CN114486267B - 叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架 - Google Patents

Abstract

一种叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，在各叶片的叶尖区域安装旋涡发生器，气流通过旋涡发生器产生的高能涡结构扰动附近流场，使得低能流体与主流流体进行动量转换，控制流动分离，能够有效解决安装在端壁面上或者叶片吸力面叶根附近的旋涡发生器对叶尖间隙泄漏流所产生的涡系结构没有很好控制效果的问题，对控制叶顶间隙泄漏涡破碎流动现象取得了明显的效果，提高压气机性能，降低压气机损失。本发明克服了对于叶尖带旋涡发生器实验研究的不足，同时实现了通过一套平面叶栅实现多套实验叶栅叶顶叶顶间隙的高精度调节，节约加工成本，易于操作，有效解决了现有技术中存在的不足。

Description

叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架

技术领域

本发明涉及叶轮机械实验领域，具体是一种叶尖安装有旋涡发生器且可实现叶尖叶顶间隙调节的直列叶栅。

背景技术

平面叶栅作为压气机/涡轮实验研究的基础，其叶顶区域的流动情况复杂，叶顶区域由于叶片吸压力面存在压差，叶顶通道中的气流在压力差的推动下，通过叶顶间隙泄漏至相邻叶片通道，泄漏流还会与通道中的主流流体形成多种涡系结构，造成流动分离等，对压气机的效率和稳定性有很大影响。

旋涡发生器又名涡流发生器，是一种被动流动控制结构。来流流过旋涡发生器后，产生高能涡结构对附近的流场进行扰动，使低能流体与主流流体进行动量转换，带动低能流体随着主流流体一起向后运动，从而控制流动分离等。其通常安装在端壁或者叶片上。文献“Feng Y,Song Y,Chen F,et al.Effect of endwall vortex generator jets on flowseparation control in a linear compressor cascade[J].Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering,2015,229(G12):2221-2230”中以压气机叶栅为研究对象，对端壁旋涡发生器对流动分离的控制作用进行了数值研究。结果表明，端壁旋涡发生器射流与来流的相互作用产生了一次流向涡，该涡可以抑制端壁二次流的横向运动，并将主流的高能流体引入角区，这两方面都有利于角区流动动量的增加，从而有效地抑制了流动分离。

在公开号为CN108757178A的发明创造中，公开了一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器及其设计方法。通过重新设计了楔形涡流发生器的结构，解决了楔形旋涡发生器降低压力机流动损失的能力不强的问题。

在公开号为CN109774171A的发明创造中，公开了一种用于抑制通道涡的涡轮叶片，其主要在端壁结构上布置一对结构相同并且相互对称设置的旋涡发生器，安装在叶片本体的前缘根部上。流体经过后形成一对与通道涡旋转方向相反的稳定湍流旋涡，以此抑制马蹄涡，减小其造成的气动损失。

在公开号为CN201635775U的发明创造中，公开了一种抑制叶尖气流泄漏流的逆向涡流发生器，通过在涡轮叶片叶顶平面上布置不同出流角度的逆向涡流发生器，将气流逆着泄漏流方向射出形成逆向旋涡，抑制叶尖气流泄漏，提高叶轮效率，改善发动机性能。

在上述三个发明创造中，都设计了不同的旋涡发生器结构，安装在转子叶片端壁或叶顶面上。但在实验过程中，直列叶栅的使用更加广泛，因此在实验叶栅装置上不同结构不同位置旋涡发生器的研究便变得尤为重要。

西北工业大学在申请号为202110627671.0的发明创造中提出了一种叶顶间隙可调节的叶栅。该发明创造中，通过在下栅板上开设叶型通孔，将叶片和叶片固定板做成一体式，从而能够从下栅板抽出和固定叶片，通过在叶片固定板上添加调整垫片，进而实现定量调节叶顶叶顶间隙大小，且安装拆卸快速方便，节省实验周期。但该叶顶间隙可调节的叶栅中，叶顶间隙内的气流通过压力面泄漏至吸力面后，形成了泄漏涡，同时在向下游的持续发展过程中，出现了泄漏涡破碎现象，随着泄漏涡的破碎会进一步恶化流场环境引起更大的损失，对压气机的性能会产生很大影响，因此，对于控制叶尖区域内的相关流动现象，在叶尖区域安装旋涡发生器是一种可行的技术方法。

