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一种前缘自引气和叶顶自适应喷气的静子叶片

文献发布时间:2023-06-19 18:49:33


一种前缘自引气和叶顶自适应喷气的静子叶片

技术领域

本发明属于叶轮领域,具体涉及一种前缘自引气和叶顶自适应喷气的静子叶片,适用于航空发动机。

背景技术

叶轮机械中的叶尖间隙是为避免叶片和机匣或者轮毂壁面的摩擦碰撞而引入的,而在叶尖基元叶片压力面和吸力面两侧的压差作用下,部分流体翻过叶尖间隙形成叶尖泄漏流,在与主流速度的合成作用下,这种泄漏流动通常以泄漏涡的形式存在于叶尖区域,它是一种复杂的三维粘性流动。对航空发动机而言,叶尖泄漏流带来的影响主要体现为产生泄漏损失和堵塞——对压气机而言,叶尖泄漏流会降低其效率,降低其压升能力和缩小其稳定工作范围;对涡轮而言,叶尖泄漏流主要影响涡轮效率的降低,且高温泄漏流会使叶顶承受极高的热负荷。且随着叶尖间隙尺寸的增加,叶尖泄漏流的强度增强,造成的负面效应也随之增强。而叶尖间隙无法完全取消,其最小尺寸由叶片尺寸、转速和材料等因素限制,故叶尖泄漏流造成的负面效应长期影响着航空发动机的性能和效益。随着航空发动机向高推重比、高性能发展,对叶尖间隙损失和叶尖泄漏流的控制就显得越来越重要了。

为解决上述问题,国内外对此进行了大量探索研究,目前关于控制叶尖泄漏流及其损失的方法主要有:传统机匣处理、叶尖机匣喷气、主动叶顶喷气、主动叶顶抽吸、带冠叶片及篦齿封严、肋条叶片和叶尖小翼。传统机匣处理主要是指在机匣上布置一些特殊的结构(如槽和缝),来降低由叶尖泄漏流和环壁附面层等引起的通道堵塞,改善叶尖流动分布,从而起到提升压气机失速裕度的作用,但传统的机匣处理在提升压气机失速裕度的同时会降低压气机的效率;叶尖机匣喷气有主动控制和被动控制两种形式,其控制原理为通过喷气,降低叶顶载荷、抑制叶尖泄漏涡或非定常效应,起到扩稳效果,叶尖机匣喷气的作用规律和机理仍在探索中;主动叶顶喷气通过在叶尖间隙形成堵塞区域,减弱泄漏流从压力侧流向吸力侧的强度;主动叶顶抽吸通过直接减少泄漏流实际流量,达到控制泄漏的效果。而主动叶顶喷气和主动叶顶抽吸都需要安置附加装置,有结构复杂和降低发动机可靠性的缺点。带冠叶片、肋条叶片、叶尖小翼大都运用于涡轮叶片,通过改变叶片叶尖结构,控制叶尖区域流场,可以有效减少泄漏流及泄漏损失,但端区损失依然很大,对其冷却困难,且叶片端部质量的提高增大了叶片应力,对叶片蠕变性能、气动力学响应和寿命产生不利影响。

鉴于此,本发明提出一种抑制叶尖泄漏流的静子叶片结构形式,适用于压气机和涡轮,实现对静子叶片叶尖泄漏流的被动控制。

发明内容

要解决的技术问题:

为了避免现有技术的不足之处,本发明提供一种前缘自引气和叶顶自适应喷气的静子叶片,避开了主动控制需要附加结构的缺点和主动控制机构对流场的检测和执行的难点,避免带冠叶片和叶顶造型带来端区质量较重的问题,在静子叶片上实现对叶尖泄漏流的被动控制,达到抑制叶尖泄漏流的效果。本发明在静子叶片的前缘与叶顶设连通流道,通过从叶片前缘引气,在叶顶处产生射流,射流在叶尖间隙处起到封严作用,从而抑制叶尖泄漏流,达到减小叶尖泄漏流流量的效果。

本发明的技术方案是:一种前缘自引气和叶顶自适应喷气的静子叶片,所述静子叶片内部设置有流道,所述流道包括叶片前缘进气孔、叶顶喷气孔和内部腔体,由叶片前缘进气孔吸入的来流气流通过叶片内部腔体流至叶顶喷气孔处,并从叶顶喷气孔处喷向静子叶尖间隙。

