一种具有双型多通道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，具体地说是压气机转子叶片。

背景技术

众所周知,噪声在现代工业社会中是危害环境的一种重要污染源,其中气动噪声占有相当比重,而气动噪声的最主要噪声源就是航空动力装置。随着民用飞机数量的快速增长和使用的日益普及,航空噪声问题日益引起世界范围的关注。美国颁布的联邦航空条例部和国际民航公约组织颁布的第号附件意味着噪声问题己成为检验飞机适航的重要指标之一。因此,发展低噪声的航空动力装置己经成为工程上急待解决的问题。

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够降低压气机噪声的一种具有双型多通道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：

本发明一种具有双型多通道通气孔来降噪的单级压气机转子叶片，其特征是：包括叶顶、叶根、前缘、尾缘、吸力面、压力面，叶片本体内部设置贯通叶顶与尾缘的A型通气孔和贯通压力面中间位置与尾缘的B型通气孔，A型通气孔的进口位于叶顶处，出口位于尾缘处，且进口为垂直于叶顶、长度为D的直线段，B型通气孔的进口位于压力面中间位置，出口位于尾缘处。

本发明还可以包括：

1、在叶顶处A型通气孔的进口位置在靠近尾缘的半段，叶顶处A型通气孔的进口面积占叶顶面积的0.5％-0.7％，在尾缘处出口面积占据尾缘面积的1％-1.2％。

2、A型通气孔和B型通气孔的直径d为叶高h的1.5％-2％,各通气孔间距在叶顶处均匀分布，在尾缘处也均匀分布，尾缘上相邻两个通气孔的距离为D3，最靠近叶根的B型通气孔与叶根的距离为D1，最靠近叶顶的A型通气孔与叶顶的距离为D2，D1与D2取值相等，为叶高h的4％-8％，D3为叶高h的8％-12％。

3、A型通气孔轴线是分布在中曲面上的空间曲线，且这些空间曲线在投影面上的投影皆为圆心角为45°的圆弧。

4、B型通气孔进口与压力面的夹角α可取为30°，B型通气孔轴线分布在平行于叶根的平面内。

5、A型通气孔相邻通气孔间距为L2，叶顶上第一个A型通气孔与尾缘的距离为L1，最后一个通气孔位于叶顶中弧线的中点，L1为中线长度的3％-5％，L2为中线长度的1/15-1/10。

6、叶顶中弧线与尾缘交点为第一点，叶根中弧线与尾缘交点为第二点，第一点与第二点连接成的直线称之为第一直线，叶顶型线的弦设为第二直线，叶根型线的弦设为第三直线，由第一直线、第二直线和第三直线所组成的平面为投影面，A2为A型通气孔的轴线A1在投影面上的投影，在投影面上建立坐标系，坐标原点O位于第一直线上，且与叶顶相距D，D是A型通气孔进口处垂直于叶顶的直线段的长度；将过坐标原点O且与第一直线重合的直线设为Y轴；将投影面内过坐标原点O并且垂直于Y轴的直线设为X轴；将过坐标原点O且垂直于X-O-Y平面的直线设为Z轴，并且Z轴正方向指向叶片吸力面，则A1型轴线在投影面上的投影线A2用如下方程来表示：

中曲面F1用如下方程来表示：

A型通气孔轴线可用如下方程来表示：

上式中，i代表距离叶顶第i个A型通气孔轴线；b为弦长，d1为b/2处对应中弧线上的点与弦的距离。

7、曲线B2为B1型轴线在叶根平面上的投影，将曲线B2与压力面的交点设为坐标原点O；将连接曲线B2起点与终点的直线设为X轴；将叶根平面内过坐标原点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，Z轴的正方向指向叶顶，设投影线B2的起点与终点的距离为L，对应于L/2处投影线B2上的点与X轴距离为d2，则B型通气孔轴线在叶根平面上的投影B2用如下方程来表示：

