一种控制压气机静子角区分离的叶根开设S形槽道方法

摘要

一种控制压气机静子角区分离的叶根开设S形槽道方法，涉及叶轮机械技术领域被动流动控制技术。目的在于通过在压气机静子叶根处自压力面向吸力面开设等宽S形槽道，利用叶片自身绕流压差形成射流，增加角区低能流体动能，吹除吸力面及端壁附面层气流，使得其抵抗逆压梯度能力更强，还额外带来了康达效应，更好地抑制角区分离。所述槽道位于压气机静子叶栅叶根端壁处，展向高度为恒定值，槽道可有一个或多个，槽道进口位于静子叶栅压力面，出口位于叶栅吸力面，槽道中心线为S形且槽道两侧壁与中心线等距，槽道出口气流方向与理想无分离流线方向基本一致。本发明的有益效果在于：有效抑制角区分离，增加叶栅流通能力，降低总压损失，增大扩压能力。

说明书

技术领域

本发明涉及压气机静子叶栅流动控制，尤其涉及一种抑制压气机静子角区分离的压气机静子叶栅叶根开槽的流动控制方案，属于叶轮机械技术领域的被动流动控制技术。

背景技术

在叶轮机械的内部流动中，最复杂的是角区的流动。吸力面和端壁间的角区流动中存在端壁附面层、叶片附面层、各种涡结构及其相互作用，是引起压气机静子叶栅性能恶化的主要因素。角区的流动分离会导致通道堵塞、叶片载荷以及扩压能力下降，从而造成总压损失和效率下降，严重时会引起发动机喘振。压气机静子角区流动损失在级的总损失中占的比重较大，因此，设法抑制压气机静子角区分离是降低角区损失和延缓由于角区分离造成的发动机性能恶化问题的重要途径。

目前，针对压气机静子角区分离与失速的流动控制技术主要可以分为主动控制和被动控制两大类。主动控制技术主要有端壁和吸力面的等离子体激励，附面层吹吸技术等；被动控制技术主要有漩涡发生器、翼刀、端壁造型等。这些控制方法都还存在着一些问题，未能解决工程上下一代高负荷压气机角区分离的问题，还需进一步深入研究。

我们课题组前期提出了叶根开槽控制叶栅角区分离的技术(燃气涡轮试验与研究，2007，Vol.20,No.3，28-33)，在压气机静子叶栅叶根开槽，利用叶片压力面和吸力面间的压差形成射流，增加角区的低能流体动能，吹除叶片吸力面和端壁附面层的气流，从而抑制角区分离。具体实施方法是：首先分别在叶片压力面和吸力面上不同位置取点A、B和C、D,再利用圆弧连接AC和BD构成槽道。上述技术至少存在以下缺点：对于工程应用，开槽方案比较偏理想化，连接圆弧比较随机，不好加工；尤其是形成的射流速度方向无法控制，可能与主流方向夹角较大而产生“台阶”流动从而产生负效果，使得控制方案难以优化设计。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种易于加工、方便对几何参数优化设计的控制压气机静子叶栅角区分离流动的开槽形状为S形的压气机静子叶栅叶根开槽方法，以达到降低压气机静子叶栅角区分离损失的效果。

