葉根開設(shè)等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓氣機靜子葉柵流動控制，尤其涉及一種抑制壓氣機靜子角區(qū)分離的 壓氣機靜子葉柵葉根開槽的流動控制方案，屬于葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域的被動流動控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在葉輪機械的內(nèi)部流動中，最復(fù)雜的是角區(qū)的流動，吸力面和端壁間的角區(qū)流動 中存在端壁附面層、葉片附面層、各種渦結(jié)構(gòu)及其相互作用，是引起壓氣機靜子性能惡化的 主要因素。角區(qū)的流動分離會導致通道堵塞、葉片載荷以及擴壓能力下降，從而造成總壓損 失和效率下降，嚴重時會引起發(fā)動機喘振。壓氣機靜子角區(qū)流動損失在級的總損失中占的 比重較大，因此，設(shè)法抑制壓氣機靜子角區(qū)分離是降低角區(qū)損失和延緩由于角區(qū)分離造成 的發(fā)動機性能惡化問題的重要途徑。
[0003]目前，針對壓氣機靜子角區(qū)分離與失速的流動控制技術(shù)主要可以分為主動控制和 被動控制兩大類。主動控制技術(shù)主要有等離子體激勵、附面層吹吸技術(shù)、合成射流等；被動 控制技術(shù)主要有旋渦發(fā)生器、翼刀、端壁造型等。這些控制方法都利弊共存，角區(qū)控制方法 還需進一步研究。
[0004] 我們課題組前期提出了葉根開槽控制葉柵角區(qū)分離的技術(shù)（燃氣渦輪試驗與研 究，2007, Vol. 20, No. 3, 28-33)，在壓氣機靜子葉柵葉根開槽，利用葉片壓力面和吸力面間 的壓差形成射流，增加角區(qū)的低能流體動能，吹除葉片吸力面和端壁附面層的氣流，從而抑 制角區(qū)分離。具體實施方法是：首先分別在葉片壓力面和吸力面上不同位置取點A、B和C、 D，再利用圓弧連接AC和BD構(gòu)成槽道。上述技術(shù)至少存在以下缺點：對于工程應(yīng)用，開槽方 案比較偏理想化，連接圓弧比較隨機，不好加工；尤其是形成的射流速度方向無法控制，可 能與主流方向夾角較大而產(chǎn)生"臺階"流動從而產(chǎn)生負效果，使得控制方案難以優(yōu)化設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，提出一種易于加工、方便對幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的控制壓氣機 靜子葉柵角區(qū)分離流動的葉根開槽控制方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] 在軸流式壓氣機靜子葉柵的葉根端壁處開設(shè)槽道。
[0008] 所述槽道展向高度為恒定值，且取葉柵高度的2%到20%間的值。
[0009] 所述槽道可有一個或者多個。
[0010] 所述槽道進口位于壓氣機靜子葉柵壓力面。
[0011] 所述槽道出口位于壓氣機靜子葉柵吸力面。
[0012] 所述槽道進口所在的軸向位置位于槽道出口所在的軸向位置上游。
[0013] 所述槽道中心線為圓弧形，且槽道兩側(cè)壁與中心線等距。
[0014] 所述槽道側(cè)壁出口與葉柵吸力面下游壁面相切。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于：通過在壓氣機靜子葉柵葉根端壁處自壓力面向吸力面開 設(shè)等寬圓弧形槽道，利用葉片自身壓力面和吸力面之間的壓差形成高速射流，增加角區(qū)低 能流體的動能，使得其抵抗逆壓力梯度能力更強，避免流動過早形成角區(qū)分離；高速流體吹 除了吸力面附面層及端壁附面層氣流，使得附面層氣流變薄加速，附面層速度型更加飽滿， 抵抗逆壓力梯度能力更強，抑制吸力面和端壁的流動分離；槽道側(cè)壁出口與葉柵吸力面下 游壁面相切，使得高速射流速度方向也基本與吸力面下游壁面相切，從而還額外帶來了康 達效應(yīng)，產(chǎn)生很強的附壁流動，增加了"環(huán)量"，也能更好地抑制角區(qū)分離。從而增加葉柵流 通能力，降低總壓損失，增大擴壓能力。
[0016] 與我們課題組前期提出的控制技術(shù)相比，本發(fā)明的等寬圓弧形槽道中心線為圓 弧，槽道垂直于端壁的壁面且與中心線等距，槽道出口與葉柵吸力面下游相切，槽道光滑過 渡，利于加工；并且高速射流速度方向可控，易于開槽方案的優(yōu)化設(shè)計，并且?guī)砹祟~外的 康達效應(yīng)，有更好的角區(qū)分離抑制效果。
【附圖說明】
[0017] 圖1是葉根開設(shè)等寬圓弧槽壓氣機靜子葉柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是葉根開設(shè)等寬圓弧槽壓氣機靜子葉柵槽道橫截面示意圖。
