一种根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片的制作方法

本发明涉及抑制压气机静叶三维角区分离的压气机静子叶片设计方案，尤其涉及一种根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片，属于叶轮机械技术领域的被动流动控制技术。

背景技术：

压气机是航空燃气涡轮发动机的核心组成部件，由多级转子和静子顺序交错排列组成，其功用是提高气体压升。

在压气机内部的流动中，大的逆压梯度所造成的叶片及端壁角区二次流是一种固有且复杂的流动现象，因此产生的损失是压气机内部流动的主要损失源；三维角区分离/失速造成的流动拥堵使得压气机性能急剧下降，对压气机的压比、效率、裕度等性能有着至关重要的影响。

经过几十年的研究，众多科研工作者们已经对压气机三维角区流动机理有了较深的认识，但是由于其流动结构的复杂性，以及实验测量、数值模拟的局限性、可靠性，目前还未能很好地根据已有机理研究结果实现压气机三维角区分离流动的准确预测及可靠控制；对压气机三维角区分离流动机理、流动预测以及流动控制的研究，始终是高性能压气机设计所关注的重点问题。

目前，针对压气机静子叶片三维角区分离与失速的流动控制技术，从是否额外引入能量，主要可以分为主动控制技术和被动控制技术两大类：主动控制技术主要有等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等；被动控制技术主要有旋涡发生器、翼刀、端壁造型等；主动控制技术适应范围广，收益明显，但需要额外引入能量，不易于工程实现；现有的传统被动控制技术，不具有自适应性，有效工作的工况范围往往有限，未能解决工程上下一代高负荷压气机角区分离的问题。

技术实现要素：

(一)待解决的技术问题

本发明的目的在于，提出一种根部具有串联布置多段叶型的大弯折角压气机静子叶片，在不同来流工况下，通过串联的多段叶型间的间隙在压差作用下产生自适应射流，作用于静子叶片端区的低能流体，携带其向下游发展，抑制由于低能流体团在静子叶片端区堆积造成的三维角区分离/失速的产生，改善流通能力，拓宽压气机静子叶片的有效工作工况范围，提升压气机静子叶片在不同工况下的性能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片，包括轮毂端壁、机匣端壁和静子叶片，所述静子叶片在轮毂端壁及机匣端壁间环列布置；所述静子叶片由静子叶片主体、机匣侧串联小叶片和轮毂侧串联小叶片构成；所述静子叶片主体在与机匣端壁连接侧布置有机匣侧串联小叶片一、机匣侧串联小叶片二和机匣侧串联小叶片三；所述静子叶片主体在与轮毂机匣端壁连接侧布置有轮毂侧串联小叶片一、轮毂侧串联小叶片二和轮毂侧串联小叶片三。

其中，所述静子叶片具有不低于43°的弯折角。

其中，所述机匣侧串联小叶片一、机匣侧串联小叶片二、机匣侧串联小叶片三均采用曲率连续的翼型设计；所述轮毂侧串联小叶片一、轮毂侧串联小叶片二、轮毂侧串联小叶片三均采用曲率连续的翼型设计。

其中，所述机匣侧串联小叶片一、机匣侧串联小叶片二、机匣侧串联小叶片三具有相同的展向高度且不超过机匣端壁与轮毂端壁距离的20％；所述轮毂侧串联小叶片一、轮毂侧串联小叶片二、轮毂侧串联小叶片三具有相同的展向高度且不超过机匣端壁与轮毂端壁距离的20％；所述机匣侧串联小叶片与所述轮毂侧串联小叶片可具有相同或不同的展向高度。