本发明的技术方案如下：

在轴流式压气机静子叶栅的叶根处开设槽道。

其中，所述槽道展向高度为恒定值，且取叶栅高度的2％到20％间的值。

所述槽道可有一个或者多个。

所述槽道进口位于压气机静子叶栅压力面。

所述槽道出口位于压气机静子叶栅吸力面。

所述槽道进口所在的轴向位置位于槽道出口所在的轴向位置上游。

所述槽道中心线为S形，且槽道两侧壁与中心线等距。

所述槽道侧壁出口与叶栅吸力面下游壁面相切，槽道侧壁入口与叶栅压力面上游壁面相切。

所述其它槽道侧壁与叶栅连接处都采用圆角过渡。

本发明的有益效果在于：通过在压气机静子叶栅叶根处自压力面向吸力面开设等宽S形槽道，利用叶片自身压力面和吸力面之间的压差形成高速射流，增加角区低能流体的动能，使得其抵抗逆压梯度的能力更强，避免流动过早分离形成角区所造成的性能快速下降；高速流体吹除了吸力面附面层及端壁附面层气流，使得附面层气流变薄加速，附面层速度型更加饱满，抵抗逆压力梯度能力更强，抑制吸力面和端壁的流动分离；S形槽道进口速度与主流来流方向趋于一致时，可在等槽道面积的条件下增大槽道有效射流量，经过S形流道光滑过渡，调节槽道内气流偏转角，使得槽道出口气流与理想无分离流线方向一致，额外带来康达效应，携带主流产生很强的附壁流动，增加了“环量”，更好地抑制角区分离，加强流动控制效果。从而增加叶栅通道的流通能力，降低总压损失，增大扩压能力。

与我们课题组前期提出的控制技术相比，本发明的等宽S形槽道中心线为S形光滑曲线，且槽道垂直于端壁的壁面与中心线等距，利于加工；S形光滑曲线结构使得槽道进出口位置及槽道进出口角度均能灵活调节，易于开槽方案的优化；光滑过渡降低槽道内局部流动损失；槽道出口与理想无分离流线方向基本一致，带来了额外的康达效应，有更好的角区分离抑制效果。

附图说明

图1是一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子结构示意图。

图2是一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子槽道横截面示意图。

图3是一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子沿叶栅展向示意图。

图4是叶根未开设槽道的PVD原型静子叶栅表面与端壁的流线图。

图5是一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子叶栅表面与端壁的流线图。

图6是一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子与叶根未开设槽道的PVD原型静子叶栅性能参数对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

如图1所示，一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子，在叶栅1根部端壁2处，自叶栅1压力面3到吸力面4开设有等宽S形槽道5。

如图2所示，根据PVD原型静子叶栅流场情况，槽道5在吸力面4上出口的位置选取在分离点前；沿叶栅轴向，槽道5在压力面3上进口的位置位于吸力面4出口位置上游；根据PVD原型静子叶栅表面压力分布，槽道5在压力面3上进口的位置选在压力面3上表面静压较大处；槽道5两侧壁距中心线的距离均为1.5％轴向弦长，根据实际情况，该值可在0.5％到6％间进行调整。

如图3所示，槽道5在展向等高，均为10％叶展高度，根据实际情况该值可在5％到15％叶展高度间进行调整。

为了验证本发明的效果，本发明人对叶根未开设槽道的PVD原型叶栅及开槽形状为S形的叶根开槽压气机静子叶栅进行了数值模拟。具体模拟参数和结果如下：

用于模拟的PVD叶栅叶型参数如下表所示：

如图4、图5所示，通过对比开槽前后吸力面4及端壁2的流线图可以发现，开槽形状为S形的叶根开槽压气机静子叶栅与叶根未开设槽道的PVD原型叶栅相比，开槽后叶栅吸力面表面及端壁面所形成的分离流动区域明显减小，故叶根开设等宽S形槽道可延缓及抑制分离的发生。

如图6所示，通过数值模拟的总压损失系数、落后角及压比的结果，可以看出，一种抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子与原型静子叶栅相比，总压损失系数减小了65.55％，落后角减小了79.73％，压比增加了0.039％。

可见，本发明的抑制角区分离的叶根开设S形槽道的压气机静子的设计方案，通过自叶栅压力面向叶栅吸力面开槽射流改善了叶栅吸力面及端壁边界层流动状况，减小了叶栅吸力面及端壁分离区域面积，实现了抑制角区分离的目的。进而减小了角区分离所导致的损失，减小了总压损失和落后角，增大了扩压能力，有利于提高压气机性能及其稳定性。