一种通过设置通气孔来降噪的单级压气机转子叶片

技术领域

本发明涉及的是一种叶片，具体地说是单级压气机转子叶片。

背景技术

当代飞机所使用的发动机是一个非常复杂的噪声系统，主要噪声源分为四个部分：压气机噪声源、燃烧噪声源、涡轮噪声源和喷流噪声源。其中压气机噪声源和喷流噪声源是发动机的主要噪声源。

压气机噪声包括叶片通过频率下的单频离散噪声和宽频涡流噪声。单频离散噪声是由于压气机工作时，转子和静子之间存在相互干涉：(1)转子叶片势流场与静子干涉；(2)静子叶片势流场与转子干涉；(3)静子叶片切割转子叶片尾迹干涉；(4)转子叶片切割静子叶片尾迹干涉。宽频涡流噪声主要包括：(1)叶片吸力面处湍流边界层分离形成的分离涡噪声；(2)叶顶泄露涡产生的噪声；(3)转子叶片尾缘脱落涡形成的噪声。

其中，单频离散噪声和宽频涡流噪声的产生都和叶片尾缘脱落涡的产生有很大关系。对于涡流噪声，尾缘脱落涡在总体涡流噪声中占据主要位置，对于单频离散噪声，尾缘脱落涡的增大会导致转子与静子的干涉更加严重。

目前的压气机降噪手段主要包括锯齿形叶片尾缘以多曲率叶片表面来扰乱尾缘涡，以此来达到压气机的降噪目的。

发明内容

本发明的目的在于提供能降低压气机单频离散噪声的一种通过设置通气孔来降噪的单级压气机转子叶片。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种通过设置通气孔来降噪的单级压气机转子叶片，其特征是：包括叶片体，所述叶片体包括叶顶、叶根、前缘、尾缘、压力面、吸力面，叶片体里设置贯通压力面到尾缘的通气孔，通气孔在进口处与压力面的夹角α为30°，在出口处垂直于尾缘，各通气孔的轴线皆位于平行于叶根的平面内。

本发明还可以包括：

1、在压力面处穿孔面积占压力面面积的0.5％-0.8％，在尾缘处穿孔面积占据尾缘面积的8％-10％。

2、通气孔的直径D为叶高h的1.8％-2.2％。

3、相邻通气孔在尾缘上等距分布并且间距为d2，第一个通气孔与叶根的距离为d1，最后一个通气孔与叶顶的距离为d3，d1为叶高h的5％-7％，d2为叶高h的8％-10％，d3为叶高h的5％-7％。

4、以叶根的叶型为基础建立坐标系，各通气孔轴线在叶根平面上的投影为曲线，以曲线的起点为坐标原点O，以连接曲线起点和终点的直线为X轴，将位于叶根所在平面并且过坐标原点O且垂直于X轴的直线设为Y轴，将过坐标原点O且垂直于X-O-Y平面的直线设为Z轴，设曲线两个端点的距离为L，在L/2处对应曲线上的点与X轴的距离为d，则通气孔轴线在叶根所在平面上的投影线用如下方程来表示：

各轴线所在平面用如下方程来表示：

z＝d1+(i-1)d2

通气孔轴线用如下方程来表示：

上式中，i代表距离叶根第i个通气孔轴线。

本发明的优势在于：首先，在压气机的涡流噪声中，叶片尾缘脱落涡引起的噪声起着主要作用。根据附面层理论，当气流流经叶片表面时，由于附面层发展到一定程度后会发生涡流脱离，这种脱离常在叶片尾缘发展到非常严重的程度，并且在叶片尾缘形成大量的脱落涡，进而会产生较大的涡流噪声。而本发明的特征是在转子叶片内部设置一系列贯通压力面中间位置与尾缘的多通道通气孔。部分气流从叶片压力面流入通气孔，然后这部分气流会从叶片尾缘处喷出，进而吹散叶片尾缘的脱落涡，将大尺寸涡吹散成小涡，进而大幅度减少尾缘处的涡量，如此便可以大幅度降低单级压气机的涡流噪声。

第二，在压气机的单频离散噪声中，无论是叶片势流场与另一种叶片的干涉产生的离散噪声，还是叶片切割另一种叶片的粘性尾迹产生的噪声，尾缘脱落涡的大小都对这些单频噪声有着很大的影响。而本发明的特征是在压气机转子叶片内部开设一系列贯穿压力面中间位置与尾缘的通气孔，从压力面流入通气孔的气体会从尾缘喷出，进而吹散叶片尾缘的脱落涡。尾缘脱落涡尺寸减小后，静子叶片切割转子粘性尾迹时产生的噪声会降低，其次，静子叶片与转子叶片势流场的干涉噪声也会下降。

