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CN113153815B - 一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片 - Google Patents

一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片 Download PDF

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CN113153815B CN202011316109.8A CN202011316109A CN113153815B CN 113153815 B CN113153815 B CN 113153815B CN 202011316109 A CN202011316109 A CN 202011316109A CN 113153815 B CN113153815 B CN 113153815B
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Abstract

一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，在该超声速吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有叶展方向贯通的抽吸腔。在超声速吸附式压气机叶片的吸力面排布有多个与抽吸腔贯通的抽吸孔。各抽吸孔为横截面面积相同的圆形孔或矩形孔。超声速吸附式压气机叶片在栅板上安装的栅距为30.55mm，安装角为47°；在设计工况下进行数值模拟时，进口气流角为61°，设计进口马赫数为1.5。本发明避免了激波在吸力面表面的反射，减少气流经过激波的损失；同时，激波冲击点位于抽吸孔内有效减弱了激波与吸力面附面层的相互干涉，有效抑制了激波后附面层分离现象的产生，避免气流在吸力面持续加速进而导致通道激波前马赫数过大，降低了波前马赫数和激波损失。

Description

一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片
技术领域
本发明涉及压气机领域，具体是一种基于多孔控制激波/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的发展要求进一步提高航空发动机的推重比，即更少的级数和更高的级负荷。在压气机内部，更高的级负荷通常伴随着不可避免的流动分离，强流动分离带来的流动损失和堵塞又限制了压气机级负荷的提升，尤其在跨、超声速压气机中存在的激波使压气机内部流动更加复杂。因此，有必要对压气机内部的流动分离进行控制。
1997年MIT的Kerrebrock等最早提出吸附式压气机以来，吸附式压气机逐渐成为一个提高压气机性能的重要研究方向。Schuler等人在2000年和2005年分别发表于ASME的论文Design,analysis,Fabrication and Test of an Aspirated Fan Stage(文献号2000-GT-0618)及Experiment Investigation of a Transonic Aspirated Compressor(Journal of Turbomachinery 2005年02期)中，对设计和非设计工况下对某风扇级进行数值模拟，论证了在叶表和端壁进行附面层抽吸的可行性，随后其设计了一个跨声速吸附式压气机试验平台，用来研究附面层抽吸的效果，该压气机在228.6m/s的设计点叶尖切线速度下实现了1.58的最高压比和90％的效率，而转、静子吸力面的抽吸流量均仅为进口流量的0.5％。
王掩刚等人在《吸附式叶栅抽吸流与激波相干性研究》(《燃气涡轮实验与研究》2008年02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吸的研究，探究了通道激波与附面层抽吸的相干作用，结果表明，在叶片激波位置前进行抽吸会导致叶栅气动性能恶化；而在激波位置后抽吸可以明显改善叶栅性能。兰发祥等人在《跨、超声速吸附式压气机平面叶栅试验》(《航空动力学报》2010年05期)中分别对跨/超声速吸附式压气机叶栅进行试验研究，探究抽吸缝位置、抽吸流量、激波强度等对叶栅流场的影响，结果表明，最佳抽吸位置位于通道激波下游，且激波强度越大，抽吸效果越明显。陆华伟等人在《组合抽吸槽对跨声速压气机转子性能影响的数值研究》(《大连海事大学学报》2017年01期)中针对某跨声速压气机转子机匣，设计不同组合的抽吸槽方案，数值结果表明，机匣槽抽吸可有效减弱叶片通道的流动损失，在大抽吸流量下转子前缘脱体正激波变为附体斜激波，且激波强度减小。南向谊等人在《超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理》(《航空动力学报》2007年07期)中研究了吸力面不同位置、不同抽吸量抽吸对NASA转子37叶片气动性能和流场结构的影响，结果表明，最佳抽吸位置位于叶片吸力面80％弦长处，对应的最佳抽吸流量为压气机进口流量的0.9％。上述研究均通过激波后附面层抽吸提高了吸附式压气机气动性能，但在激波/壁面干扰下压气机内部仍存在流动分离。
在公开号为CN103321960A的发明创造中公开了“一种吸力面有抽吸槽的压气机静子叶片”，其抽吸控制方法为在叶身的吸力面分布有3至5排与叶身内部的真空腔贯通的抽吸槽，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，从而减弱甚至消除因叶片弯角过大产生的吸力面附面层的分离，提高压气机的负荷和效率，也满足了不同工况下吸力面附面层抽吸的实际需要。但该叶片为亚声速叶片，相比于跨/超声速压气机叶片，该叶片负荷较低，扩散因子较小。
