性附着力，抑制、削弱或减缓了气体流动分离现象的产生，使通道内气流的流动更加平稳，同时提升了叶轮的工作范围。
本发明其能够减弱叶片壁面的湍流耗散强度，并提高叶轮对气体的做功能力，叶片流道11的设置，增大了叶片壁面的粗糙度，减小了叶根至叶尖的压力梯度，降低叶片流道11中压力面至吸力面的横压梯度，抑制了低能气流在叶尖和吸力面附近的堆积，有效改善叶轮内部流动及出口流场均匀性，提高流动稳定性；同时有效抑制了齿根涡脱落噪声。本发明加工难度不大，结构较为精细，特别适用于民用中小型航空发动机/燃气轮机压气机，以及微特电机的负载端用于做功压缩工质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，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的限制。
以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，其特征在于：包括轮毂（2），所述轮毂（2）的壁面固接有叶片组，所述叶片组的前端设置有凹槽结构（13），所述叶片组的末端设置有锯齿尾缘（12）；
所述叶片组的进口靠近叶轮入口（7）设置，所述叶片组上设置有叶片流道（11），所述叶片流道（11）设置在所述轮毂（2）的壁面上；
所述叶片组的进口位置设置有导流帽罩（6）；所述轮毂（2）面设置有用于抑制低能气流在吸力面堆积的稳流平面；
所述叶片组包括分别与所述轮毂（2）壁面固接的主叶片和分流叶片（9）；所述分流叶片（9）设置在两个所述主叶片之间；所述叶片流道（11）分别设置在所述主叶片的吸力面与分流叶片（9）之间；
所述分流叶片（9）两侧分别为一所述主叶片吸力面和另一主叶片压力面，所述分流叶片（9）距离所述主叶片吸力面更近，所述主叶片和分流叶片（9）均采用“前倾+后弯”造型方式，且从入口至出口方向，所述主叶片和所述分流叶片（9）均采用了周向偏置并呈现S型形态；
所述锯齿尾缘（12）为仿生柔性正弦型锯齿，所述锯齿尾缘（12）的三角形尖端沿着气流的流动方向；
所述凹槽结构（13）设置在所述主叶片上靠近主叶片前缘（5）的位置，所述凹槽结构（13）设置在所述主叶片的吸力面；所述锯齿尾缘（12）设置在所述主叶片的主叶尾缘（1）；
所述凹槽结构（13）设置在所述分流叶片（9）靠近分流叶片前缘（8）的位置，所述凹槽结构（13）设置在所述分流叶片（9）的吸力面，所述锯齿尾缘（12）设置在所述分流叶片（9）的分叶尾缘（22）；
所述导流帽罩（6）内包覆有转轴（14），所述导流帽罩（6）用于对从叶轮入口（7）进入的气流进行分流；所述导流帽罩（6）分别设置在所述主叶片前缘（5）位置和所述分流叶片前缘（8）位置；
所述叶片流道（11）内的所述轮毂（2）壁面上固定设置有若干粗糙元结构（10），所述粗糙元结构（10）为半球形凹坑。
2.根据权利要求1所述的抑制附面层分离的周向偏置高速离心叶轮，其特征在于：所述主叶片上设置有有叶扩压器（15），所述有叶扩压器（15）的出口处固接有叶轮出口（17）。
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