距离叶根第i个B型通气孔轴线所在平面的方程如下：

z＝D1+(i-1)D3

B型通气孔轴线用如下方程来表示：

上式中，i表示距离叶根第i个B型通气孔轴线。

本发明的优势在于：首先，在单级压气机的涡流噪声中，叶顶间隙泄露涡占据相当大的比例。叶顶间隙泄露涡是由于在叶片工作时叶片压力面的静压大于叶片吸力面的静压，并且由于离心力的作用，叶片压力面的气体会通过叶顶与外壳之间的间隙流向叶片吸力面，并且会在叶顶间隙处形成旋涡，进而形成较大的涡流噪声。此外，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，在压气机涡流噪声中，叶片尾缘脱落涡引起的噪声起着主要作用。而本发明的特征是在转子叶片内部设置一系列贯通叶顶与尾缘的A型通气孔和贯通压力面中间位置与尾缘的B型通气孔。因此，当部分气流从叶顶间隙和压力面中间位置流入双型通气孔，然后再从叶片尾缘处喷出，这样就会较大限度的减少叶顶间隙泄露涡，并且将位于尾缘附近的大尺寸脱落涡吹散成小尺寸涡，进而大幅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叶顶与尾缘的A型通气孔和贯通压力面中间位置与尾缘的B型通气孔，流入双型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。

第三，在叶片内部设置A型通气孔的基础上，设置B型通气孔可以很大程度降低从整个叶顶向尾缘开孔的难度。

综上，本发明一方面可以通过双型通气孔降低叶顶间隙泄露涡和尾缘脱落涡形成的涡流噪声。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。并且，双型多通道通气孔结构降低了开设单一A型通气孔的难度。

附图说明

图1为本发明安装于压气机里的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为叶片干涉示意图；

图4为叶顶结构示意图；

图5为尾缘结构示意图；

图6为轴线分布示意图；

图7为A1型轴线投影图；

图8为B1型轴线投影图。

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1-8，本发明是一种通过设置双型多通道通气孔来降噪的单级压气机转子叶片。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、叶顶间隙5、通气孔6。如图2和图4所示，该叶片包括叶顶9、叶根10、前缘7、尾缘8、压力面11、吸力面12、A型通气孔和B型通气孔。

结合图1-图3，叶片在随着轮毂旋转时，由于叶片的做功，叶片压力面的静压大于叶片吸力面的静压，并且由于在旋转的过程中，气体会具有一定的离心力。因此，在静压差和离心力的作用下，气体会从压力面经过叶顶间隙流向吸力面，并且在叶顶间隙处形成旋涡，进而产生相当大的涡流噪声。并且由于气流从叶片前缘流向尾缘的过程中，转子叶片一直对气流做功，因此靠近尾缘处压力面和吸力面的静压差会更大，靠近尾缘处的叶顶间隙泄露涡会占据整个叶顶间隙泄露涡的主要部分。此外，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气动噪声中占据主要位置。而本发明的特征是在转子叶片内部开设一系列贯通叶顶到尾缘的A型通气孔和贯通压力面中间位置与尾缘的B型通气孔。如图2所示，流经叶顶间隙的气流会直接流入A型通气孔，进而会大幅削弱叶顶间隙泄露涡的形成。另一方面，流入A型通气孔和B型通气孔的气体都会从叶片尾缘喷出，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。

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叶顶与尾缘的A型通气孔和贯通压力面中间位置与尾缘的B型通气孔。通气孔的作用之一就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单频噪声，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单频噪声减小。

如图4所示，叶顶结构包括中弧线13、中弧线与叶型前缘交点14、中弧线与叶型尾缘交点15、弦16。中弧线是叶型内切圆中心的连线，简称中线。弦是连接中弧线与叶型前后缘交点的直线，弦的长度称为弦长，用字母b来表示。在b/2处对应于中弧线上的点与弦的距离设为d1。贯穿叶顶中弧线与叶根中弧线的曲面称为中曲面，在图6中用F1表示中曲面。