本发明的进一步技术方案是:所述叶顶喷气孔设置于叶尖泄漏涡起始区域附近或叶尖泄漏强度最大区域附近。

本发明的进一步技术方案是:所述叶顶喷气孔沿着叶型中弧线分布,数量为1-3个。

本发明的进一步技术方案是:所述叶顶喷气孔的孔径占叶顶厚度的20%-40%。

本发明的进一步技术方案是:所述叶顶喷气孔喷气角度在周向上与泄露流方向相反。

本发明的进一步技术方案是:所述叶顶喷气孔结构采用收缩喷嘴。

本发明的进一步技术方案是:所述叶片前缘进气孔分布在叶片前缘设计工况下的前驻点上。

本发明的进一步技术方案是:所述叶片前缘进气孔分布在60-90%叶高处,数量为1-3个,且等距分布。

本发明的进一步技术方案是:所述叶片前缘进气孔的孔径占叶片前缘小圆直径的20%-50%。

本发明的进一步技术方案是:所述叶片前缘进气孔面向来流方向呈扩张结构,扩张角度为0-5°。

工作原理:本发明以叶片前缘进气孔、内部腔体和叶顶喷气孔构成静叶的自引气和自适应喷气结构。对轴流压气机而言,轴流压气机主要沿轴向增压,而其叶尖前段气流未经充分增压,来流气体在叶片前缘处的滞止压力大于叶尖间隙处的静压;对于涡轮而言,气流顺压流动,来流气体在叶片前缘处的滞止压力也大于叶尖间隙处的静压,而气流在叶片前缘处的滞止压力与叶尖间隙处的静压所形成的压力差可以为自引气、自适应流路提供驱动力。当静子叶片连通叶片前缘和叶顶的流通结构形成,来流气流将从叶片前缘进气孔流入,在叶片内部腔体的流动中实现减速增压,得到比叶尖间隙处静压更高的压力,即得到了内部腔体气流从叶顶喷气孔处喷出的驱动力,可以使气流流经叶片内部腔体,最终使气流从叶顶喷气孔喷出,在叶尖间隙处起到封严效果,抑制叶尖泄漏流并减小叶尖泄漏流流量。

本发明对叶尖泄漏流的控制效果随着来流速度的变化而变化,来流速度增加,引入气流的动量就越大,增大了从叶顶喷出的气体的能量,即增强了叶顶喷气在叶尖间隙处的封严效果。故本发明对叶尖泄漏流的控制效果具有自适应性。

有益效果

本发明的有益效果在于:本发明以叶片前缘进气孔、内部腔体和叶顶喷气孔形成流道,构成自引气和自适应叶顶喷气的静叶结构,可实现抑制叶尖泄漏流的被动控制。与传统喷气技术相比,本发明不需要附加外部喷气设备,具有自引气的特点,在结构上有简单、轻质的技术优势;与带冠叶片等叶尖造型叶片相比,无需增加端区质量;叶顶喷气能够有效抑制叶尖泄漏流,减小叶尖泄漏流流量。本发明对叶尖泄漏流的抑制效果随着来流速度的变化而变化,来流速度增加,引入气流的动量就越大,会增大从叶顶喷出的气体的能量,即增强了叶顶喷气在叶尖间隙处的封严效果,故本发明对叶尖泄漏流的控制效果具有自适应性。

叶顶喷气孔的位置分布会对叶尖泄漏流的抑制效果产生影响。将喷气孔设置在叶尖泄漏涡起始区域附近有望削弱叶尖泄漏涡强度,或使叶尖泄漏涡的起始位置后移,通过缩短叶尖泄漏涡和主流的有效掺混距离,达到改善流场的效果;将喷气孔设置在叶尖泄漏流强度较大的区域有望更好削弱叶尖泄漏流强度,减小叶尖泄漏流流量。随着工况变化,来流攻角发生变化,叶尖泄漏涡起始位置和叶尖泄漏流强弱分布也会随之改变,研究表明随着来流攻角的增加或进口附面层加厚,都会使叶尖泄漏涡的起始位置逐渐前移,因此叶顶喷气孔的分布位置应考虑不同工况下的叶尖泄漏流情况和相应的控制效果,达到在不同工况下叶顶喷气都能对叶尖泄漏产生良好的抑制的效果。利用CFD技术对静子叶片的叶尖泄漏流进行研究可以预判出叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡的分布情况,由此可以合理安排叶顶喷气孔的位置分布,并进一步使用CFD技术对该控制方法的控制效果进行研究,反复迭代后有望确定最佳的叶顶喷气孔的位置分布。

