压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法及压气机与流程

本发明涉及压气机技术领域，尤其是涉及一种压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法及使用该方法的压气机。

背景技术：

在实际发动机设计中，为提高压气机非设计点性能，拓宽工作范围，提升飞机的机动性能，常常在转子前增加静叶。结构上，为了实现叶片可调，叶片和端壁之间不可避免地存在径向间隙，间隙泄漏流与通道涡、吸力面附面层相互干扰、掺混，使得气动损失大幅增加。

由于叶片吸力面和压力面压差的存在，叶片和端壁之间的间隙会诱发端壁区域的间隙泄漏流动，从而降低压气机的效率、压比、流量以及引发匹配问题。研究表明，现有的高负荷压气机的静叶与端壁间的间隙流动引发的损失比较大，甚至占到了总损失的三分之一，其中，静叶为可调静叶或悬臂式静叶，端壁为轮毂或机匣，静叶与端壁间的间隙流动，主要有三种情况：可调静叶与轮毂间的间隙流动、可调静叶与机匣间的间隙流动、悬臂式静叶与轮毂间的间隙流动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法及压气机，以解决现有技术中存在的高负荷压气机的静叶与端壁间的间隙流动引发的损失比较大的技术问题。

本发明提供了一种压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法，所述压气机包括静叶、轮毂与机匣，

当所述端壁为轮毂，且所述静叶为可调静叶时，在所述可调静叶的叶根与所述轮毂之间设置间隙，并在所述轮毂上开设第一抽吸气道，且所述第一抽吸气道位于所述可调静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流；

当所述端壁为轮毂，且所述静叶为悬臂式静叶时，在所述悬臂式静叶的叶根与所述轮毂之间设置间隙，并在所述轮毂上开设第一抽吸气道，且所述第一抽吸气道位于所述悬臂式静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流；

当所述端壁为机匣，且所述静叶为可调静叶时，在所述可调静叶的叶顶与所述机匣之间设置间隙，并在所述机匣上开设第二抽吸气道，且所述第二抽吸气道位于所述可调静叶的叶顶的上方，用于抽吸间隙泄漏流。

本发明还提供了一种压气机，包括静叶、轮毂与机匣；

所述静叶的叶根与所述轮毂之间设置有间隙，所述轮毂上开设有第一抽吸气道，且所述第一抽吸气道位于所述静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流；

和/或，所述静叶的叶顶与所述机匣之间设置有间隙，所述机匣上开设有第二抽吸气道，且所述第二抽吸气道位于所述静叶的叶顶的上方，用于抽吸间隙泄漏流。

进一步地，所述静叶为可调静叶。

进一步地，所述第一抽吸气道位于所述静叶的叶根的正下方；所述第二抽吸气道位于所述静叶的叶顶的正上方。

进一步地，所述第一抽吸气道为抽吸孔和/或抽吸槽；所述第二抽吸气道为抽吸孔和/或抽吸槽。

进一步地，所述第一抽吸气道的数量为多个，且多个所述第一抽吸气道沿所述静叶的叶根与所述轮毂之间的间隙的长度方向间隔分布。

进一步地，所述静叶的叶根与所述轮毂之间的间隙的长度方向上具有三个分段，依次为前缘段、中部段和尾缘段；

多个所述第一抽吸气道分布于所述前缘段、所述中部段或所述尾缘段中的至少一段。

进一步地，所述第二抽吸气道的数量为多个，且多个所述第二抽吸气道沿所述静叶的叶顶与所述机匣之间的间隙的长度方向间隔分布。

进一步地，所述静叶的叶顶与所述机匣之间的间隙的长度方向上具有三个分段，依次为前缘段、中部段和尾缘段；

多个所述第二抽吸气道分布于所述前缘段、所述中部段或所述尾缘段中的至少一段。

本发明还提供了一种压气机，包括静叶与轮毂；

所述静叶的叶根与所述轮毂之间设置有间隙，所述轮毂上开设有第一抽吸气道，且所述第一抽吸气道位于所述静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流；

所述静叶为悬臂式静叶。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法及压气机，通过在端壁上开设第一抽气通道或第二抽气通道，并利用附面层吸除技术对间隙流动进行合理控制，以减少高负荷压气机的静叶与端壁间的间隙流动引发的损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中进行附面层抽吸时端壁流动形态示意图。