现有技术中旋涡发生器的种类多种多样，如楔形旋涡发生器、矩形旋涡发生器、三角形旋涡发生器等。各种旋涡发生器应用到轴流压气机/涡轮中，其典型的安装位置位于静子叶片前缘上游端壁上，起着控制叶片角区分离的作用。部分研究将旋涡发生器安装在叶片吸力面靠近叶根位置处，同样起着控制叶片角区分离的作用。然而对于轴流压气机/涡轮，叶片叶尖间隙产生的泄漏流同样对压气机/涡轮的性能有很大影响，安装在端壁面上或者叶片吸力面叶根附近的旋涡发生器对叶尖间隙泄漏流所产生的涡系结构没有很好的控制作用。

发明内容

为克服现有技术中安装在端壁面上或者叶片吸力面叶根附近的旋涡发生器对叶尖流场控制作用的不足，本发明提出了一种叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架。

本发明包括上栅板、定距柱、下栅板、限位块、调整垫片和叶片，由所述上栅板、下栅板和定距柱组成了叶片安装架，各所述叶片呈一字排布在该叶片安装架上。所述叶片分为非测压叶片和测压叶片；其中非测压叶片有7个，分别位于叶片安装架的两端；测压叶片有2个，均位于该叶片安装架的中部，并处于上栅板与下栅板之间，使各所述叶片的下端分别穿过该下栅板上的叶型孔并固定在下栅板上；各叶片叶根通过安装在下栅板下的限位块进行固定。在各限位块与下栅板之间安装有不同厚度的调整垫片，通过该调整垫片调整叶片顶部与上栅板的下表面之间间隙的距离。

其特征在于，还包括多个旋涡发生器；各旋涡发生器分别位于叶片吸力面上并靠近叶尖一端，将该旋涡发生器的底表面高度在所述叶片的吸力面上。各旋涡发生器的前缘均位于该叶片前缘一侧，旋涡发生器的后缘均位于该叶片后缘一侧，并使前缘交点J与叶片的叶尖端面的距离为H₄，使该前缘交点J与叶片前缘之间的距离为D₂；使所述后缘交点K与叶片的叶尖端面的距离为H₃。各旋涡发生器的安装角为α。

所述旋涡发生器的底表面为与叶片连接的固定面，上表面为旋涡生成面；两端分别为旋涡发生器前缘和旋涡发生器后缘；所述旋涡生成面为30°的斜面，由该斜面形成了该旋涡发生器的安装角α。

该旋涡发生器底表面的弧长为C₂。所述旋涡发生器前缘与所述旋涡生成面的交点为J，旋涡发生器后缘与所述旋涡生成面的交点为K。该旋涡发生器的两侧表面为相互平行的垂直面，并且位于该旋涡发生器前缘一侧的高度为A₁，该旋涡发生器后缘一侧的高度为A₂，旋涡发生器的厚度为B₁。

所述旋涡发生器的参数分别为：旋涡发生器前缘端的高度A₁＝1mm，旋涡发生器后缘端的高度A₂＝2mm，厚度B₁＝0.5mm，该旋涡生成面的长度为C₁。

所述旋涡发生器的前缘交点J距所述叶片的叶尖端面之间的距离H₄＝10mm，该前缘交点J与叶片前缘之间的距离为D₂；旋涡发生器的后缘交点K距所述叶片的叶尖端面之间的距离H₃＝11.6mm。

所述上栅板的结构尺寸与下栅板的结构尺寸相同，其中：长度L₁＝399.4mm，宽度D₃＝70mm，厚度H₅＝15mm。

所述调整垫片的长度L₃＝319.4mm，总宽度D₅＝70mm。所述调整垫片的厚度H₇分为三种，分别为0.5mm、1mm和2mm。

所述测压叶片上分别有测压孔，其中一个叶片的测压孔位于其吸力面上，另一个叶片的测压孔位于其压力面上。各测压叶片上的测压孔均有三组；每组的测压孔为9个，并且9个测压孔的中心位于同一水平线上。所述两个测压叶片上的测压孔处于同一展向位置且位于一个气流通道内。所述通道由相邻的两个测压叶片的吸力面与压力面之间的空间形成。