叶顶喷气方向的变化会影响对叶尖泄漏流的控制效果,当喷气方向与叶尖泄漏流流向相对时,喷气的控制效果好,可以有效起到封严作用,抑制叶尖泄漏流。

叶顶喷气速度大小会影响对叶尖泄漏流的控制效果,尽量大的喷气速度可以更好地抑制叶尖泄漏流。而影响叶顶喷气速度的因素有很多,叶片前缘进气孔压力和叶顶喷气孔压力的压力差和叶片内腔体流道的气动损失,都会影响叶顶喷气速度。叶顶喷气的喷嘴结构采用收缩喷嘴,可以增大喷气速度,增加气流动量,以更小的喷气量达到更好的抑制叶尖泄漏流效果。

叶顶喷气孔孔径、喷气孔数量和叶顶喷气速度决定了喷气量的大小,过小的喷气量无法得到较好的叶尖泄漏流控制效果,过大的喷气量可能降低压气机(或涡轮)效率,在保证叶尖泄漏流的控制效果的条件下降低喷气量是叶顶喷气孔设计的主要方向。

叶片前缘的进气孔将改变叶片前缘的结构,会一定程度地扰乱叶片机(压气机或涡轮)内部的流场,影响叶片机的稳定性和工作效率。前缘进气孔的结构、孔径、数量和分布等设计要考虑其所带来的负面效应和叶顶处抑制叶尖泄漏流所需喷气量。

叶片前缘进气孔面向来流方向应呈扩张结构,可以在不增加孔径的条件下,增大不同来流攻角情况下的有效流通面积,避免损失大量动量,有利于流体的吸入。

叶片前缘进气孔分布在叶片前缘设计工况下的前驻点上,有望在各工况下获得较大的来流吸入量和较小的进气损失。

叶片前缘进气孔沿展向的分布位置会影响来流气流的能量大小和内部腔体的结构设计。进气孔分布区域靠近叶尖可以获得能量和动量较大的来流气流,并且缩短内部腔体的行程而减小沿程损失,但可能使得腔体内气流转折曲率大而引起较大流动损失;进气孔分布区域靠近叶中可以使腔体内气流转折曲率小而减小流动损失,但可能增长了内部腔体的行程而增大沿程损失。故叶片前缘进气孔分布位置设计需要综合考虑,可以利用CFD技术进行数值模拟后确定其分布位置。

叶片内部空腔的设计可以根据进气孔和喷气孔的设计灵活调节。叶片空腔与进气孔和喷气孔的紧密匹配,可以使叶片内部空腔部分体积最小,有利于提高叶片的强度和寿命;空腔流道设计避免大的局部损失,降低气流在空腔流道内的总压损失,有利于提高叶顶喷气孔处与叶尖间隙处的压差,提高叶顶喷气的气流动量,获得更好的叶尖泄漏流抑制效果。

采用本发明的自适应喷气结构后,叶栅的泄漏比(泄漏比定义为叶尖泄漏流质量流量与叶栅进口质量流量的比值,用以衡量叶尖自适应喷气结构对泄漏流的抑制效果)从原型的1.58%降到了1.50%,同时流经通孔的质量流量仅占主流的0.038%。本发明实施例中该结构有效减弱了叶尖泄漏流,减少了叶尖泄漏流流量。

附图说明

图1为前缘自引气和叶顶自适应喷气静子叶片的子午面视图。

图2为前缘自引气和叶顶自适应喷气静子叶片的仰视图,取自图1的2-2剖视图。

图3为图1的3-3剖视图。

图4为图3的4-4剖视图。

图5为叶顶喷气孔处局部放大图。

图6为实施例中原型叶栅与应用了前缘自引气和叶顶自适应喷气结构的叶栅的叶尖间隙处泄漏流的流速对比图,(a)原型叶栅,(b)应用了前缘自引气和叶顶自适应喷气结构的叶栅。

附图标记说明:1.叶身;2.叶片前缘;3.叶片后缘;4.叶顶;5.轮毂;6.叶尖间隙;7叶片压力面;8.叶片吸力面;9a.来流气体;9b.流进叶片的气体;9c.叶尖泄漏流;10.叶片前缘进气孔;11.叶片内部腔体;12.叶顶喷气孔。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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的限制。