其中，所述机匣侧串联小叶片一、机匣侧串联小叶片二、机匣侧串联小叶片三沿流向顺序布置在静子叶片前缘到静子叶片尾缘间，所述机匣侧串联小叶片一压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线局部贴合，所述机匣侧串联小叶片一吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线一致，所述机匣侧串联小叶片二压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线局部贴合，所述机匣侧串联小叶片二吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线局部贴合，所述机匣侧串联小叶片三压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线一致，所述机匣侧串联小叶片三吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线局部贴合；所述机匣侧串联小叶片一、机匣侧串联小叶片二、机匣侧串联小叶片三的叶型均不超出静子叶片主体叶型范围且几何型线一致部分沿展向光滑过渡；所述机匣侧串联小叶片一与静子叶片主体具有相同的前缘几何，所述机匣侧串联小叶片二前缘半径不大于静子叶片前缘半径，所述机匣侧串联小叶片三前缘半径不大于静子叶片前缘半径，所述机匣侧串联小叶片一尾缘半径不超过静子叶片尾缘半径的50％，所述机匣侧串联小叶片二尾缘半径不超过静子叶片尾缘半径的50％，所述机匣侧串联小叶片三与静子叶片主体具有相同的尾缘几何；所述机匣侧串联小叶片二前缘到静子叶片前缘的距离le2不大于机匣侧串联小叶片一尾缘到静子叶片前缘的距离te1，所述机匣侧串联小叶片三前缘到静子叶片前缘的距离le3不大于机匣侧串联小叶片二尾缘到静子叶片前缘的距离te2；所述机匣侧串联小叶片一型面到机匣侧串联小叶片二型面间的最小距离t1位于机匣侧串联小叶片一尾缘处，且其数值不超过静子叶片最大厚度的1/3，所述机匣侧串联小叶片二型面到机匣侧串联小叶片三型面间的最小距离t2位于机匣侧串联小叶片二尾缘处，且其数值不超过静子叶片最大厚度的1/3，所述距离t1与所述距离t2间无关联；所述机匣侧串联小叶片二吸力面在与静子叶片主体吸力面过渡处曲率半径为r1，且t1与r1的比值不大于0.05，所述机匣侧串联小叶片三吸力面在与静子叶片主体吸力面过渡处曲率半径为r2，且t2与r2的比值不大于0.05。

其中，所述轮毂侧串联小叶片一、轮毂侧串联小叶片二、轮毂侧串联小叶片三沿流向顺序布置在静子叶片前缘到静子叶片尾缘间，所述轮毂侧串联小叶片一压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线局部贴合，所述轮毂侧串联小叶片一吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线一致，所述轮毂侧串联小叶片二压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线局部贴合，所述轮毂侧串联小叶片二吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线局部贴合，所述轮毂侧串联小叶片三压力面与静子叶片压力面同侧且几何型线一致，所述轮毂侧串联小叶片三吸力面与静子叶片吸力面同侧且几何型线局部贴合；所述轮毂侧串联小叶片一、轮毂侧串联小叶片二、轮毂侧串联小叶片三的叶型均不超出静子叶片主体叶型范围且几何型线一致部分沿展向光滑过渡；所述轮毂侧串联小叶片一与静子叶片主体具有相同的前缘几何，所述轮毂侧串联小叶片二前缘半径不大于静子叶片前缘半径，所述轮毂侧串联小叶片3前缘半径不大于静子叶片前缘半径，所述轮毂侧串联小叶片一尾缘半径不超过静子叶片尾缘半径的50％，所述轮毂侧串联小叶片二尾缘半径不超过静子叶片尾缘半径的50％，所述轮毂侧串联小叶片三与静子叶片主体具有相同的尾缘几何；所述轮毂侧串联小叶片二前缘到静子叶片前缘的距离le2不大于轮毂侧串联小叶片一尾缘到静子叶片前缘的距离te1，所述轮毂侧串联小叶片三前缘到静子叶片前缘的距离le3不大于轮毂侧串联小叶片二尾缘到静子叶片前缘的距离te2；所述轮毂侧串联小叶片一型面到轮毂侧串联小叶片二型面间的最小距离t1位于轮毂侧串联小叶片一尾缘处，且其数值不超过静子叶片最大厚度的1/3，所述轮毂侧串联小叶片二型面到轮毂侧串联小叶片三型面间的最小距离t2位于轮毂侧串联小叶片二尾缘处，且其数值不超过静子叶片最大厚度的1/3，所述距离t1与所述距离t2间无关联；所述轮毂侧串联小叶片二吸力面在与静子叶片主体吸力面过渡处曲率半径为r1，且t1与r1的比值不大于0.05，所述轮毂侧串联小叶片三吸力面在与静子叶片主体吸力面过渡处曲率半径为r2，且t2与r2的比值不大于0.05。