所述吸力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处。第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处。所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm。

所述压力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处。第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处。所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm。

所述叶片的弦长c＝65mm。相邻的叶片前缘点之间的栅距t＝35.75mm。各叶片的安装角β＝15.2°。

本发明在叶尖区域安装旋涡发生器对控制叶顶间隙泄漏涡破碎流动现象取得了一定的效果，证明叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架是切实可行的。与现有技术相比较，本发明取得的有益效果为：气流通过旋涡发生器产生的高能涡结构扰动附近流场，使得低能流体与主流流体进行动量转换，控制流动分离，本发明所提出的一种叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，能够有效解决安装在端壁面上或者叶片吸力面叶根附近的旋涡发生器对叶尖间隙泄漏流所产生的涡系结构没有很好控制效果的问题。在本发明的相关研究中叶尖区域安装旋涡发生器对控制叶尖区域的流动现象是确实可行的，通过控制叶尖区域泄漏涡破碎现象，提高压气机性能，降低压气机损失。

本发明主要用于叶尖具有旋涡发生器叶片在不同叶顶间隙下的定量调节。不仅解决了对于叶尖带旋涡发生器实验研究的不足，同时实现了通过一套平面叶栅，实现多套实验叶栅叶顶叶顶间隙的高精度调节，节约加工成本，易于操作，有效解决了现有技术中存在的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是叶尖具有旋涡发生器的叶片的结构示意图；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是旋涡发生器结构示意图。

图4是旋涡发生器的结构尺寸示意图。

图5旋涡发生器安装位置示意图；其中，图5a是主视图，图5b是图5a中B部位的局部放大图。

图6是图1的二维结构示意图；其中，图6a是主视图，图6b是图6a中C部位的局部放大图。

图7是图6中E-E剖面结构示意图.

图8是图6中F-F剖面结构示意图。

图9是图6a中G-G剖面结构示意图。

图10是上栅板的结构示意图；其中，图10a是主视图，图10b是图10a的俯视图。

图11是限位块的结构示意图；其中，图11a是主视图，图11b是图11a的俯视图。

图12是调整垫片的结构示意图；其中，图12a是主视图，图12b是图12a的俯视图。

图13是下栅板的结构示意图；其中，图13a是主视图，图13b是图13a的俯视图。

图14是叶栅数值模拟结果；其中，图14a是叶尖无旋涡发生器原始叶栅的数值模拟结果，图14b是本发明叶栅的数值模拟结果。

图中：1.上栅板；2.定距柱；3.下栅板；4.非测压叶片；5.测压叶片；6.限位块；7.调整垫片；8.旋涡发生器；9.测压叶片；10.测压孔；11.上栅板定距柱安装孔；12.限位块固定孔；13.调整垫片固定孔；14.下栅板固定孔；15.下栅板定距柱安装孔；16.限位块叶型通孔；17.调整垫片叶片通孔；18.下栅板叶型通孔；19.泄漏涡破碎现象；20.泄漏涡破碎现象消失；21.底表面；22.旋涡发生面；23.旋涡发生器前缘；24.旋涡发生器后缘。

具体实施方式

本实施例包括上栅板1、定距柱2和下栅板3、限位块6、调整垫片7、旋涡发生器8和叶片，由所述上栅板1、下栅板4和定距柱3组成了叶片安装架，各所述叶片呈一字排布在该叶片安装架上。所述叶片分为非测压叶片4和测压叶片5；其中非测压叶片有7个，分别位于叶片安装架的两端；测压叶片5有2个，均位于该叶片安装架的中部，并处于上栅板1与下栅板3之间，使各所述叶片的下端分别穿过该下栅板3上的叶型孔并固定在下栅板3上；各叶片叶根通过安装在下栅板3下的限位块6进行固定。各叶片靠近叶尖处的吸力面上分别安装有旋涡发生器，幷使旋涡发生器的安装角为α。在各限位块6与下栅板之间安装有不同厚度的调整垫片7，通过该调整垫片调整叶片顶部与上栅板1的下表面之间间隙的距离。

