一种带前缘局部串列小叶的轴流压气机叶片

1.本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种带前缘局部串列小叶的轴流压气机叶片。


背景技术：

2.叶轮机械在国防科技领域中发挥着非常重要的作用，无论是在航空、航天、航海领域还是能源化工，机械设计等领域，叶轮机械都是备受关注的部件。其中压气机是叶轮机械的重要组成部分，随着当前压气机单级压比和效率不断提高，压气机通道内的逆压梯度也不断增大，进而导致附面层分离损失和二次流损失增大，严重时甚至使发动机叶片出现损坏。因此，随着压气机叶片负荷的增大，设计新的叶片结构，发展流动控制技术对改善压气机性能，拓宽压气机稳定工作裕度具有重要的意义。
3.先进的流动控制手段应在消耗尽可能少或者不消耗能量的情况下，实现最优的控制效果。一种能够有效提高压气机叶片气动性能的方式是采用涡流发生器(vortex generator，vg)。vg能够诱导气流产生涡动量，使近壁面的层流附面层提前转捩为湍流附面层，从而提高附面层内流体的抗分离能力，这种装置不仅结构简单，便于设计，而且可靠性高，适用于多种工况条件，因此被广泛应用于压气机中。同时现有技术中指出vg对叶栅损失的影响，并指出vg结构的引入有利于叶栅的失速边界向更高攻角方向移动。还有文献公开了vg引发的诱导涡有利于降低叶栅中部的分离损失。
4.另一种能够控制压气机内流动分离的方式是采用串列叶片，串列叶片是由相距很近的前后两排叶片构成的组合叶片，高能来流在经过前后叶片间收敛缝隙流道的加速作用后，沿后叶吸力面射出，一方面吹除了前叶尾迹的低能流体，另一方面使附面层重新在后叶前缘生成，因此串列叶片能够支持更大的气动载荷，而不会带来过大的气动损失。现有技术中通过对单列叶栅与串列叶栅的性能对比试验得出：设计状态下相比单列叶栅，串列叶栅能够显著降低流动损失同时提高增压比。
5.但是基于以上现有技术的记载，涡流发生器产生的诱导涡流无法对较大叶展范围内的流动进行控制，而串列叶片由于具有两排叶片，其产生的尾迹流会对下游叶片排的进气条件产生复杂的非定常干涉，同时串列叶片的加速效果有限，无法对后叶吸力面尾缘的分离流动进行有效控制。因此为了改善级间匹配情况，同时对尾缘分离流动实现进一步控制，本发明提出以前缘小叶充当涡流发生器，同时与主叶前缘产生局部串列的结构，其创新点在于将串列叶片与涡流发生器各自控制分离的方法结合，并合理控制小叶的高度、位置等参数，以实现更好的分离控制效果。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带前缘局部串列小叶的轴流压气机叶片，在传统轴流压气机叶片(主叶)的基础上提出了一种前缘小叶结构，诱导产生与角
区分离涡旋向相反的涡流；同时小叶片压力面尾缘与主叶吸力面前缘形成收敛缝隙通道，对该处近壁面流体产生加速效果，有利于吹除小叶低能尾迹和主叶马蹄涡吸力面分支。
8.本发明的技术方案是：一种带前缘局部串列小叶的轴流压气机叶片，包括主叶和轮毂，其特征在于：还包括前缘小叶，其叶根与轮毂连接，并位于主叶的吸力面一侧；所述前缘小叶的压力面尾缘与主叶吸力面前缘形成收敛缝隙通道，且前缘小叶的进气角能够调节。
9.本发明的进一步技术方案是：所述前缘小叶相对于主叶的轴向位置为主叶前缘点、前缘小叶尾缘点的轴向距离与前缘小叶轴向弦长的比值，所述轴向位置取-10％-10％。
10.本发明的进一步技术方案是：所述前缘小叶相对于主叶的周向位置为主叶前缘点、前缘小叶尾缘点的周向距离与叶栅栅距的比值，所述周向位置取0-10％。
11.本发明的进一步技术方案是：所述前缘小叶的进气角调整范围为
±8°
