CN113217462A - 亚声速旋涡吹气式压气机叶片 - Google Patents

Abstract

一种亚声速旋涡吹气式压气机叶片，在吹气式压气机叶片的吸力面上沿展向排布有一列吹气孔，并使各吹气孔与该吹气腔贯通。在该叶片吸力面后缘上沿展向排布有一列旋涡发生器，并使各旋涡发生器与各吹气孔一一对应。各旋涡发生器外形呈三棱锥形，前缘与所述叶片的前缘方向一致。本发明在流动控制结构上进行了创新，通过在叶展方向贯通叶片的吹气腔、在叶片吸力面开孔的吹气孔以及在叶片吸力面后缘安装旋涡发生器，使该亚声速旋涡吹气式叶片在增大负荷的同时有效控制了叶片吸力面流动分离，使得在对吹气腔注入高能流体后，有效抑制附面层分离，在一定程度上适应压气机内复杂的工况，进一步提高压气机压比和负荷。

Description

亚声速旋涡吹气式压气机叶片

技术领域

本发明涉及压气机领域，具体是一种旋涡吹气式压气机叶片。

背景技术

现代航空技术的发展要求航空发动机具有更高的推重比。因此，需要进一步提高压气机级负荷、级压比以满足更高推重比的要求。然而，高负荷压气机内部的工作环境十分严苛，强逆压梯度下压气机内部不可避免地会发生流动分离现象，造成压气机内部的流动损失及气动性能下降。为满足压气机高气动负荷的要求，研究人员已在压气机流动控制方面开展了大量研究。目前流动控制方法主要分为两种：被动流动控制技术和主动流动控制技术。

被动流动控制技术通过改变压气机叶片和端壁的几何形状来控制流场，如旋涡发生器、三维叶片设计和端壁造型等方法。旋涡发生器对延缓附面层分离的发生具有一定的控制作用。刘艳明等人在《斜坡型旋涡发生器控制叶栅角区分离的数值模拟》(《空气动力学学报》2020年第38卷第06期)中研究了端壁旋涡发生器对压气机叶栅流场的影响，探究了旋涡发生器各几何参数及来流攻角的影响机理，结果表明，旋涡发生器产生的流向涡与端壁二次流动相互作用，抑制了通道涡向吸力面的发展，并将主流高能流体卷入角区，从而削弱了角区分离，最优的旋涡发生器方案降低了7.82％的总压损失。沈遐龄等人在《旋涡发生器对机翼最大升力和失速迎角的影响》(《北京航空航天大学学报》1998年第03期)中研究了旋涡发生器对机翼气动性能的影响，结果表明，旋涡发生器可以延缓机翼上附面层分离，机翼最大升力和失速迎角提高,改善飞机低速大迎角的气动特性。上述研究均通过旋涡发生器控制了叶片/机翼流动分离，提高了气动性能，然而，在非设计工况下，尤其在大攻角或高负荷工况下，旋涡发生器的控制效果明显降低，甚至对流场产生负面影响。

相比于被动流动控制技术，主动流动控制技术通过局部施加激励，即由外界注入能量来控制流动分离，能适应不同的工作状态，始终保证较好的流动控制效果。例如，在压气机内采用附面层吹气的方案可以有效控制流动分离。

Culley等人在Active Flow Separation Control of a Stator Vane UsingEmbedded Injection in a Multistage Compressor Experiment(ASME Journal ofTurbomachinery 2004年01期)中研究了吸力面多孔吹气对压气机叶栅气动性能的影响，结果表明，吸力面吹气方案能有效控制流动分离，当吹气流量为1％进口体积流量时，损失相比于未吹气叶栅降低了25％。Cao等人在Comparison of Aerodynamic CharacteristicsBetween aNovel Highly Loaded Injected Blade with Curvature Induced Pressure-Recovery Concept and one with Conventional Design(Chinese Journal ofAeronautics 2017年第03期)中设计了扩散因子为0.61的高负荷吹气叶片，相比于常规设计叶片，吹气式叶片有效控制了叶片吸力面大范围流动分离，但吹气质量流量较高，为叶栅进口质量流量的4.75％。再如McAuliffe等人发表在ASME的论文Active Flow Controlusing Steady Blowing for a Low-Pressure Turbine Cascade(文献号GT2004-53646)中研究了定常吹气控制对某低压涡轮叶栅流动的影响，研究表明控制效果受来流速度的影响很大，定常吹气只有在低马赫数条件下才能改善叶栅流动，而在来流马赫数较大、湍流度较高条件下，吹气控制反而会增大涡轮叶栅内部损失。上述研究均通过吸力面吹气控制了压气机叶片的流动分离，但仅在限定条件工况下适用，在非设计工况，吸力面吹气仍有诸多局限，甚至带来负面影响。