图2为本发明实施例一中间隙内抽吸前端壁分离线的位置与抽吸后端壁分离线的位置的对比示意图；

图3为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的结构示意图；

图4为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第二种变形结构的示意图；

图5为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第三种变形结构的示意图；

图6为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第四种变形结构的示意图；

图7为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第五种变形结构的示意图；

图8为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第六种变形结构的示意图；

图9为本发明实施例二中轮毂上开设有第一抽吸气道的第七种变形结构的示意图；

图10为本发明实施例二中机匣上开设有第二抽吸气道的结构示意图。

附图标记：

101-静叶；102-轮毂；103-机匣；104-吸力面；

105-抽吸后端壁分离线；106-抽吸孔；107-抽吸槽；

108-抽吸前端壁分离线；109-间隙；110-间隙泄漏流；

111-抽吸气流；112-长条块；113-端壁。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

参见图1和图2所示，本发明实施例一公开了一种压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法，该控制方法中，压气机包括静叶101、轮毂与机匣；

当端壁为轮毂，且静叶为可调静叶时，在可调静叶的叶根与轮毂之间设置间隙，并在轮毂上开设第一抽吸气道，且第一抽吸气道位于可调静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流110；具体而言，第一抽吸气道为抽吸孔或抽吸槽，抽吸孔的横截面呈圆形或椭圆形；抽吸槽的横截面呈矩形。在轮毂上开设有第一抽吸气道的数量为多个，多个第一抽吸气道沿可调静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度方向布设，具体的布设方式，可以根据实际情况来确定。

当端壁为轮毂，且静叶为悬臂式静叶时，在悬臂式静叶的叶根与轮毂之间设置间隙，并在轮毂上开设第一抽吸气道，且第一抽吸气道位于悬臂式静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流110；具体而言，第一抽吸气道为抽吸孔或抽吸槽，抽吸孔的横截面呈圆形或椭圆形；抽吸槽的横截面呈矩形。在轮毂上开设有第一抽吸气道的数量为多个，多个第一抽吸气道沿悬臂式静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度方向布设，具体的布设方式，可以根据实际情况来确定。

当端壁为机匣，且静叶为可调静叶时，在可调静叶的叶顶与机匣之间设置间隙，并在机匣上开设第二抽吸气道，且第二抽吸气道位于可调静叶的叶顶的上方，用于抽吸间隙泄漏流110。具体而言，第一抽吸气道为抽吸孔或抽吸槽，抽吸孔的横截面呈圆形或椭圆形；抽吸槽的横截面呈矩形。在轮毂上开设有第二抽吸气道的数量为多个，多个第二抽吸气道沿可调静叶的叶根与机匣之间的间隙的长度方向布设，具体的布设方式，可以根据实际情况来确定。

另外，在利用附面层吸除技术时，可通过抽吸泵连接第一抽吸气道、第二抽吸气道来实现对间隙泄漏流110的抽吸，或者利用压气机的内部与外部的压差来实现，由于压气机的内部压力比外部压力高，因此也可以实现抽吸。

需要说明的是，压气机包括可调静叶和/或悬臂式静叶的情形，可调静叶的叶顶与机匣之间会存在间隙，可调节静叶的叶根与轮毂之间会存在间隙。而悬臂式静叶一般只有其叶根轮毂存在间隙。

在压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法中，抽吸孔或抽吸槽的数量及利用附面层吸除技术进行抽吸的量的具体设计方法为：

步骤1、利用数值方法对高负荷压气机的流场，特别是间隙处的流场进行模拟，获取该高负荷压气机的间隙处及主流的详细流场结构和分离形态；

步骤2、根据在间隙流动作用下端壁分离线的位置，结合其他三维流动特征，推断间隙泄漏流110的强度，并根据高负荷压气机的结构设计对机械强度的要求，选取合适的抽吸结构，即在抽吸孔、抽吸槽中选择其一或其结合。

步骤3、选择好抽吸结构后，再通过数值建模、仿真，并根据计算出的三维流场及总气动参数(压气机级效率、单列静叶计算的总压损失系数)选择能达到设计指标的最少数量的抽吸孔或抽吸槽，以及最少的抽吸流量，以使得该控制方法对压气机整体强度影响达到最小。

参见图2所示，该实施例中，在未对间隙109进行附面层抽吸时，抽吸前端壁分离线108与静叶的吸力面104距离较大，这意味着间隙泄漏流110与通道涡会发生较大的掺混作用，引起损失增大。另外，从图2中可以看出在对间隙进行附面层抽吸之后，抽吸后端壁分离线105与吸力面104距离大大缩小，在间隙下方的端壁113布置的足够抽吸孔106或抽吸槽时，其抽吸后端壁分离线105可以达到和无间隙时相近的流动形态，从而大大减弱泄漏流与主流的掺混作用，降低气动损失；其中，端壁为轮毂或机匣。图2中抽吸孔106位于静叶的叶型在端壁上的投影区域中。