因此，本发明通过在转子叶片内部开设一系列贯通压力面与尾缘的多通道通气孔，一方面可以通过降低叶片尾缘脱落涡的尺寸来降低压气机的涡流噪声。另一方面，降低叶片尾缘脱落涡的尺寸也可以降低转子叶片与静叶的干涉，进而降低压气机的单频离散噪声。

附图说明

图1为本发明与静子叶片安装于压气机外壳里的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为叶片干涉示意图；

图4为尾缘结构示意图；

图5为通气孔轴线分布示意图；

图6为轴线投影示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，本发明是一种通过设置多通道通气孔来降低噪声的压气机转子叶片。如图1所示，本发明的总体结构包括压气机外壳1、转子叶片2、静子叶片3、轮毂4、通气孔5。如图2和图6所示，该叶片包括叶顶8、叶根9、前缘6、尾缘7、压力面10、吸力面11和通气孔5。根据附面层理论，气流会在叶片尾缘处形成较为强烈的脱落涡，尾缘脱落涡形成的噪声在总的涡流噪声中占据主要位置。而本发明在转子叶片内部开设一系列贯通压力面到尾缘的多通道通气孔。如图2所示，部分气流会从压力面中间位置处流入通气孔并且从叶片尾缘喷出，喷出的这部分气流会直接冲击叶片尾缘的脱落涡，将大尺寸的尾缘脱落涡吹散为小尺寸旋涡，进而会大幅度降低压气机的涡流噪声，以此来达成压气机的降噪目的。

图5中编号为①-

在压力面10处穿孔面积占压力面10面积的0.5％-0.8％，在尾缘7处穿孔面积占据尾缘7面积的8％-10％。

通气孔5的直径D可取为叶高h的1.8％-2.2％,相邻通气孔5在尾缘7处等距分布。

通气孔5在进口处与压力面10的夹角α可取为30°，在出口处垂直于叶片尾缘7，各通气孔轴线皆位于平行于叶根9的平面内，如轴线⑥位于平面F1内。

如图3所示，压气机转子叶片在旋转过程中会与静子叶片发生干涉现象，进而产生单频的离散噪声。转子与静子之间的干涉包括：(1)转子叶片势流场与静子干涉；(2)静子叶片势流场与转子干涉；(3)静子叶片切割转子叶片尾迹干涉；(4)转子叶片切割静子叶片尾迹干涉。而本发明的特征是在转子叶片内部设置一系列贯通压力面到尾缘的通气孔，通气孔的作用是将尾缘处的大尺寸的脱落涡吹散为小尺寸的涡。尾缘脱落涡尺寸的减小一方面可以减小静叶与转子叶片势流场干涉产生的噪声，另一方面，转子叶片粘性尾迹中涡量的减少，也会导致静叶切割转子叶片尾迹所产生的噪声减小。

因此，本发明在转子叶片内部开设贯通压力面到尾缘的通气孔，对压气机的宽频涡流噪声和单频离散噪声的产生都会有很大程度地削弱。

由图4可知，相邻通气孔在尾缘上等距分布并且间距为d2，第一个通气孔与叶根的距离为d1，最后一个通气孔与叶顶的距离为d3。d1可取为叶高h的5％-7％，d2可取为叶高h的8％-10％，d3可取为叶高h的5％-7％。

由于各通气孔轴线皆位于与叶根平行的平面内。为了更加方便描述通气孔轴线形状，如图6所示，以叶根的叶型为基础建立坐标系。曲线12为各通气孔轴线在叶根平面上的投影。以曲线12的起点为坐标原点O；以连接曲线12起点和终点的直线为X轴；将位于叶根所在平面并且过坐标原点O且垂直于X轴的直线设为Y轴；将过坐标原点O且垂直于X-O-Y平面的直线设为Z轴。设曲线12两个端点的距离为L，在L/2处对应曲线12上的点与X轴的距离为d。

则通气孔轴线在叶根所在平面上的投影线可以用如下方程来表示：

另一方面，各轴线所在平面可以用如下方程来表示：

z＝d1+(i-1)d2

因此，通气孔轴线可用如下方程来表示：

上式中，i代表距离叶根第i个通气孔轴线；d与L为图6上的结构参数；d1与d2是图4上的结构参数。