，以前缘作为转动轴、并与轮毂转动连接，通过旋转机构转动前缘小叶调节进气角。
12.本发明的进一步技术方案是：所述前缘小叶相对于主叶的轴向弦长为二者轴向弦长的比值，所述轴向弦长取10％-20％。
13.本发明的进一步技术方案是：所述前缘小叶相对于主叶的叶展高度为二者叶展高度的比值，所述叶展高度根据角区分离的范围进行确定，取10％。
14.一种轴流压气机叶片近壁面流体加速的方法，其特征在于：在主叶的吸力面前缘串联设置前缘小叶，通过调节前缘小叶相对轮毂的转动角度，改变其进气角，进而改变前缘小叶的进气角与主叶的进气角之间的差值，由所得收敛通道完成对气流的加速作用。
15.有益效果
16.本发明的有益效果在于：当传统轴流压气机叶片负荷较大时，在叶片吸力面尾缘会产生较大范围的角区分离流动，现有技术中涡流发生器对角区分离有较为明显的抑制作用但沿叶高的控制范围有限，串列叶片的收敛通道能有效抑制附面层发展但无法对尾缘分离进行有效控制。因此为了使控制效果达到最优，本发明采用前缘小叶解决现有技术中的问题，诱导产生与角区分离涡旋向相反的涡流；同时小叶片压力面尾缘与主叶吸力面前缘形成收敛缝隙通道，对该处近壁面流体产生加速效果，有利于吹除小叶低能尾迹和主叶马蹄涡吸力面分支。
17.本发明的前缘小叶对流动控制的效果，要更优于单独使用背景技术中的一种技术的结果。相比于传统的轴流压气机叶片结构，该种结构具有更高的增压比和效率。该发明丰富了压气机中被动流动控制的技术手段。
18.本发明在传统轴流压气机叶片前缘添加局部串列小叶结构后，可以明显改善叶栅通道内的流动情况，相比于传统压气机叶栅流场，带前缘局部串列小叶的叶栅吸力面角区分离起始点后移，角区分离范围降低。如图5所示，前缘小叶与主叶形成的局部串列结构能对来流实现明显的加速效果，可以充分抑制附面层发展，其次前缘小叶诱导产生的涡流在旋向上与主叶角区分离涡相反，可以对角区分离产生明显的抑制作用，从而降低损失，如图6、7所示。在图8中，除设计点攻角下损失稍有增加外，在非设计点攻角条件下，相比传统结构，带前缘局部串列小叶的叶栅气动性能均有明显提升，尤其在2
°
和4
°
攻角下，总压损失系数分别降低了11.4％和21.97％。
19.本发明是基于串列叶片和涡流发生器技术的结合与改进，但取得的效果并非是单
独采用或改进串列叶片或涡流发生器技术能够实现的，其设计难点在于前缘小叶高度、弦长、进气角、轴/周向间距等参数的确定。
附图说明
20.图1是传统压气机叶栅通道三维流线图；
21.图2是带前缘局部串列小叶结构的基元叶型图；
22.图3是带前缘局部串列小叶结构的叶栅子午面图；
23.图4是带前缘局部串列小叶结构的叶栅通道三维流线图；
24.图5是实施例1中传统压气机叶栅(original)与带前缘局部串列小叶的叶栅(new1)吸力面极限流线对比；
25.图6是实施例1中传统压气机叶栅(original)与带前缘局部串列小叶的叶栅(new1)栅后0.4倍轴向弦长处s3截面的总压损失系数等值线云图；
26.图7是实施例2中传统压气机叶栅(original)与带前缘局部串列小叶的叶栅(new2)栅后0.4倍轴向弦长处s3截面的总压损失系数等值线云图；
27.图8是实施例1中传统压气机叶栅(original)与带前缘局部串列小叶的叶栅(new)总压损失系数的攻角特性对比；
28.附图标记说明：1—主叶，2—前缘小叶，3—轮毂，4—前缘小叶相对主叶的轴向位置，5—前缘小叶相对主叶的周向位置，6—前缘小叶进气角，7—主叶进气角，8—前缘小叶相对主叶的轴向弦长，9—前缘小叶相对主叶的叶展高度，10—三维角区分离。
具体实施方式
29.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