其中，所述机匣侧串联小叶片一与所述轮毂侧串联小叶片一可具有相同或不同的叶型几何，所述机匣侧串联小叶片二与所述轮毂侧串联小叶片二可具有相同或不同的叶型几何，所述机匣侧串联小叶片三与所述轮毂侧串联小叶片三可具有相同或不同的叶型几何。

(三)有益效果

本发明提供的压气机静子叶片，具有以下有益效果：

(1)设置根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片，通过串联的小叶片连接静子叶片主体与轮毂、机匣端壁，在静子叶片压力面侧与吸力面侧压差作用下，使得静子叶片压力面侧端区流体通过三段小叶片间的间隙，流向吸力面侧，形成速度略大于当地主流速度的自适应射流，重构端区流场，达到抑制压气机静子叶片三维角区分离流动的效果。

(2)在不同来流工况，来自静子叶片根部串联小叶片间隙的自压差射流均能有效作用于静子叶片根部的低能流体，携带其向下游发展，抑制大弯角下由于低能流体团在静子叶片端区堆积造成的三维角区分离/失速的产生，改善静叶通道流通能力，拓宽压气机静子叶片的有效工作工况范围，提升压气机静子叶片在不同工况下的性能。

(3)与传统被动流动方法相比，根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片在几何及气动设计可实现与原始叶型相关联的一体化设计，在带来性能收益的同时缩减了设计周期，具有较好的工程运用前景。

附图说明

图1是一种具有根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片通道吸力面侧示意图；

图2是一种具有根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片通道压力面侧示意图；

图3是机匣侧/轮毂侧串联的多段小叶片截面示意图；

图中，1：轮毂端壁；2：机匣端壁；3：静子叶片；4：机匣侧串联小叶片一；5：机匣侧串联小叶片二；6：机匣侧串联小叶片三；7：机匣侧串联小叶片一压力面；8：机匣侧串联小叶片二压力面；9：机匣侧串联小叶片三压力面；10：机匣侧串联小叶片一吸力面；11：机匣侧串联小叶片二吸力面；12：机匣侧串联小叶片三吸力面；13：机匣侧串联小叶片一前缘；14：机匣侧串联小叶片二前缘；15：机匣侧串联小叶片三前缘；16：机匣侧串联小叶片一尾缘；17：机匣侧串联小叶片二尾缘；18：机匣侧串联小叶片三尾缘；19：静子叶片吸力面；20：轮毂侧串联小叶片一；21：轮毂侧串联小叶片二；22：轮毂侧串联小叶片三；23：轮毂侧串联小叶片一压力面；24：轮毂侧串联小叶片二压力面；25：轮毂侧串联小叶片三压力面；26：轮毂侧串联小叶片一吸力面；27：轮毂侧串联小叶片二吸力面；28：轮毂侧串联小叶片三吸力面；29：轮毂侧串联小叶片一前缘；30：轮毂侧串联小叶片二前缘；31：轮毂侧串联小叶片三前缘；32：静子叶片前缘；33：静子叶片压力面；34：轮毂侧串联小叶片一尾缘；35：轮毂侧串联小叶片二尾缘；36：轮毂侧串联小叶片三尾缘；37：静子叶片尾缘。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明的大弯折角压气机静子叶片具有53°的叶型弯角，包括轮毂端壁1、机匣端壁2和静子叶片3，其中静子叶片3在机匣端壁2和轮毂端壁1间环列布置。静子叶片3由静子叶片主体38、机匣侧串联小叶片一4、机匣侧串联小叶片二5、机匣侧串联小叶片三6、轮毂侧串联小叶片一20、轮毂侧串联小叶片二21、轮毂侧串联小叶片三22构成；机匣侧串联小叶片一4、机匣侧串联小叶片二5、机匣侧串联小叶片三6用于连接静子叶片主体38与机匣端壁2，其叶型截面均采用曲率连续的翼型设计且具有相同的展向高度，在本实施例中设为机匣端壁2与轮毂端壁1间距离的20％；轮毂侧串联小叶片一20、轮毂侧串联小叶片二21、轮毂侧串联小叶片三22用于连接静子叶片主体38与轮毂端壁1，其叶型截面均采用曲率连续的翼型设计且具有相同的展向高度，在本实施例中设为机匣端壁2与轮毂端壁1间距离的20％；在本实施案例中机匣侧串联小叶片4，5，6与轮毂侧串联小叶片20，21，22具有相同的展向高度值。

