一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片的制作方法

1.本发明涉及一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片，属于压气机技术领域。


背景技术：

2.在以航空燃气涡轮发动机等为应用目标的各类轴流压气机中，单级压气机获得更高的压比是压气机领域长期以来的发展方向。长期以来，增大压气机的级压比主要采用提高叶片轮缘线速度和叶型的气动优化实现。但是，叶片轮缘线速度的提高受到材料强度极限的限制，叶型的气动优化对当前设计水平下压气机性能的提升也十分有限。当试图将单级压气机的负荷提高到显著超过当前水平时，会因为出现叶背流动分离的现象(参见图1中附图标记11)，使压气机压比、效率急剧下降甚至导致压气机失速。因此，各类能抑制甚至消除流动分离的流动控制技术得到了国内外研究人员的重视，其中又以非定常流动控制技术最具代表性。由于能利用流动不稳定性，非定常流动控制技术产生的激励能与分离流中的拟序结构发生相干作用。非定常流动控制技术耗费能量极低，相关研究表明，达到相同的流动控制效果，采用非定常流动控制技术能比相应的定常流动控制技术节约1～2个数量级的所耗费的能量，即有“四两拨千斤”的效果。
3.综合国内外在该非定常流动控制领域的已有工作，相关技术主要有3大类：(1)声波类，主要是采用一定频率的声波对流场进行激励；(2)射流类，包括“零质量”注入流场的合成射流，“正质量”注入流场的脉冲射流和“负质量”注入的脉冲吸气；(3)壁面运动类，包括和壁面垂直方向运动的振动壁面，与和壁面平行方向运动的行波壁面。
4.这些技术都从各方层面推动了流动控制技术的进步，但是，为满足今后更高负荷压气机叶片设计的需要，这些技术在实际工程应用角度存在显著的不足点，主要体现为绝大部分非定常流动控制技术属于主动流动控制，需要外界提供能源以产生激励的能量(气源或电源)，或为产生非定常性的机械、电气装置供能(多数为电源)，这样大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性。例如：(1)声波类激励往往需要在叶片内部装置扬声器，还需要额外的电源和电路系统；(2)射流类，合成射流与声波激励类似，通常通过射流腔内的振动片实现(需要电源)，而脉冲射流或脉冲吸气一方面需要额外引入高压或低压气源，另一方面需要引入能按一定频率周期性开闭的阀门(通常由电磁或压电元件构成，需要电源供能)；(3)壁面运动类，该类型的非定常流动控制往往由柔性表面或可活动的刚性表面构成，通常也由电磁或压电元件作为驱动单元，因而也需在叶片内部的狭小区域引入电源和电路系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是在保持气动效率的前提下，让单级压气机获得更高的压比，以使采用该叶轮机械的动力或能源系统具有更大的推重比或功重比，提出了一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片，在无需引入外部气源或能源的前提下，即能产生脉冲
射流以抑制压气机叶片叶背侧气流分离。
6.为实现上述目的，本发明提供一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片，包括压气机叶片、引气口、阀门腔、自驱动阀门及射流口，所述引气口位于所述压气机叶片的叶盆侧，所述射流口位于所述压气机叶片的叶背侧；所述引气口和射流口之间设有阀门腔，所述阀门腔内设置有自驱动阀门，所述自驱动阀门内部开设有异形通缝，所述自驱动阀门以叶片叶盆、叶背压差为动力产生旋转，使射流流路产生周期性地开闭，从而在射流口处产生脉冲射流，以此抑制叶背侧的流动分离。