所述上栅板1呈矩形状，如图9所示。该上栅板1的两端分别有上栅板定距柱安装孔11。上栅板1的长度L₁＝399.4mm，宽度D₃＝70mm，厚度H₅＝15mm。

所述下栅板3呈矩形状，如图12所示。所述下栅板3的两端分别有下栅板定距柱安装孔15、下栅板固定孔14和下栅板叶型通孔18。下栅板3的长度L₄＝399.4mm，宽度D₆＝70mm，厚度H₈＝15mm。

所述限位块6呈矩形状，如图10所示。所述限位块6的两端分别有限位块固定孔12和限位块叶型通孔16。限位块叶型通孔16尺寸同测压叶片5中的尺寸D₁与H₂。限位块6的长度L₂＝319.4mm，总宽度D₄＝70mm，厚度H₆＝5mm。

所述调整垫片7有多个，均为矩形，如图10所示。所述调整垫片7的两端分别有调整垫片固定孔13和调整垫片叶片通孔17。调整垫片7的长度L₃＝319.4mm，总宽度D₅＝7 0mm。所述调整垫片的厚度H₇分为三种，分别为0.5mm、1mm和2mm，使用时根据实验需求，安装多个相同或不同厚度的调整垫片7。

所述测压叶片5如图4所示，叶片的展长为H₁＝125mm。在各叶片的叶根处有安装限位块的卡槽；该卡槽的深度为D₁，卡槽的宽度为H₂。本实施例中，H₁＝125mm，D₁＝8mm，H₂＝5mm。

所述叶片的弦长为叶片前缘到尾缘的距离，该叶片弦长c＝65mm。叶片相邻2个叶片的吸力面与压力面之间形成气流通道；相邻的叶片前缘点之间的距离称为栅距，栅距t＝35.75mm。与栅距垂直的方向为轴向，叶片安装角β指的是弦长方向与轴向的夹角，该叶片安装角β＝15.2°。

所述旋涡发生器8为近似矩形的块状。该旋涡发生器的底表面为与所述叶片连接的固定面，上表面为旋涡生成面；两端分别为旋涡发生器前缘和旋涡发生器后缘。

该旋涡发生器的底表面21固定在所述叶片的吸力面上；该旋涡发生器底表面的弧长为C₂。所述旋涡发生器的旋涡生成面22自所述旋涡发生器前缘23至旋涡发生器后缘24为30°的斜面，由该斜面形成了该旋涡发生器的安装角α。

所述旋涡发生器前缘23与所述旋涡生成面的交点为J，旋涡发生器后缘24与所述旋涡生成面的交点为K。该旋涡发生器的两侧表面为相互平行的垂直面，并且该旋涡发生器前缘端的高度为A₁，该旋涡发生器后缘端的高度为A₂；该旋涡发生器的旋涡生成面22的长度为C₁；旋涡发生器的厚度为B₁。本实施例中，A₂＝2mm，A₁＝1mm，B₁＝0.5mm，C₁＝3.6mm，α＝30°。

所述旋涡发生器8的安装位置如图4所示。所述旋涡发生器前缘23位于该叶片前缘一侧，旋涡发生器后缘24位于该叶片后缘一侧，并使所述交点J与叶片的叶尖端面的距离为H₄，使该交点J与叶片前缘之间的距离为D₂；使所述交点K与叶片的叶尖端面的距离为H₃。本实施例中H₄＝10mm，H₃＝11.6mm；D₂＝20mm。

所述测压叶片5共有2个。在各测压叶片上分别有测压孔，其中一个叶片的测压孔位于其吸力面上，另一个叶片的测压孔位于其压力面上。各测压叶片上的测压孔均有三组；每组的测压孔为9个，并且9个测压孔的中心位于同一水平线上。其中：

所述吸力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处。第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处。所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm。

所述压力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处。第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处。所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm。

所述两个测压叶片5上的测压孔处于同一展向位置且位于一个气流通道内。所述通道由相邻的两个测压叶片的吸力面与压力面之间的空间形成

装配后的叶栅中，下栅板与叶片之间的缝隙采用橡胶圈或密封胶填平。调整垫片8与限位块6之间的接合面涂密封胶。

Claims (10)