Zhang等人在Experimental and Numerical Study on the Flat-Plate FilmCooling Enhancement Using the Vortex Generator Downstream for the Fan-ShapedHole Configuration(ASME Journal of Turbomachinery 2020年03期)中研究了吹气式叶片和旋涡发生器的组合，用于提高涡轮的冷却效果。然而其仅出现在平板实验上，还是一个概念性的研究，并未出现在涡轮的实际应用中。

由上述的文献资料可得，附面层吹气可以有效抑制压气机内部的流动分离，能够在一定程度上提升压气机级负荷和级压比，然而其适用条件存在诸多限制，无法适应压气机在实际应用中的一系列复杂非设计工况，导致应用价值有所欠缺。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，拓宽吹气式叶片的适用条件，提高吹气式叶片的负荷，本发明提出了一种亚声速旋涡吹气式压气机叶片。

本发明提出的亚声速旋涡吹气式压气机叶片的上表面为吸力面，下表面为压力面。在该吹气式压气机叶片的吸力面与压力面之间有展向的吹气腔。

本发明包括吹气腔、吹气孔和旋涡发生器；在吹气式压气机叶片的吸力面上沿展向排布有一列吹气孔，并使各吹气孔与该吹气腔贯通。在该叶片吸力面后缘上沿展向排布有一列旋涡发生器，并使各旋涡发生器与所述各吹气孔一一对应。所述各旋涡发生器的前缘与所述叶片的前缘方向一致。

所述吹气式压气机叶片的弦长为65mm；所述各吹气孔孔口的中心位于吸力面上58.7％叶片弦长处；各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm。所述旋涡发生器前缘与吸力面的交点位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面73.2％叶片弦长处。

所述吹气式压气机叶片弦长为65mm，展长为100mm，进口几何角为25.5°，出口几何角为-20.5°。在该涡吹气式压气机叶片吸力面与所述吹气腔孔口相交处形成曲率突变点5；该曲率突变点位于吸力面上56.6％叶片弦长处。

所述吹气腔沿叶片的展向贯通该亚声速旋涡吹气式叶片，使该吹气腔的起点位于所述展向的0％，终点位于该展向的100％处；所述吹气腔内上表面的型面与叶片吸力面的型面相同，该吹气腔内下表面的型面与叶片压力面的型面相同。该吹气腔的前缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片21.5％叶片弦长处，该吹气腔的尾缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片69％叶片弦长处。

所述吹气腔前缘的圆弧半径为1mm，吹气腔尾缘的圆弧半径为0.6mm。吹气腔与叶片吸力面和压力面之间的厚度均为1mm。

所述吹气孔的孔径均为1mm，沿所述吹气式压气机叶片的展向均匀排布。该吹气孔中心线是直线，与弦长方向之间的夹角为3.8°。各所述吹气孔在吸力面上孔口的中心均位于该吸力面上58.7％叶片弦长处。各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm。

所述旋涡发生器为块状，其外形呈三棱锥形，包括底表面和三个三角形侧表面。其中所述底表面为该旋涡发生器的安装面。所述三棱锥形中的一个棱为该旋涡发生器前缘；所述旋涡发生器前缘垂直于该旋涡发生器的底表面。

所述旋涡发生器前缘与所述底表面的交点为b，该交点b位于吸力面73.2％叶片弦长处；所述旋涡发生器其余两个棱与所述底表面的交点分别为c₁和c₂；交点c₁和交点c₂均位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面表面75.9％叶片弦长处。