7.一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片的工作原理为：本装置的引气口位于压力较高的叶盆处，而射流口位于压力较低的叶背处，利用叶盆、叶背的压力差可以从射流口引进压气机流场中的部分气体，从而在射流口处产生一定速度的射流；自驱动阀门由于开有异形通缝，可以从叶盆、叶背的压力差中提取能量，产生一定转速的旋转，提取能量的本质原理与风车相似；自驱动阀门由于具有异形通缝结构，在旋转过程中，周期性地与引气口、射流口“对齐”，形成射流流路阀门“开”作用，而“不对齐”时，则形成阀门“关”作用；由于自驱动阀门周期性地对射流流路的“开”、“关”作用，使得射流口处的射流周期性的产生，从而形成具有一定频率的脉冲射流。
8.本发明的创新之处在于，针对脉冲射流的射流动能及非定常性能量来源的两方面问题，采用了巧妙的方式进行解决。首先，压气机叶片叶盆、叶背压差是射流动能及非定常性产生的共同能量来源；其次，自驱动阀门同时具有从流场中提取能量运转，及作为周期性开闭的阀门产生射流脉冲性的核心部件，异形通缝则是实现这两个功能的重要结构。由于上述特征，本发明可以以较为简单的结构，在压气机叶片上产生脉冲射流，且无需外部气源、电源及相关附属系统。
9.优选地，所述自驱动阀门内部开设有2～4条异形通缝，所述异形通缝和引气口及射流口一起形成射流通路。由于脉冲射流频率f＝n
×
n/30，其中，n为自驱动阀门的转速，n为异形通缝的条数，通过合理设计n的取值，可以优化脉冲射流频率。
10.优选地，所述异形通缝进、出口单侧设有倒角，且所述自驱动阀门具有圆对称性(沿圆心旋转n分之180
°
后保持不变)。
11.优选地，所述阀门腔的横截面为圆形。
12.优选地，所述自驱动阀门通过低阻力轴承安装于阀门腔内部，所述自驱动阀门为圆柱形，可相对于叶片进行转动。
13.优选地，所述自驱动阀门外壁与阀门腔内壁之间设有0.1～1mm的间隙。
14.本发明所达到的有益效果：本发明能够在基本不降低叶盆叶背的压差(也就是不降低压气机做功能力)的情况下，在叶背侧生成具有足够射流速度的脉冲射流，依靠对非定常分离涡结构的作用，产生显著的对流动分离的抑制作用。并且，本发明不需要外接气源或能量源，也省去了复杂气路和电路系统，因此结构上较为简单、制造和维护成本低、工程实用性强。
附图说明
15.图1是一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片示意图。
16.图2是自驱动阀门“开”模式的局部放大图及对应速度三角形。
17.图3是自驱动阀门“关”模式的局部放大图。
18.图中主要附图标记的含义为：
19.1.压气机叶片，2.引气口，3.阀门腔，4.自驱动阀门，5.异形通缝，6.射流口，7.压气机进口主流，8.射流引气流，9.脉冲射流，10.自驱动阀门旋转方向，11.压气机叶背分离区，12.引气口内流动，13.异形通缝内流动，14.射流口内流动。截面i.引气口出口截面，截面o.射流口入口截面。wi.截面i处相对速度，wo.截面o处相对速度，ci.截面i处绝对速度，co.截面o处绝对速度，u.自驱动阀门表面旋转速度(牵连速度)。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
21.如图1所示，一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片，包括压气机叶片1、引气口2、阀门腔3、自驱动阀门4及射流口6。其中，引气口2位于叶盆侧，射流口6位于叶背侧，引气口2及射流口6之间设有阀门腔3，阀门腔3内设置有自驱动阀门4，自驱动阀门4以叶片叶盆、叶背压差为动力产生旋转，对射流流路产生周期性地开闭作用，从而在射流口6处产生脉冲射流，以此抑制叶背侧的流动分离11。
22.所述阀门腔3的横截面为圆形。
23.所述自驱动阀门4通过低阻力轴承装置于阀门腔3内部，其主体为圆柱形，可相对于叶片1进行转速为n的转动，自驱动阀门4外壁与阀门腔3内壁保持有恒定的小间隙w，w的取值为0.1～1mm。