综上，本发明实施例一提供的压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法，通过在端壁上开设第一抽气通道或第二抽气通道，利用附面层抽吸吸除部分间隙泄漏流110流体，实现对间隙流动进行合理控制，以有效降低间隙泄漏流110的动能，从而产生和减小间隙时相似的流动形态和气动性能，并减少高负荷压气机的静叶与端壁间的间隙流动引发的损失，达到有效的抑制流道内复杂三维流动分离，并降低损失和增大折转角，降低叶栅损失，增强压气机扩压能力，提高通流效率和喘振裕度，从而大幅提升压气机的气动性能。

实施例二

参见图3至图10所示，本发明提供了一种压气机，包括静叶101、轮毂102与机匣103；静叶101的叶根与轮毂之间设置有间隙，轮毂上开设有第一抽吸气道，且第一抽吸气道位于静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流110；

和/或，静叶的叶顶与机匣之间设置有间隙，机匣上开设有第二抽吸气道，且第二抽吸气道位于静叶的叶顶的上方，用于抽吸间隙泄漏流110。

该实施例中，静叶为可调静叶。需要说明的是，该实施例中，可调静叶的结构及静叶在压气机中的安装方式未作改进，还有可调静叶、轮毂、机匣三者之间的连接关系也未作改进，因此不对其进行详细描述。

该实施例二中，第一抽吸气道位于静叶的叶根的正下方，也就是说，第一抽吸气道位于静叶的叶根在轮毂上的正投影区域中；第二抽吸气道位于静叶的叶顶的正上方，也就是说，第二抽吸气道位于静叶的叶顶在机匣上的正投影区域中。

该实施例中，第一抽吸气道为抽吸孔和/或抽吸槽；第二抽吸气道为抽吸孔和/或抽吸槽，其中，抽吸孔的横截面呈圆形或椭圆形；抽吸槽的横截面呈矩形。抽吸孔和抽吸槽均贯穿端壁。

该实施例中，第一抽吸气道的数量为多个，且多个第一抽吸气道沿静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度方向间隔分布，也就是说，多个第一抽吸气道沿静叶的叶根在轮毂上的正投影区域的长度方向间隔分布。需要说明的是，还可以根据静叶的中弧线在轮毂上的正投影的延伸方向间隔分布。

该实施例中，静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度方向上具有三个分段，依次为前缘段、中部段和尾缘段，其中，前缘段、中部段和尾缘段三者的长度可以相等，也可以不等；多个第一抽吸气道分布于前缘段、中部段或尾缘段中的至少一段。具体而言，沿静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度分为三分段；

多个第一抽吸气道分布于每个分段，且多个第一抽吸气道中沿静叶的叶根与轮毂之间的间隙的长度方向等间距分布，参见图3所示；

或多个第一抽吸气道只分布于前缘段，多个第一抽吸气道在前缘段中等间距分布，中部段和尾缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图4所示；

或多个第一抽吸气道只分布于中部段，多个第一抽吸气道在中部段中等间距分布，前缘段和尾缘段分别设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图5所示；

或多个第一抽吸气道只分布于尾缘段，多个第一抽吸气道在尾缘段中等间距分布，前缘段和中部段分别设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图6所示；

或多个第一抽吸气道只分布于前缘段和中部段，多个第一抽吸气道在前缘段和中部段等间距分布，尾缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图7所示；

或多个第一抽吸气道只分布于前缘段和尾缘段，多个第一抽吸气道在前缘段和尾缘段等间距分布，中部段设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图8所示；

或多个第一抽吸气道只分布于中部段和尾缘段，多个第一抽吸气道在中部段和尾缘段等间距分布，前缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于轮毂上，参见图9所示。

需要说明的是，图4至图9中的第一抽吸气道为抽吸孔106，还需要说明的是，多个第一抽吸气道在前缘段、中部段、尾缘段中的分布间距还可以根据实际情况做任意的调整。

该实施例另一可选方案中，第二抽吸气道的数量为多个，且多个第二抽吸气道沿静叶101的叶顶与机匣103之间的间隙的长度方向间隔分布，也就是说，多个第二抽吸气道沿静叶的叶顶在机匣上的正投影区域的长度方向间隔分布。需要说明的是，还可以根据静叶的中弧线在机匣上的正投影的延伸方向间隔分布。需要说明的是，当设置有为抽吸槽时，可以只设置一个抽吸槽，该抽吸槽的长度等于静叶与端壁的间隙的长度。