常规跨/超声速吸附式压气机叶片/叶栅均通过附面层抽吸抽除激波后低能流体提高压气机气动性能，但抽吸后叶片吸力面仍存在流动分离。在高来流马赫数、高负荷工况下，叶栅通道内的激波/壁面干扰效应会更加严重，需要更大抽吸缝和叶片内抽吸腔面积以满足高负荷超声速叶栅所需的大抽吸流量，其对超声速叶片的叶型设计和结构强度提出不小的挑战。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，减弱高负荷工况下激波/壁面干扰效应，增加叶片结构强度，本发明提出一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片。
所述超声速吸附式压气机叶片的进口几何角为14°，出口几何角为-14°；叶高为100mm，叶片弦长为65mm。
在该超声速吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔，并使该抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该超声速吸附式压气机叶片。该抽吸腔上表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片吸力面的型面相同；该抽吸腔下表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片压力面的型面相同；该抽吸腔的前缘和后缘分别位于该超声速吸附式压气机叶片弦长的22.4％和73.9％处。在所述超声速吸附式压气机叶片的吸力面排布有多个与所述抽吸腔贯通的抽吸孔。所述抽吸孔为圆形孔或矩形孔。各所述抽吸孔的开孔方向与该超声速吸附式压气机叶片弦长方向之间的夹角均为47°。
该抽吸孔分为两排，沿该超声速吸附式压气机叶片的吸力面展向排布；靠近该超声速吸附式压气机叶片前缘的为第一排抽吸孔。
所述第一排抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片43％弦长处。两排抽吸孔中第一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向3.1125％，使最后一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向96.8875％。同一排相邻的抽吸孔孔口的中心距d为该超声速吸附式压气机叶片展向长度的3.025％；同一列相邻的抽吸孔孔口的中心距c为该超声速吸附式压气机叶片弦长的4.628％。
所述抽吸腔的前缘与后缘均为半径为0.4mm的圆弧状；该抽吸腔的壁厚为0.5mm。
当所述抽吸孔为圆形孔时，该抽吸孔的半径r为0.944mm。当所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔的长边沿该超声速吸附式压气机叶片展向分布；所述矩形孔的长边b＝2mm，短边a＝1.4mm。
所述圆形抽吸孔的横截面面积与矩形抽吸孔的横截面面积相同。
所述超声速吸附式压气机叶片在栅板上安装的栅距为30.55mm，安装角为47°；在设计工况下进行数值模拟时，进口气流角β1为61°，设计进口马赫数为1.5。
本发明中基于现有技术原始叶片的叶高为100mm，叶片弦长为65mm，进口几何角为14°，出口几何角为-14°。将原始叶片安装在栅板上时，其栅距为30.55mm，安装角为47°，进口气流角β1为61°。在设计工况下，该原始叶片叶栅的进口马赫数为1.5，因此原始叶片的叶型设计中采用了直线进口区叶型和预压缩叶型。直线进口区叶型的吸力面前段为一条直线，与吸力面后段的圆弧相切，叶型前段气流转折角为0°。与直线进口区叶型不同，预压缩叶型吸力面前段的转角为负角度，吸力面前段型线与吸力面后段的圆弧相切。原始叶片的最大厚度位置点4位于42％叶片弦长处，吸力面最大厚度位置点通过圆弧与原始叶片尾缘相连，该圆弧与吸力面前段相切，原始叶片吸力面后段型线的圆弧在原始叶片最大厚度位置点处与原始叶片吸力面前段型线相切。
本发明在该原始叶片内部开增加了抽吸腔2，并在叶片的吸力面上增加了圆形或矩形的抽吸孔，形成本发明的超声速吸附式压气机叶片。两种抽吸孔在设计工况下的抽吸流量均为叶栅进口质量流量的6.1％，以保证附面层附着在该超声速吸附式压气机叶片吸力面。
本发明采用全三维气动优化设计方法进行叶片设计。设计中采用多孔吸力面附面层抽吸控制叶片流动分离、减弱激波/壁面干扰效应、增加叶片结构强度，利用预压缩叶型来降低激波波前马赫数。基于多孔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设计工况排布为叶栅，并对该叶栅进行三维数值模拟，得到了优化后的技术参数。
与现有技术相比较，本发明取得的有益效果为：