[0019] 圖3是葉根開設(shè)等寬圓弧槽道壓氣機靜子葉柵沿葉柵展向示意圖。
[0020] 圖4是葉根未開設(shè)等寬圓弧槽的原型葉柵葉柵表面與端壁的流線圖。
[0021] 圖5是葉根開設(shè)等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵葉柵表面與端壁的流線圖。
[0022] 圖6是葉根開設(shè)等寬圓弧槽的自壓差射流壓氣機靜子葉柵與葉根未開設(shè)槽道的 原型葉柵性能參數(shù)對比圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明。
[0024] 如圖1所示，葉根開設(shè)等寬圓弧槽壓氣機靜子葉柵，在葉柵1根部端壁2處，自葉 柵1壓力面3到吸力面4開設(shè)有等寬圓弧形槽道5。
[0025] 如圖2所示，根據(jù)PVD原型靜子葉柵流場情況，槽道5在吸力面4上出口的位置選 取在分離點前；沿葉柵軸向，槽道5在壓力面3上進口的位置位于吸力面4出口位置上游； 根據(jù)PVD原型靜子葉柵表面壓力分布，槽道5在壓力面3上進口的位置選在壓力面3上表 面靜壓較大處；槽道5兩側(cè)壁距中心線的距離均為3. 6%軸向弦長，根據(jù)實際情況，該值可 在0. 5%到6%間進行調(diào)整。
[0026] 如圖3所示，槽道5在展向等高，均為10%葉展高度，根據(jù)實際情況該值可在2% 到20%葉展高度間進行調(diào)整。
[0027] 為了驗證本發(fā)明的效果，本發(fā)明人對葉根未開設(shè)槽道的PVD原型葉柵及葉根開設(shè) 等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵進行了數(shù)值模擬。具體模擬參數(shù)和結(jié)果如下：
[0028] 用于模擬的PVD葉柵葉型參數(shù)如下表所示：
[0029]
[0030] 如圖4、圖5所示，通過對比開槽前后吸力面4及端壁2的流線圖可以發(fā)現(xiàn)，葉根開 設(shè)等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵與葉根未開設(shè)槽道的PVD原型葉柵相比，開槽后端壁面所 形成的分離流動區(qū)域明顯減小，故葉根開設(shè)等寬圓弧槽可延緩及抑制分離的發(fā)生。
[0031] 如圖6所示，通過數(shù)值模擬的總壓損失系數(shù)、落后角及壓比的結(jié)果，可以看出，開 槽形狀為等寬圓弧形的葉根開槽壓氣機靜子葉柵與原型葉柵相比，總壓損失系數(shù)降低了 56. 52%，壓比增加了 0. 039%，落后角減小了 78. 91%。
[0032] 可見，本發(fā)明的葉根開設(shè)等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵的設(shè)計方案，通過自葉柵 壓力面向葉柵吸力面開槽射流改善了端壁邊界層流動狀況，減小了端壁分離區(qū)域面積，實 現(xiàn)了抑制角區(qū)分離的目的。進而減小了角區(qū)分離所導致的損失，減小了總壓損失，增大了壓 比，減小了落后角，有利于提高壓氣機性能及其穩(wěn)定性。
【主權(quán)項】
1. 一種軸流式壓氣機靜子葉柵，其特征在于： 在軸流式壓氣機靜子葉柵（1)的葉根端壁（2)處開設(shè)槽道（5)， 其中，所述槽道（5)展向高度為恒定值，且取葉柵高度的2%到20%間的值， 所述槽道（5)可有一個或者多個， 所述槽道（5)進口位于壓氣機靜子葉柵（1)壓力面（3)， 所述槽道（5)出口位于壓氣機靜子葉柵（1)吸力面（4)， 所述槽道（5)進口所在軸向位置位于槽道（5)出口所在軸向位置上游， 所述槽道（5)中心線為圓弧形，且槽道（5)兩側(cè)壁與中心線等距， 所述槽道側(cè)壁出口與葉柵吸力面下游相切。
【專利摘要】葉根開設(shè)等寬圓弧槽的壓氣機靜子葉柵，涉及葉輪機械技術(shù)領(lǐng)域的被動流動控制技術(shù)。其目的在于通過在壓氣機靜子葉柵葉根端壁處自壓力面向吸力面開設(shè)等寬圓弧形槽道，利用葉片自身壓差形成高速射流，增加角區(qū)低能流體動能，吹除吸力面附面層及端壁附面層氣流，使得抵抗逆壓力梯度能力更強，還額外帶來了康達效應(yīng)，更好地抑制角區(qū)分離。所述槽道位于壓氣機靜子葉柵葉根端壁處，展向高度為恒定值，槽道可有一個或多個，槽道進口位于靜子葉柵壓力面，出口位于葉柵吸力面，槽道中心線為圓弧且槽道兩側(cè)壁與中心線等距，槽道側(cè)壁出口與葉柵吸力面下游壁面相切。本發(fā)明的有益效果在于：有效抑制角區(qū)分離，增加葉柵流通能力，降低總壓損失，增大擴壓能力。
【IPC分類】F04D29/54
【公開號】CN105156361
【申請?zhí)枴緾N201510583793
【發(fā)明人】柳陽威, 唐雨萌, 陸利蓬, 孫槿靜
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年9月14日