由图4可知，A型通气孔在叶顶上分布在靠近尾缘的半段，并且沿着中线等距分布，相邻通气孔间距为L2，第一个通气孔与尾缘的距离为L1，最后一个通气孔位于叶顶中弧线的中点。L1可以设置为中线长度的3％-5％，L2可以设置为中线长度的1/15-1/10。

由图6和图8可知，B型通气孔轴线位于与叶根平行的平面内，如序号⑥所代表的B型通气孔轴线位于平面F2上，B型通气孔进口处与压力面的夹角α可取为30°，B型通气孔出口与叶片尾缘垂直。

由图5可知，A型通气孔和B型通气孔在尾缘上等距分布，相邻两个通气孔的距离为D3，最靠近叶根的B型通气孔与叶根的距离为D1，最靠近叶顶的A型通气孔与叶顶的距离为D2。D1与D2可以取值相等，皆可取为叶高h的4％-8％，D3可取为叶高h的8％-12％。

由图6可知，中曲面F1是由叶顶和叶根之间各截面型线中弧线所组成的曲面，F2是平行于叶根的平面。A型通气孔的轴线A1位于中曲面F1上，B型通气孔轴线B1位于平行于叶根的各平面上。

编号为①-⑤的用来表示A型通气孔轴线的空间曲线和编号为⑥-

在叶顶处叶片穿孔位置在靠近尾缘的半段。叶顶处穿孔面积占叶顶面积的0.5％-0.7％，在尾缘处穿孔面积占据尾缘面积的1％-1.2％。

通气孔的直径d可取为叶高h的1.5％-2％,各通气孔间距在叶顶处均匀分布，在尾缘处也均匀分布。

A型通气孔在进口处是一段垂直于叶顶并且长度为D的直线段，在出口处皆垂直于叶片尾缘，且整个通气孔轴线是分布在中曲面上的空间曲线。且这些空间曲线在投影面上的投影皆为圆心角为45°的圆弧。

B型通气孔进口与压力面的夹角α可取为30°，出口垂直于叶片尾缘，且整个通气孔轴线分布在平行于叶根的平面内。

如图7所示，设叶顶中弧线与尾缘交点为点15.1，叶根中弧线与尾缘交点为点15.2，点15.1与点15.2连接成的直线称之为直线17。叶顶型线的弦设为直线16.1，叶根型线的弦设为直线16.2。由直线16.1，直线16.2和直线17所组成的平面为投影面，A2为A1型轴线在投影面上的投影。在投影面上建立坐标系，坐标原点O位于直线17上，且与叶顶相距D，D是A型通气孔进口处垂直于叶顶的直线段的长度；将过坐标原点O且与直线17重合的直线设为Y轴；将投影面内过坐标原点O并且垂直于Y轴的直线设为X轴；将过坐标原点O且垂直于X-O-Y平面的直线设为Z轴，并且Z轴正方向指向叶片吸力面。则A1型轴线在投影面上的投影线A2可以用如下方程来表示：

另一方面，中曲面F1可以用如下方程来表示：

因此，A型通气孔轴线可用如下方程来表示：

上式中，i代表距离叶顶第i个A型通气孔轴线；D2、D3与D为图5与图7上的结构参数；d1与b是图4上的结构参数，b为弦长，d1为b/2处对应中弧线上的点与弦的距离。

如图8所示，曲线B2为B1型轴线在叶根平面上的投影，将曲线B2与压力面的交点设为坐标原点O；将连接曲线B2起点与终点的直线设为X轴；将叶根平面内过坐标原点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，Z轴的正方向指向叶顶。设投影线B2的起点与终点的距离为L，对应于L/2处投影线B2上的点与X轴距离为d2。则B型通气孔轴线在叶根平面上的投影B2可用如下方程来表示：

另一方面,距离叶根第i个B型通气孔轴线所在平面的方程如下：

z＝D1+(i-1)D3

因此，B型通气孔轴线可用如下方程来表示：

上式中，i表示距离叶根第i个B型通气孔轴线；D1和D3为图5上的结构参数；d2与L为图8上的结构参数。