所述旋涡发生器的锥顶a至所述交点b之间的长度为1mm，所述交点c₁与c₂之间的长度为1.6mm，所述交点b与交点c₁之间的长度与该交点b与交点c₂之间的长度相等，均为2mm。

本发明提出的亚声速旋涡吹气式叶片在流动控制结构上进行了创新，即在叶片内部增加吹气腔、一定数量的吹气孔和旋涡发生器，使得在对吹气腔注入高能流体后，有效抑制附面层分离，在一定程度上适应压气机内复杂的工况，进一步提高压气机压比和负荷。

在所述亚声速旋涡吹气式叶片的吸力面上存在曲率突变点。在设计工况下，吸力面气流静压经过该曲率突变点后迅速升高，叶片负荷明显增大，但过高的逆压梯度导致原始叶片吸力面容易发生流动分离，因此需要对原始叶片采用流动控制。

该亚声速旋涡吹气式叶片中，通过在叶展方向贯通叶片形成吹气腔、在叶片吸力面开孔形成吹气孔以及在叶片吸力面后缘安装旋涡发生器，使该亚声速旋涡吹气式叶片在增大负荷的同时有效控制了叶片吸力面流动分离。

所述吹气腔内上表面的型面与叶片吸力面的型面相同，该吹气腔内下表面的型面与叶片压力面的型面相同，在满足足够吹气流量的前提下，同时保证了该亚声速旋涡吹气式叶片的结构强度。

通过排布在所述吹气式叶片吸力面上的多个与所述吹气腔贯通的吹气孔，使吹气腔内部的高能流体通过吹气孔吹出，为流动分离区的低能流体提供能量，在设计工况下，吹气孔所需质量流量为进口质量流量的0.58％，有效抑制了流动分离。

通过设置在所述叶片吸力面后缘的旋涡发生器，使从吹气孔吹出的高能流体经过旋涡发生器后会形成两个旋向相反的旋涡，拓展了吹气的控制范围，从而进一步抑制流动分离。

本发明在所述叶片吸力面后缘设置有旋涡发生器，通过确定最优的旋涡发生器的形状与位置，以及与该旋涡发生器相对应的高负荷吹气式叶片上的吹气孔位置和结构，得到一个最佳的组合流动控制方案，尽可能将压气机的级负荷和级压比提升至现有阶段的最高水平。

与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：

本发明基于亚声速旋涡吹气式叶片设计方法，采用全三维气动优化设计方法进行叶片设计。设计中采用吹气孔组合旋涡发生器的流动控制方法控制叶片流动分离、提高叶片负荷。该亚声速旋涡吹气式叶片初步设计完成后，将该亚声速旋涡吹气式叶片按设计工况排布在叶栅栅板上，并进行三维数值模拟。

将本发明提出的亚声速旋涡吹气式叶片安装在栅板上时，栅距为35.71mm，安装角为26.5°。在设计工况下，进口马赫数为0.6，进口气流角为52°。图9为设计工况下原始叶片50％叶展处的马赫数云图，图10为设计工况下该亚声速旋涡吹气式叶片50％叶展处的马赫数云图。由图可知，在原始叶片的叶栅通道中，气流经过吸力面曲率突变点5后发生了大面积流动分离，造成严重的叶栅损失；相比于原始叶片1，本发明中设计的亚声速旋涡吹气式叶片有效控制了吸力面流动分离，流动分离区6几乎被消除。当吹气孔3吹出的质量流量为进口流量的0.58％时，该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面的流动分离得到有效控制，叶栅的进出口的静压比为1.17，扩散因子达到0.62。

控制原理如下：

本发明中，吹气孔3的孔口中心位置位于吸力面58.7％叶片弦长处，吹气孔吹出的质量流量为进口流量的0.58％，设计原理为：气流在该亚声速旋涡吹气式叶片的吸力面前半部分持续加速，直到气流达到吸力面上56.6％叶片弦长处的曲率突变点5，该曲率突变点会使气流静压发生突升，进而提高叶片负荷和扩压能力，但是逆压梯度的增大会导致气流经过该曲率突变点后发生严重流动分离，而吹气孔正好位于曲率突变点，吹出的高能流体7能明显抑制流动分离。