本实施例以某叶栅基元叶型为研究对象,该叶栅几何参数见表1。通过在该叶片构造前缘进气孔、内部腔体和叶顶喷气孔的结构,达到从叶片前缘自引气并在叶顶处自适应喷气的效果,对叶尖泄漏流形成被动控制。

表1某叶栅设计几何参数

如图1所示,本实施例主要由叶身1、叶片前缘进气孔10、叶片内部腔体11和叶顶喷气孔12组成。

在气流流过静叶叶片1的过程中,靠近叶片压力面7的气流的压强大于靠近叶片吸力面8的气流的压强,吸、压力面的压力差和叶尖间隙7所提供的流路,会使叶尖处的气流9a从叶片压力面7,通过叶尖间隙6,流向叶片吸力面8,形成叶尖泄漏流9c,而叶尖泄漏流9c会给发动机带来效率损失和堵塞等影响。本实施例中,叶顶4处的叶顶喷气孔12可喷出气体9b,在叶尖间隙处6抑制叶顶泄漏流9c。本实施例对叶尖泄漏流的控制效果随着来流速度9a的变化而变化,来流速度9a增加,引入气流9b的动量就越大,增大了从叶顶喷出的气体9b的能量,即增强了叶顶喷气在叶尖间隙处6的封严效果。故本实施例对叶尖泄漏流的控制效果具有自适应性。

流进叶片内的气流9b能否从叶顶喷气孔12喷出,主要克服的是叶尖间隙处6的气流静压。对轴流压气机而言,轴流压气机主要沿轴向增压,而其叶尖前段气流未经充分增压,来流气体在叶片前缘处的滞止压力大于叶尖间隙处的静压;对于涡轮而言,气流顺压流动,来流气体在叶片前缘处的滞止压力也大于叶尖间隙处的静压,所以气流在叶片前缘处的滞止压力与叶尖间隙处的静压所形成的压力差可以为自引气、自适应流路提供驱动力。当叶片1连通叶片前缘2和叶顶4的通孔结构形成,来流气流9b将从叶片前缘进气孔10流入,在叶片内部腔体11中流动实现减速增压,得到比叶尖间隙处6静压更高的压力,即得到了内部腔体气流9b从叶顶喷气孔处12喷出的驱动力,可以使气流9b流经叶片内部腔体11,最终气流9b从叶顶喷气孔12喷出,在叶尖间隙处6起到封严效果,抑制叶尖泄漏流9c。

如图1-4所示,在叶片前缘2设有叶片前缘进气孔10,叶片前缘进气孔10将改变叶片前缘2的结构,会一定程度地扰乱叶片机(压气机或涡轮)内部的流场,影响叶片机的稳定性和工作效率,所以叶片前缘进气孔的设计要考虑其所带来的负面效应和叶顶处抑制叶尖泄漏流所需喷气量。

如图1-4所示,本实施例叶片前缘2设有两个前缘进气孔10,实际前缘孔数量根据实际情况可以更多或少,前缘进气孔数量由喷气孔所需喷气量、控制前缘进气孔对流场的负面影响和对叶片强度的影响所决定。其分布位置在叶片前驻点处,有望在各工况下获得较大的来流吸入量和较小的进气损失。

叶片前缘进气孔沿展向的分布位置会影响来流气流的能量大小和内部腔体的结构设计,并影响叶片的结构强度。进气孔分布区域靠近叶尖可以缩短内部腔体的行程而减小沿程损失,但可能使得腔体内气流转折曲率大而引起较大流动损失;进气孔分布区域靠近叶中可以使腔体内气流转折曲率小而减小流动损失,但可能增长了内部腔体的行程而增大沿程损失。故叶片前缘进气孔分布位置设计需要综合考虑,设置在60-90%叶高处,可等距分布,可以利用CFD技术进行数值模拟后确定其分布位置。

如图1中局部放大图I所示,所述进气孔10面向来流方向呈扩张结构,可以在不增加叶片内部腔体11大小的条件下,增大不同来流攻角情况下的有效流通面积,避免损失大量动量,有利于流体的吸入。