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超声速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，气流通过弓形激波5后产生流动分离区6，该流动分离区面积很大，造成严重损失；相比于原始叶片，在本发明对应的超声速吸附式压气机叶片叶栅通道内，气流经过激波后在多孔抽吸的作用下，流动分离区面积急剧减小，流动分离几乎被消除。当抽吸流量为进口质量流量的6.1％的工况时，该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，第一排抽吸孔孔口的中心位于43％叶片弦长处，即位于该超声速吸附式压气机叶片吸力面激波冲击点7下游。两种抽吸孔在设计工况下的抽吸流量均为叶栅进口质量流量的6.1％，以保证激波冲击点下游附面层附着在该超声速吸附式压气机叶片吸力面。其设计原理为：多孔附面层抽吸抽除了激波冲击点下游的低能流体，附面层8厚度变薄，不易发生分离；另一方面，如图10所示，多孔附面层抽吸会导致吸力面激波冲击点位置向下游略微移动，设计工况下激波冲击点正好位于抽吸孔内，避免了激波在吸力面表面的反射，减少气流经过激波的损失；同时，气流的主流区9与超声速吸附式压气机叶片吸力面之间存在附面层8，气流的主流区9与超声速吸附式压气机叶片吸力面之间存在附面层8，激波冲击点位于抽吸孔内有效减弱了激波与吸力面附面层8的相互干涉，有效抑制了激波后附面层分离现象的产生。
由于该超声速吸附式压气机叶片的设计进口马赫数高达1.5，因此叶型设计中采用了直线进口区叶型和预压缩叶型。直线进口区叶型的吸力面前段为一条直线，因此该叶型前段气流转折角为0°，避免气流在吸力面持续加速进而导致通道激波前马赫数过大。而预压缩叶型吸力面前段的转角为负角度，超声速气流经过该超声速吸附式压气机叶片吸力面前段受压缩而减速，降低了波前马赫数和激波损失。该超声速吸附式压气机叶片的最大厚度位置点4位于42％叶片弦长处，其设计原理是超声速来流下原始叶片的叶栅通道内存在如图11所示的激波结构，分为弓形激波和通道激波10，在设计工况下，将原始叶片的最大厚度位置点设置在弓形激波吸力面冲击点的上游，在保证原始叶片叶栅通道足够喉道面积的情况下，使通道激波和弓形激波应该相交于叶片吸力面上一点，避免了原始叶片吸力面附面层承受两个激波冲击点。随后，在激波冲击点下游设置多孔抽吸，最大程度发挥多孔抽吸的优势，使激波冲击点下游的亚声速段，即压力恢复区11的长度被最大化。
本发明通过抽吸腔2满足该超声速吸附式压气机叶栅进口质量流量的6.1％的抽吸流量，该超声速吸附式压气机的抽吸腔壁厚为0.5mm，即在保证充足抽吸流量的前提下，同时具备足够的叶片强度。
附图说明
图1是圆形抽吸孔结构示意图；
图2是矩形抽吸孔结构示意图；
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是本发明的主视图；
图6是原始叶片的俯视图；
图7是原始叶片的主视图；
图8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9是设计工况下本发明在50％叶片展向截面的马赫数云图；
图10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11是无孔超声速叶片叶栅通道内的激波结构示意图。
图12是通道激波示意图。
图中：1.原始叶片；2.抽吸腔；3.抽吸孔；4.最大厚度位置点；5.弓形激波；6.流动分离区；7.激波冲击点；8.附面层；9.主流区；10.通道激波；11.压力恢复区。
具体实施方式
本实施例是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的原始叶片采用现有技术，进口几何角为14°，出口几何角为-14°；叶高为100mm，叶片弦长为65mm。
在该超声速吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔2，并使该抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该超声速吸附式压气机叶片。该抽吸腔上表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片吸力面的型面相同；该抽吸腔下表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片压力面的型面相同；该抽吸腔2的前缘和后缘均为半径为0.4mm的圆弧状；该抽吸腔的前缘和后缘分别位于该超声速吸附式压气机叶片弦长的22.4％和73.9％处。所述抽吸腔2的壁厚为0.5mm。
在所述超声速吸附式压气机叶片的吸力面排布有多个与所述抽吸腔2贯通的抽吸孔3。该抽吸孔分为两排，沿该超声速吸附式压气机叶片的吸力面展向排布；靠近该超声速吸附式压气机叶片前缘的为第一排抽吸孔；该第一排抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片43％弦长处。两排抽吸孔3中第一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向3.1125％，使最后一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向96.8875％。同一排相邻的抽吸孔孔口的中心距d为该超声速吸附式压气机叶片展向长度的3.025％；同一列相邻的抽吸孔孔口的中心距c为该超声速吸附式压气机叶片弦长的4.628％。
所述抽吸孔3分为圆形孔或矩形孔。各所述抽吸孔的开孔方向与该超声速吸附式压气机叶片弦长方向之间的夹角均为47°。当所述抽吸孔为圆形孔时，该抽吸孔的半径r为0.944mm。当所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔的长边沿该超声速吸附式压气机叶片展向分布；所述矩形孔的长边b＝2mm，短边a＝1.4mm。
所述圆形孔的横截面面积与矩形孔横截面面积相同。
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°，有利于充分发挥多孔抽吸的优势。在设计工况下进行数值模拟时，进口气流角为61°，设计进口马赫数为1.5。

