基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式

本发明涉及涡扇发动机中压气机叶片的控制方法，具体涉及基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式。

背景技术：

1、近半个世纪以来，航空涡轮发动机性能要求沿着高压比、低油耗、长寿命和高可靠性方向不断发展，为了满足这个需求，压气机的设计也必须沿着高压比、高效率和高速度的方向发展。目前通常采用提高气动载荷、增加转子转速，又或者是通过降低展弦比以增加叶型弯角来达到提高压气机压比的目的。但伴随着压气机负荷的增大，叶片通道内逆压梯度和横向压力梯度也随之增大，这会导致叶片吸力面处出现大的附面层气流分离，同时端壁附近也会产生较大的角区分离，从而引起气动损失，使发动机整体气动性能下降，严重时更会导致流道堵塞，损失进一步增加。

2、关于压气机上附面层气流分离和角区分离的机理研究，一般认为附面层气流分离的内因是空气具有粘性，而外因是叶片表面弯曲形成的逆压梯度。如图1所示，气流进入逆压梯度段以后，在粘性和逆压梯度的共同作用下，逐渐减速并出现倒流，倒流而上的气流与顺流而下的气流相遇后，使附面层气流拱起并脱离叶片表面被主流卷走，进而形成大的旋涡，使附面层气流产生分离。在较大的攻角情况下，叶片吸力面侧会产生很大的附面层分离，这导致叶片通道的流通能力大大降低，使得气流的偏转角变小，相应的压比也会降低，造成严重的流动损失。如图2所示，角区分离的形成是由于在横向压力梯度的驱动作用下，端壁附面层流体向吸力面过度偏转，形成横向二次流动，使得附面层内的低能流体在吸力面－端壁角区堆积；角区堆积的低能流体无法抵抗流向逆压梯度的阻滞作用，形成了端壁和吸力面包围的低速回流区，它会造成端区流动损失显著增加，是制约高负荷压气机发展的主要原因之一，并且伴随攻角的增大，角区分离现象更加明显，严重时会导致流道堵塞。

3、为了改善压气机叶片气流分离的状况，就需要对其进行流动控制。目前主流的流动控制方法包括向附面层增加动量或涡度来激发减速的近壁流体以达到延迟或完全消除流动分离和通过抽吸附面层内的低能流体来减轻附面层对主流带来的影响。国内外学者已经提出很多有效的主动流动控制方法。德国tropea研究组实现了通过dbd离子体激励以推迟层流向湍流的转涙实验。吴云等人首次提出使用等离子体激励的方法来抑制叶珊气流分离，证明了在低速条件下该方法对抑制流动分离，提高叶片失速攻角的可行性。但这种控制方法仅适用于大攻角下的气流分离情况，而且由于其结构特点必须安装在叶片上，这会引起新的气动损失。王梦格等人的研究发现震荡式涡流发生器可在边界层内诱导产生出强度可变的涡系结构，从而减少边界层分离区的长度以满足减小损失的目的。但是该控制方法一般适用于高马赫数来流条件，且由于结构的原因只被广泛应用于进气道的流动控制里。

4、相较于主动流动控制方法，被动流动控制无需能量的主动注入，只需要对部件进行一定的加工，就可以实现不间断的流动控制，因此具有一定的优势。目前压气机上主要的被动流动控制方法是在叶片和机匣等位置开槽，利用流场中固有的逆压梯度实现抑制附面层的分离，改善压气机的性能。周敏等人研究了开槽位置和槽道结构对压气机叶栅性能的影响，结果表明槽道出口位于分离点之前且相对靠近分离点时槽道射流对流动分离的控制效果最佳。柳阳威等人将槽道结构发展到叶片根部，研究了叶片稠度、展弦比等参数对叶根处开槽叶栅性能的影响。结果表明，由于槽道射流有效控制了角区分离，叶根开槽叶栅能够在低稠度条件下实现比原型叶栅更佳的扩压能力，有利于减少压气机单级叶片数，进而提高发动机推重比。

5、上述研究表明，对叶片开槽是一种有效的被动流动控制方法，能很好地抑制叶片吸力面附面层的气流分离和端壁角区分离现象，达到改善发动机整体性能的结果。不过，目前的在吸力面和压力面之间开槽的方法破坏了叶片压力面与吸力面之间的大面积结构，会导致叶片本身的强度降低，存在不小的潜在风险，且由于需要用到复杂的扫频控制器通道，在加工处理上也更加困难。最后该控制方法原理是利用叶片压力面和吸力面上存在的固有压差来驱动气流的抽吸和喷射，本质上是一种定常控制方法，区别于非定常控制方法，它的控制效率更低。为此，构思出一种被动非定常的叶片控制方法很有必要。

6、基于这种情况，本发明提出基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。

2、基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式：所述开槽的目的是对压气机叶片进行被动非定常流动控制，用以控制压气机的叶片吸力面的附面层分离和角区分离流，该方法是通过以下步骤实现的：

3、步骤一、在压气机的叶片吸力面处拟打开一个全叶高孔槽，所述全叶高孔槽的孔槽出口贴近气流分离线，所述孔槽出口靠近尾缘一侧，所述全叶高孔槽的孔槽入口位置设于尾缘一侧的壁面涡集中处；

4、步骤二、根据不同工作攻角状态，调整所开孔槽入口和孔槽出口的相对位置，孔槽入口的位置调整范围在75％-98％弦长长度，孔槽出口的位置调整范围在60％-80％弦长长度；

5、步骤三、根据精度要求，使用3d打印技术对压气机叶片和全叶高孔槽进行整体加工。

6、进一步，所述全叶高孔槽的孔槽出口与气流分离线的距离和对改善气流分离效果成反比。

7、本发明的有益效果：

8、本发明与传统技术相比，利用压气机静子叶片吸力面前后的周期性非定常压差形成被动非定常流动控制，不需要主动输入能量，全靠压差运作，能实现用更少的能量达到定常控制同样的控制效果；同时也可以减轻叶片的重量从而降低叶片所受的质量力，在实现上也更简便。

技术特征：

1.基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式，其特征在于：所述开槽的目的是对压气机叶片（100）进行被动非定常流动控制，用以控制压气机的叶片吸力面（1）的附面层分离和角区分离流，该方法是通过以下步骤实现的：

2.根据权利要求1所述基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式，其特征在于：所述全叶高孔槽（2）的孔槽出口（b）与气流分离线（c）的距离和对改善气流分离效果成反比。

技术总结
本发明公开了基于压气机叶片吸力面壁面涡时空演化的叶片开槽方式：其开槽目的是对压气机叶片进行被动非定常流动控制，用以控制压气机的叶片吸力面的附面层分离和角区分离流，其步骤包括：步骤一、在压气机的叶片吸力面处拟打开一个全叶高孔槽；步骤二、根据不同工作攻角状态，调整所开孔槽入口和孔槽出口的相对位置；步骤三、根据精度要求，使用3d打印技术对叶片和孔槽进行整体加工。本发明与传统技术相比，利用压气机静子叶片吸力面前后的周期性非定常压差形成被动非定常流动控制，不需要主动输入能量，全靠压差运作，能实现用更少的能量达到定常控制同样的控制效果；同时也可以减轻叶片的重量从而降低叶片所受的质量力，在实现上也更简便。

技术研发人员：张洪鑫,毛泽坤,徐驰,黄国平
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24