本发明中，旋涡发生器的前缘与其底表面的交点为b，交点b位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面73.2％叶片弦长处，设计原理为：由于沿叶展方向每10mm仅有一个直径为1mm的吹气孔，因此从吹气孔3吹出的高能流体7的流动控制范围有限，不能覆盖整个叶展，而在每个吹气孔之后设置一个旋涡发生器4可以使吹气孔吹出的高能流体形成两个旋向相反的旋涡，生成的旋涡会分别向更高叶展和更低叶展方向发展，拓展了吹气的控制范围，从而进一步抑制流动分离。

本发明的吹气腔2的前缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片21.5％叶片弦长处，该吹气腔的尾缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片69％叶片弦长处，吹气腔与叶片吸力面和压力面之间的厚度均为1mm，不仅满足了0.58％进口流量的吹气流量，还保证了该亚声速旋涡吹气式叶片的结构强度。

附图说明

图1是原始叶片的主视图；

图2是原始叶片的俯视图；

图3是本发明叶片的主视图；

图4是本发明叶片的俯视图；

图5是本发明的三维图；

图6是旋涡发生器的等轴测三维图。

图7是旋涡发生器的正视时的三维图。

图8是旋涡发生器的左视图。

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。

图中：1.原始叶片；2.吹气腔；3.吹气孔；4.旋涡发生器；5.曲率突变点；6.流动分离区；7.高能流体。

具体实施方式

本实施例是一种亚声速旋涡吹气式压气机叶片。该吹气式压气机叶片的上表面为吸力面，下表面为压力面。在该叶片的吸力面与压力面之间有沿该叶片展向贯通的吹气腔2。在所述吸力面上沿展向排布有一列吹气孔3，并使各吹气孔与所述吹气腔贯通。在该叶片吸力面后缘上沿展向排布有一列旋涡发生器4，并使各旋涡发生器与所述各吹气孔一一对应。安装时使所述各旋涡发生器的前缘与所述叶片的前缘方向一致。

所述各吹气孔孔口的中心位于吸力面上58.7％叶片弦长处；各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm。所述旋涡发生器前缘与吸力面的交点位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面73.2％叶片弦长处。

所述亚声速旋涡吹气式叶片是在原始叶片1的基础上得到的。所述改进后得到的亚声速旋涡吹气式叶片弦长为65mm，展长为100mm，进口几何角为25.5°，出口几何角为-20.5°。在该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面上存在曲率突变点5，该曲率突变点位于吸力面上56.6％叶片弦长处。

所述亚声速旋涡吹气式叶片的吸力面和压力面之间有贯通的吹气腔2。该吹气腔沿叶片的展向贯通该亚声速旋涡吹气式叶片，使该吹气腔的起点位于所述展向的0％，终点位于该展向的100％处；所述吹气腔内上表面的型面与叶片吸力面的型面相同，该吹气腔内下表面的型面与叶片压力面的型面相同。该吹气腔的前缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片21.5％叶片弦长处，该吹气腔的尾缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片69％叶片弦长处。该吹气腔的两端均为圆弧状，吹气腔前缘的圆弧半径为1mm，吹气腔尾缘的圆弧半径为0.6mm。吹气腔与叶片吸力面和压力面之间的厚度均为1mm。

设计出的亚声速旋涡吹气式叶片吸力面上排布多个与所述吹气腔2贯通的吹气孔3。吹气孔3的孔径为1mm，为圆形孔，沿叶片展向均匀排布。该吹气孔中心线是直线，与弦长方向之间的夹角为3.8°。所述各吹气孔孔口的中心位于吸力面上58.7％叶片弦长处。各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm。