Claims (6)

1.一种基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，在该超声速吸附式压气机叶片的吸力面与压力面之间有抽吸腔，并使该抽吸腔沿叶片的叶展方向贯通该超声速吸附式压气机叶片；该抽吸腔上表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片吸力面的型面相同；该抽吸腔下表面的型面与所述超声速吸附式压气机叶片的原始叶片压力面的型面相同；该抽吸腔的前缘和后缘分别位于该超声速吸附式压气机叶片弦长的22.4％和73.9％处；在所述超声速吸附式压气机叶片的吸力面排布有多个与所述抽吸腔贯通的抽吸孔；所述抽吸孔为圆形孔或矩形孔；各所述抽吸孔的开孔方向与该超声速吸附式压气机叶片弦长方向之间的夹角均为47°；
所述抽吸孔均分为两排，沿该超声速吸附式压气机叶片的吸力面展向排布；靠近该超声速吸附式压气机叶片前缘的为第一排抽吸孔；该第一排抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片43％弦长处；两排抽吸孔中第一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向3.1125％，使最后一列的两个抽吸孔孔口的中心位于该超声速吸附式压气机叶片展向96.8875％；同一排相邻的抽吸孔孔口的中心距d为该超声速吸附式压气机叶片展向长度的3.025％；同一列相邻的抽吸孔孔口的中心距c为该超声速吸附式压气机叶片弦长的4.628％；
所述超声速吸附式压气机叶片的进口几何角为14°，出口几何角为-14°；叶高为100mm，叶片弦长为65mm。
2.如权利要求1所述基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，所述抽吸腔的前缘与后缘均为半径为0.4mm的圆弧状；该抽吸腔的壁厚为0.5mm。
3.如权利要求1所述基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，当所述抽吸孔为圆形孔时，该抽吸孔的半径r为0.944mm。
4.如权利要求1所述基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，当所述抽吸孔为矩形孔时，该抽吸孔的长边沿该超声速吸附式压气机叶片展向分布；所述矩形孔的长边b＝2mm，短边a＝1.4mm。
5.如权利要求1所述基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，所述圆形抽吸孔的横截面面积与矩形抽吸孔的横截面面积相同。
6.如权利要求1所述基于多孔的超声速吸附式压气机叶片，其特征在于，所述超声速吸附式压气机叶片在栅板上安装的栅距为30.55mm，安装角为47°；在设计工况下进行数值模拟时，进口气流角β1为61°，设计进口马赫数为1.5。
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