如图3所示的机匣侧/轮毂侧根部串联的多段小叶片截面示意图给出了机匣侧/轮毂侧根部串联的多段小叶片4，5，6(20，21，22)叶型与静子叶片主体38叶型间的关系。

在机匣端壁2侧，机匣侧串联小叶片一4、机匣侧串联小叶片二5、机匣侧串联小叶片三6沿流向顺序布置在静子叶片前缘32到静子叶片尾缘37间，为了减小型面损失，机匣侧串联小叶片4，5，6叶型均未超出静子叶片主体38叶型的范围；机匣侧串联小叶片一压力面7与静子叶片压力面33同侧且几何型线局部贴合，其吸力面10与静子叶片吸力面19同侧且几何型线一致，其前缘13与静子叶片前缘32具有相同的几何，以避免不连续的前缘几何所造成的流动损失，其尾缘16半径不超过静子叶片尾缘37半径的50％，在避免结构上应力集中的同时减小由小叶片尾迹造成的掺混损失；机匣侧串联小叶片二压力面8与静子叶片压力面33同侧且几何型线局部贴合，其吸力面11与静子叶片吸力面19同侧且几何型线局部贴合，其前缘14半径不大于静子叶片前缘32半径，其尾缘17半径不超过静子叶片尾缘37半径的50％，；机匣侧串联小叶片三压力面9与静子叶片压力面33同侧且几何型线一致，其吸力面12与静子叶片吸力面19同侧且几何型线局部贴合，其前缘15半径不大于静子叶片前缘32半径，其尾缘18与静子叶片尾缘37具有相同的几何，从而保证静子叶片3出口具有更均匀的气流角分布。在机匣侧串联小叶片4，5，6相对位置关系上，机匣侧串联小叶片二前缘14到静子叶片前缘32的距离le2小于机匣侧串联小叶片一尾缘16到静子叶片前缘32的距离te1，机匣侧串联小叶片三前缘15到静子叶片前缘32的距离le3小于机匣侧串联小叶片二尾缘17到静子叶片前缘32的距离te2，使得相邻两段小叶片4与5，5与6之间具有轴向重叠度；机匣侧串联小叶片一4的型面到机匣侧串联小叶片二5的型面间的最小距离t1位于机匣侧串联小叶片一尾缘16处，且其数值小于静子叶片3最大厚度的1/3，机匣侧串联小叶片二5的型面到机匣侧串联小叶片三6的型面间的最小距离t2位于机匣侧串联小叶片二尾缘17处，且其数值小于静子叶片3最大厚度的1/3，其中，距离t1与距离t2为独立参数，两者之间无关联。机匣侧串联小叶片二吸力面11在与静子叶片吸力面19过渡处曲率半径为r1，且t1与r1的比值不大于0.05，机匣侧串联小叶片三吸力面12在与静子叶片吸力面19过渡处曲率半径为r2，且t2与r2的比值不大于0.05。t1与r1，t2与r2的比值约束使得相邻两段小叶片4与5,5与6间所形成的缝隙出口自压差射流满足科恩达条件，具有附壁效应。