叶片前缘进气孔处10吸入的来流气体9b经过叶片内空腔11,从叶顶喷气孔12喷出。叶顶喷气孔孔径、喷气孔数量和叶顶喷气速度决定了喷气量的大小,过小的喷气量无法得到较好的叶尖泄漏流控制效果,过大的喷气量可能降低压气机(或涡轮)效率,在保证叶尖泄漏流的控制效果的条件下降低喷气量是叶顶喷气孔设计的主要方向。如图2所示,本实施例叶片叶顶4设有两个叶顶喷气孔12。

叶顶孔的分布位置可沿着中弧线布置,保证了叶片强度。

所述喷气孔12分布在10-40%轴向弦长位置,叶顶喷气孔12的位置分布会对叶尖泄漏流9c的抑制效果产生影响,将喷气孔设置在叶尖泄漏涡起始区域附近有望削弱叶尖泄漏涡强度,或使叶尖泄漏涡的起始位置后移,通过缩短叶尖泄漏涡和主流的有效掺混距离,达到改善流场的效果;将喷气孔设置在叶尖泄漏流强度较大的区域有望更好削弱叶尖泄漏流强度,减小叶尖泄漏流流量。随着工况变化,来流攻角发生变化,叶尖泄漏涡起始位置和叶尖泄漏流强弱分布也会随之改变,因此叶顶喷气孔的分布位置应考虑不同工况下的叶尖泄漏流情况和相应的控制效果,达到在不同工况下叶顶喷气都能对叶尖泄漏产生良好的抑制的效果。利用CFD技术对叶片的叶尖泄漏流进行研究可以预判出叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡的分布情况,由此可以合理安排叶顶喷气孔的位置分布,并进一步使用CFD技术对该控制方法的控制效果进行研究,反复迭代后有望确定最佳的叶顶喷气孔的位置分布。

如图5所示,所述叶顶喷气孔12的喷气方向在周向上与叶尖泄漏流9c周向方向相反,即方向沿压力面7指向吸力面8,并与叶片弦向成一定角度,这是因为叶顶喷气方向的变化会影响对叶尖泄漏流的控制效果,当喷气方向与叶尖泄漏流9c流向相对时,喷气的控制效果好,可以有效起到封严作用,抑制叶尖泄漏流。本实施例中叶顶喷气孔12的喷嘴结构采用收缩喷嘴,可以增大喷气速度,增加气流动量,以更小的喷气量达到更好的抑制叶尖泄漏流效果。

叶片内部腔体11的结构根据进气孔10和喷气孔12的设计灵活调节,叶片空腔与进气孔和喷气孔的紧密匹配,可以使叶片1的镂空体积最小,有利于提高叶片1的强度和寿命;空腔设计避免大的局部损失,可降低气流在空腔内的总压损失,有利于提高叶顶喷气孔处12与叶尖间隙处4的压差,提高叶顶喷气的动量,更好抑制叶尖泄漏流9c。本实施例中,叶片内部腔体11沿叶片高度方向竖直设置,其上端朝向叶片前缘侧设有两个分流,分别通向两个叶片前缘进气孔10,其底端位于叶顶喷气孔的正上方。

如图6所示为本实施例中原型叶栅与应用了前缘自引气和叶顶自适应喷气结构的叶栅的叶尖间隙处泄漏流的流速对比图。可以看见在此工况下,原型叶栅叶尖区域的马赫数最大值点在压力面一侧,这是由于在叶片压力面和吸力面的压差驱动下,使得气流在间隙处从压力面流向吸力面,同时靠近压力面侧的气流流入叶尖间隙时经历了流道的扩张,发生加速降压的过程,故在间隙处的压力面侧叶尖泄漏流流速最大,也表面此区域泄漏流强度最大。而应用了前缘自引气和叶顶自适应喷气结构的叶栅在叶顶喷气孔附近区域泄漏流速度明显降低,这是因为从叶顶喷气孔喷处的气流在叶尖间隙处形成了一个堵塞区,该堵塞区可以减弱叶尖泄漏流从压力侧流向吸力侧的强度,起到封严的效果。采用此自适应喷气结构后,叶栅的泄漏比(泄漏比定义为叶尖泄漏流质量流量与叶栅进口质量流量的比值,用以衡量叶尖自适应喷气结构对泄漏流的抑制效果)从原型的1.58%降到了1.50%,同时流经通孔的质量流量仅占主流的0.038%。本实施例中该结构有效减弱了叶尖泄漏流,减少了叶尖泄漏流流量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术分类

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