所述旋涡发生器4为块状，其外形呈三棱锥形，包括底表面和三个三角形侧表面。其中所述底表面为该旋涡发生器的安装面。所述三棱锥形中的一个棱为该旋涡发生器的前缘；所述旋涡发生器的前缘垂直于该旋涡发生器的底表面。该前缘与所述底表面的交点为b，该交点b位于叶片吸力面73.2％叶片弦长处；所述旋涡发生器其余两个棱与所述底表面的交点分别为c₁和c₂；交点c₁和交点c₂均位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面表面75.9％叶片弦长处。

所述旋涡发生器4的锥顶a至所述交点b之间的长度为1mm，所述交点c₁与c₂之间的长度为1.6mm，所述交点b与交点c₁之间的长度与该交点b与交点c₂之间的长度相等，均为2mm。

将所述亚声速旋涡吹气式叶片安装在栅板上时，栅距为35.71mm，安装角为26.5°,叶栅的设计进口马赫数为0.6。

Claims (9)

1.一种亚声速旋涡吹气式压气机叶片，该吹气式压气机叶片的上表面为吸力面，下表面为压力面；其特征在于，在该吹气式压气机叶片的吸力面与压力面之间有展向的吹气腔；包括吹气腔、吹气孔和旋涡发生器；在吹气式压气机叶片的吸力面上沿展向排布有一列吹气孔，并使各吹气孔与该吹气腔贯通；在该叶片吸力面后缘上沿展向排布有一列旋涡发生器，并使各旋涡发生器与所述各吹气孔一一对应；所述各旋涡发生器的前缘与所述叶片的前缘方向一致。

2.如权利要求1所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述吹气式压气机叶片的弦长为65mm；所述各吹气孔孔口的中心位于吸力面上58.7％叶片弦长处；各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm；所述旋涡发生器前缘与吸力面的交点位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面73.2％叶片弦长处。

3.如权利要求1所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述吹气式压气机叶片弦长为65mm，展长为100mm，进口几何角为25.5°，出口几何角为-20.5°；在该吹气式压气机叶片吸力面与所述吹气腔孔口相交处形成曲率突变点5；该曲率突变点位于吸力面上56.6％叶片弦长处。

4.如权利要求1所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述吹气腔沿叶片的展向贯通该亚声速旋涡吹气式叶片，使该吹气腔的起点位于所述展向的0％，终点位于该展向的100％处；所述吹气腔内上表面的型面与叶片吸力面的型面相同，该吹气腔内下表面的型面与叶片压力面的型面相同；该吹气腔的前缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片21.5％叶片弦长处，该吹气腔的尾缘在弦长方向位于亚声速旋涡吹气式叶片69％叶片弦长处。

5.如权利要求4所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述吹气腔前缘的圆弧半径为1mm，吹气腔尾缘的圆弧半径为0.6mm；吹气腔与叶片吸力面和压力面之间的厚度均为1mm。

6.如权利要求1所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述吹气孔的孔径均为1mm，沿所述吹气式压气机叶片的展向均匀排布；该吹气孔中心线是直线，与弦长方向之间的夹角为3.8°；各所述吹气孔在吸力面上孔口的中心均位于该吸力面上58.7％叶片弦长处；各相邻吹气孔孔口处的中心距为10mm。

7.如权利要求1所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述旋涡发生器为块状，其外形呈三棱锥形，包括底表面和三个三角形侧表面；其中所述底表面为该旋涡发生器的安装面；所述三棱锥形中的一个棱为该旋涡发生器前缘；所述旋涡发生器前缘垂直于该旋涡发生器的底表面。

8.如权利要求7所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述旋涡发生器前缘与所述底表面的交点为b，该交点b位于吸力面73.2％叶片弦长处；所述旋涡发生器其余两个棱与所述底表面的交点分别为c₁和c₂；交点c₁和交点c₂均位于该亚声速旋涡吹气式叶片吸力面表面75.9％叶片弦长处。

9.如权利要求7所述亚声速旋涡吹气式压气机叶片，其特征在于，所述旋涡发生器的锥顶a至所述交点b之间的长度为1mm，所述交点c₁与c₂之间的长度为1.6mm，所述交点b与交点c₁之间的长度与该交点b与交点c₂之间的长度相等，均为2mm。

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