在轮毂端壁1侧，轮毂侧串联小叶片一20、轮毂侧串联小叶片二21、轮毂侧串联小叶片三22与机匣端壁2侧具有同样的分布规律，其沿流向顺序布置在静子叶片前缘32到静子叶片尾缘37间，为了减小型面损失，轮毂侧串联小叶片20，21，22叶型均未超出静子叶片主体38叶型的范围；轮毂侧串联小叶片一压力面23与静子叶片压力面33同侧且几何型线局部贴合，其吸力面26与静子叶片吸力面19同侧且几何型线一致，其前缘29与静子叶片前缘32具有相同的几何，以避免不连续的前缘几何所造成的流动损失，其尾缘34半径不超过静子叶片尾缘37半径的50％，以在避免结构上应力集中的同时减小小叶片尾迹造成的掺混损失；轮毂侧串联小叶片二压力面24与静子叶片压力面33同侧且几何型线局部贴合，其吸力面27与静子叶片吸力面19同侧且几何型线局部贴合，其前缘30半径不大于静子叶片前缘32半径，其尾缘35半径不超过静子叶片尾缘37半径的50％，；轮毂侧串联小叶片三压力面25与静子叶片压力面33同侧且几何型线一致，其吸力面28与静子叶片吸力面19同侧且几何型线局部贴合，其前缘31半径不大于静子叶片前缘32半径，其尾缘36与静子叶片尾缘37具有相同的几何，从而保证静子叶片出口具有更均匀的气流角分布。在轮毂侧串联小叶片20，21，22相对位置关系上，轮毂侧串联小叶片二前缘30到静子叶片前缘32的距离le2小于轮毂侧串联小叶片一尾缘34到静子叶片前缘32的距离te1，轮毂侧串联小叶片三前缘31到静子叶片前缘32的距离le3小于轮毂侧串联小叶片二尾缘35到静子叶片前缘32的距离te2，使得相邻两段小叶片20与21，21与22之间具有轴向重叠度；轮毂侧串联小叶片一20的型面到轮毂侧串联小叶片二21的型面间的最小距离t1位于轮毂侧串联小叶片一尾缘34处，且其数值小于静子叶片3最大厚度的1/3，轮毂侧串联小叶片二21的型面到轮毂侧串联小叶片三22的型面间的最小距离t2位于轮毂侧串联小叶片二尾缘35处，且其数值小于静子叶片3最大厚度的1/3，其中，距离t1与距离t2为独立参数，两者之间无关联。轮毂侧串联小叶片二吸力面27在与静子叶片吸力面19过渡处曲率半径为r1，且t1与r1的比值不大于0.05，使得轮毂侧串联小叶片三吸力面28在与静子叶片吸力面19过渡处曲率半径为r2，且t2与r2的比值不大于0.05。t1与r1，t2与r2的比值约束使得相邻两段小叶片20与21,21与22间缝隙出口的自压差射流满足科恩达条件，具有附壁效应。

在实际使用过程中，来自于压气机静子叶片前的动叶出口气流作用于静子叶片3，自静子叶片前缘32到静子叶片尾缘37绕流该叶片，绕过静子叶片吸力面19的流体在静子叶片主体38部分受机匣端壁2和轮毂端壁1影响较小，具有较好的二维附壁流动特性；绕过静子叶片吸力面19的流体在静子叶片压力面33与静子叶片吸力面19间横向压力梯度的作用下产生端壁横流，在传统的压气机静叶级中，该部分流体自端壁1，2作用于静子叶片吸力面19，产生二次流结构，所形成的低能流体团堆积在端壁角区，造成流道拥堵，使得总压损失急剧增大、静子叶片性能急剧下降；本发明所提出的一种根部串联多段叶型的大弯折角压气机静子叶片3，在机匣2侧/轮毂1侧叶根部，由静子叶片压力面33与吸力面19的压差作用，在连接静子叶片主体38与机匣端壁2/轮毂端壁1的小叶片4与5，5与6，20与21，21与22间会形成速度略大于主流速度的自压差射流，为机匣端壁2/轮毂端壁1角区二次流作用下形成的低能流体团流体提供能量，携带其向下游发展，起到抑制压气机静子叶片三维角区分离流动，减弱静子叶片通道流动拥堵，增加流通能力，改善压气机静子叶片性能的效果。

实施例1中所述方案，已在真实应用马赫数(ma＝0.59)条件下进行了相关实验验证，在-4°、-1.69°、0°、2°、4°来流攻角工况分别获得了降低总压损失系数1.5％、18.4％、20.6％、24.3％、39.4％的收益，并将低总压损失系数所对应的有效工作攻角范围增大到原始静子叶片的150％。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于本实施例的机匣侧串联小叶片一4与轮毂侧串联小叶片一20具有不同的叶型几何，机匣侧串联小叶片二5与所述轮毂侧串联小叶片二21具有不同的叶型几何，机匣侧串联小叶片三6与轮毂侧串联小叶片三22具有不同的叶型几何，机匣侧串联小叶片4，5，6展向高度大于轮毂侧串联小叶片20，21，22展向高度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。