31.如图1所示，在传统压气机叶栅流场中，受流向逆压力梯度和叶栅通道压差的作用，气流在流经吸力面尾缘时发生较大范围的三维角区分离10。为了控制角区分离流动，参见图2-图3，本发明提出一种带前缘局部串列小叶的轴流压气机叶片，包括主叶1、轮毂3、前缘小叶2，前缘小叶2的叶根与轮毂3连接，并位于主叶1的吸力面一侧；所述前缘小叶2的压力面尾缘与主叶1吸力面前缘形成收敛缝隙通道，且前缘小叶2的进气角能够调节。所述前缘小叶2的结构参数可以自主调节，获得控制效果最佳的几何与位置参数。
32.具体参数限定如下：
33.所述前缘小叶2相对于主叶1的轴向位置4的取值范围应在-10％-10％内，取值过大或者过小都会导致缝隙流道对气流的加速效果不理想。
34.所述前缘小叶2相对于主叶1的周向位置5主要影响缝隙流道的收敛程度，较小的周向距离有利于气流加速，因此周向位置5的取值范围应在0-10％。
35.所述前缘小叶2进气角6与主叶1进气角7之间的差值影响收敛通道对气流的加速作用，为了保证加速效果足够好，进气角6与进气角7之差可调，且随来流攻角增大而降低。
36.所述前缘小叶2相对于主叶1的轴向弦长8主要影响诱导涡流的强度。相对轴向弦长8的取值范围应在10％-20％。
37.所述前缘小叶2相对于主叶1的叶展高度9的取值需要多方面考虑，一方面叶展高度影响小叶的叶型损失大小，另一方面叶展高度决定了诱导涡流的展向位置，诱导涡的展向位置应位于角区分离发展充分的区域。一般来说，叶展高度9的取值应在10％左右。
38.在实施例1中，本发明研究对象的主叶1叶型弯角为34
°
，进口马赫数为0.64，来流攻角为4
°
，基于叶栅弦长的雷诺数为2.8
×
105。前缘小叶2的进气角6与主叶1进气角7保持一致，位于主叶1吸力面一侧，其叶根与轮毂3相连，其中相对轴向位置4为0、相对周向位置5为5％，相对轴向弦长8为10％，相对叶展高度9为10％。
39.在实施例2中，本发明研究对象的主叶1叶型弯角为34
°
，进口马赫数为0.64，来流攻角为4
°
，基于叶栅弦长的雷诺数为2.8
×
105。前缘小叶2的进气角6与主叶1进气角7保持一致，位于主叶1吸力面一侧，其叶根与轮毂3相连，其中相对轴向位置4为10％、相对周向位置5为10％，相对轴向弦长8为10％，相对叶展高度9为10％。
40.数值计算具体实施过程如下：
41.1.采用numeca中的autogrid5/igg模块对前缘小叶和主叶结构进行网格划分。
42.2.数值计算采用numeca/fine，湍流模型采用sstk-w求解，空间离散采用中心差分格式，时间项采用4阶runge-kutta方法迭代求解，采用多重网格、当地时间步等技术加速收敛。
43.3.获取数值模拟的结果并进行数据处理。
44.图4中所示带前缘局部串列小叶的压气机叶栅流场中，主叶1吸力面叶根附近的角区分离10流动受到抑制。图5中比较了两种叶栅主叶1吸力面的极限流线，相比传统压气机叶栅(original)，带前缘局部串列小叶的压气机叶栅(new)吸力面角区分离起始点明显向后移动，如红色虚线圆圈所示。图6是实施例1中叶栅栅后0.4倍轴向弦长处s3截面的总压损失系数等值线云图对比；图7是实施例2两种叶栅栅后0.4倍轴向弦长处s3截面的总压损失系数等值线云图对比，两种实施例下带前缘局部串列小叶的压气机叶栅总压损失明显降低。如图8所示，结果表明，除设计点攻角下损失稍有增加外，在非设计攻角下，上述结构参数布置的带前缘局部串列小叶的叶栅均有更佳的气动性能。
45.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。