进一步地，该另一可选方案中，静叶101的叶顶与机匣103之间的间隙的长度方向上具有三个分段，依次为前缘段、中部段和尾缘段，其中，前缘段、中部段和尾缘段三者的长度可以相等，也可以不等；多个第二抽吸气道分布于前缘段、中部段或尾缘段中的至少一段；具体而言，沿静叶的叶顶与机匣之间的间隙的长度分为三分段；参见图10所示，多个第二抽吸气道分布于每个分段，且多个第二抽吸气道中沿静叶的叶顶与机匣之间的间隙的长度方向等间距分布，图10中的第二抽吸气道为抽吸槽107；

或多个第二抽吸气道只分布于前缘段，多个第二抽吸气道在前缘段中等间距分布，中部段和尾缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上；

或多个第二抽吸气道只分布于中部段，多个第二抽吸气道在中部段中等间距分布，前缘段和尾缘段分别设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上；

或多个第二抽吸气道只分布于尾缘段，多个第二抽吸气道在尾缘段中等间距分布，前缘段和中部段设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上；

或多个第二抽吸气道只分布于前缘段和中部段，多个第二抽吸气道在前缘段和中部段等间距分布，尾缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上；

或多个第二抽吸气道只分布于前缘段和尾缘段，多个第二抽吸气道在前缘段和尾缘段等间距分布，中部段设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上；

或多个第二抽吸气道只分布于中部段和尾缘段，多个第二抽吸气道在中部段和尾缘段等间距分布，前缘段设置有长条块112，且该长条块112固定于机匣上。

需要说明的是，长条块112为可调静叶的旋转部件中一部分，或可调静叶在调整安装角时与端壁形成的结构。还需要说明的是，多个第二抽吸气道在前缘段、中部段、尾缘段中的分布间距还可以根据实际情况做任意的调整。

该实施例中，在利用附面层吸除技术时，可通过抽吸泵连接第一抽吸气道、第二抽吸气道来实现对间隙泄漏流110的抽吸，或者利用压气机的内部与外部(包括大气环境或压气机前面级或涡轮)的压差来实现，由于压气机的内部压力比外部压力高，因此也可以实现抽吸。

综上，本发明实施例二提供的压气机，通过在轮毂上开设第一抽气通道或在机匣上开设第二抽气通道，利用附面层抽吸吸除部分间隙泄漏流110流体，实现对间隙流动进行合理控制，以有效降低间隙泄漏流110的动能，从而产生和减小间隙时相似的流动形态和气动性能，并减少高负荷压气机的可调静叶与端壁间的间隙流动引发的损失，达到有效的抑制流道内复杂三维流动分离，并降低损失和增大折转角，降低叶栅损失，增强压气机扩压能力，提高通流效率和喘振裕度，从而大幅提升压气机的气动性能。

实施例三

本发明实施例二也提供了一种压气机，该实施例的压气机描述了所述静叶的另一种技术方案，除此之外的实施例二的技术方案也属于该实施例，不再重复描述。

该实施例三中压气机，包括静叶与轮毂；静叶的叶根与轮毂之间设置有间隙，轮毂上开设有第一抽吸气道，且第一抽吸气道位于静叶的叶根的下方，用于抽吸间隙泄漏流110；静叶为悬臂式静叶。

需要说明的是，该实施例三中，第一抽吸气道的结构及在轮毂上的布设方式参见实施例二公开的技术内容，不再重复描述。

综上，本发明实施例提供的压气机的静叶与端壁间的间隙流动控制方法及压气机，可以解决高负荷压气机中可调静叶或悬臂式静叶中的叶尖间隙泄漏流110引发的流动堵塞、匹配、损失增大等一系列问题，还可以以解决在高负荷扩压叶栅中，由于负荷增加造成泄漏流增强，从而使得间隙泄漏流110与通道涡、吸力面104附面层甚至是相邻叶片的压力面附面层相互干扰、掺混作用增强，最终损失增大、压比、裕度下降的问题。另外，并且针对不同间隙的几何形状(例如不同的间隙高度、不同的间隙长度)和不同的间隙泄漏流110强度(不同的负荷)，同时结合压气机结构强度的要求，对抽吸结构和抽吸量进行优化，已达到在满足设计指标的前提下，尽量减小抽吸流量和抽吸槽/或抽吸孔的数量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。