1.一种叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，包括上栅板、定距柱、下栅板、限位块、调整垫片和叶片，由所述上栅板、下栅板和定距柱组成了叶片安装架，各所述叶片呈一字排布在该叶片安装架上；所述叶片分为非测压叶片和测压叶片；其中非测压叶片有7个，分别位于叶片安装架的两端；测压叶片有2个，均位于该叶片安装架的中部，并处于上栅板与下栅板之间，使各所述叶片的下端分别穿过该下栅板上的叶型孔并固定在下栅板上；各叶片叶根通过安装在下栅板下的限位块进行固定；在各限位块与下栅板之间安装有不同厚度的调整垫片，通过该调整垫片调整叶片顶部与上栅板的下表面之间间隙的距离；

其特征在于，还包括多个旋涡发生器；各旋涡发生器分别位于叶片吸力面上并靠近叶尖一端，将该旋涡发生器的底表面高度在所述叶片的吸力面上；各旋涡发生器的前缘均位于该叶片前缘一侧，旋涡发生器的后缘均位于该叶片后缘一侧，并使前缘交点J与叶片的叶尖端面的距离为H₄，使该前缘交点J与叶片前缘之间的距离为D₂；使所述后缘交点K与叶片的叶尖端面的距离为H₃；各旋涡发生器的旋涡生成面的安装角为α。

2.如权利要求1所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述旋涡发生器的底表面为与叶片连接的固定面，上表面为旋涡生成面；两端分别为旋涡发生器前缘和旋涡发生器后缘；所述旋涡生成面为30°的斜面，由该斜面形成了该漩涡生成面的安装角α。

3.如权利要求2所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，该旋涡发生器底表面的弧长为C₂；所述旋涡发生器前缘与所述旋涡生成面的交点为J，旋涡发生器后缘与所述旋涡生成面的交点为K；该旋涡发生器的两侧表面为相互平行的垂直面，并且位于该旋涡发生器前缘一侧的高度为A₁，该旋涡发生器后缘一侧的高度为A₂，旋涡发生器的厚度为B₁。

4.如权利要求3所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述旋涡发生器的参数分别为：旋涡发生器前缘端的高度A₁＝1mm，旋涡发生器后缘端的高度A₂＝2mm，厚度B₁＝0.5mm；所述旋涡生成面的长度为C₁。

5.如权利要求4所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述旋涡发生器的前缘交点J距所述叶片的叶尖端面之间的距离H₄＝10mm，该前缘交点J与叶片前缘之间的距离为D₂；旋涡发生器的后缘交点K距所述叶片的叶尖端面之间的距离H₃＝11.6mm。

6.如权利要求1所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述上栅板的结构尺寸与下栅板的结构尺寸相同，其中：长度L₁＝399.4mm，宽度

D₃＝70mm，厚度H₅＝15mm。

7.如权利要求1所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述调整垫片的长度L₃＝319.4mm，总宽度D₅＝7 0mm；所述调整垫片的厚度H₇分为三种，分别为0.5mm、1mm和2mm。

8.如权利要求1所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述测压叶片上分别有测压孔，其中一个叶片的测压孔位于其吸力面上，另一个叶片的测压孔位于其压力面上；各测压叶片上的测压孔均有三组；每组的测压孔为9个，并且9个测压孔的中心位于同一水平线上；所述两个测压叶片上的测压孔处于同一展向位置且位于一个气流通道内；所述通道由相邻的两个测压叶片的吸力面与压力面之间的空间形成。

9.如权利要求8所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述吸力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处；第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处；所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm；

所述压力面上有测压孔的叶片上，第一组测压孔的中心位于该叶片展向的5％处；第二组测压孔的中心位于该叶片展向的50％处；第三组测压孔的中心位于该叶片展向的95％处；所述每组9个静压孔在叶片内部沿同一水平面上的叶片中弧线均匀排布，两相邻测压孔之间的中心距为6mm。

10.如权利要求1所述叶尖具有旋涡发生器的压气机/涡轮叶栅实验架，其特征在于，所述叶片的弦长c＝65mm；相邻的叶片前缘点之间的栅距t＝35.75mm；各叶片的安装角β＝15.2°。

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