24.所述的自驱动阀门4内部开有n条异形通缝5，用于和引气口2及射流口6一起形成射流通路，n的取值为2～4，由于脉冲射流频率f＝n
×
n/30，其中，n为自驱动阀门的转速，n为异形通缝的条数，通过合理设计n的取值，可以优化脉冲射流频率。
25.所述的异形通缝5进出、口单侧具有倒角，且自驱动阀门4具有圆对称性(沿圆心旋转n分之180
°
后保持不变)。
26.一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片产生脉冲射流的原理：如图1所示，引气口2位于压力较高的压气机叶片叶盆侧，而射流口6位于压力较低的压气机叶片叶背侧，若无自驱动阀门4，由于压差作用，压气机流场中一小部分气流将沿引气口2流入叶片内部，并在射流口6处产生持续的定常射流。再考虑自驱动阀门4的作用时，如图2所示，当异形通缝与引气口2及射流口6对齐时，进入引气口2的气流12在截面i处产生由相对速度wi、绝对速度ci、牵连速度u构成的速度三角形，在自驱动阀门4内沿路径13行进，并在截面o处产生由相对速度wo、绝对速度co、牵连速度u构成的速度三角形，由这两个截面的速度三角形可知，气流对自驱动阀门4做单位功u(c
iu-c
ou
)(注：下标u表示速度的切线分量)，推动自驱动阀门4沿箭头10所示方向进行旋转，此时自驱动阀门4为状态“开”，有气流沿射流口6的路径14射出，形成射流9；自驱动阀门4在惯性作用下持续旋转，当异形通缝与引气口2及射流口6不对齐时，如图3所示，此时自驱动阀门4为状态“关”，堵塞了原本沿路径12、13、14的射流路径，从而无法形成射流。这样自驱动阀门4在引气流驱动下不断旋转，并以一定频率对射流进行“开”、“关”，从而形成一定频率的脉冲射流，达到本发明产生脉冲射流的技术效果。
27.一种通过自驱动脉冲射流抑制流动分离的压气机叶片主要设计方法如下：
28.1.确定引气口和射流口在压气机叶片上的位置。通常射流口布置于叶背分离点
±
10％c范围内，此处静压为pj；引气口位于射流口轴向位置附近的叶盆静压较高位置，此处静压为pb。其中：c为叶片弦长；pb为引气口处静压，pj为射流口处静压。
29.2.估算截面i绝对速度ci，优选射流宽度b。简化起见，这里考虑低速情形，可通过估算截面i绝对速度ci，根据射流流量公式m＝ρcib优选射流宽度b。其中：ρ为气体密度。
30.3.确定自驱动阀门的转速n及异形通缝个数n。若叶片分离涡主频为f，则可通过公式f＝nn/30，优选自驱动阀门的转速n及异形通缝个数n，其中n的取值为2～4。
31.4.确定自驱动阀门的直径d、表面速度u及其与阀门腔的间隙w。自驱动阀门的直径d在0.3h～0.7h范围内进行优选，表面速度u＝πnd/60，自驱动阀门与阀门腔间隙w在0.1～1mm进行优选。其中：h为叶片最大厚度。
32.5.确定自驱动阀门的摩擦力矩mf。自驱动阀门的摩擦力矩主要由轴承摩阻及间隙w内的流阻产生，考虑轴承预紧力为自驱动阀门重量的k倍，则mf＝πukρvd2db/8 πμud2/(2w)。其中：u为轴承摩擦系数，约为0.001；ρv为自驱动阀门材料密度；db为轴承内径；μ为气体动力粘性系数。
33.6.估算估计截面i绝对速度ci的切向分量c
iu
及流向分量c
ia
。根据公式2πnmf/60＝2nρc
ia
b2u(c
iu-u)/(πd)及确定c
iu
及c
ia
。
34.7.绘制截面i、o的速度三角形。根据i截面速度c
ia
、c
iu
、u绘制速度三角形，利用wo＝c
ia
及u绘制o截面速度三角形，从而得到射流速度co。其中：下标a表示轴向分量。
35.8.确定引气口、射流口的进、出口及异形通缝倒角角度。根据截面i、o的速度三角形，引气口出口角度与ci方向一致，射流口进口角度与co方向一致，引气口进口、射流口出口角度通过优选确定，异形通缝倒角角度与图2自驱动阀门模式“开”状态时的wi方向相一致。
36.实施例：
37.如图1所示，针对某典型大扩压度低速压气机静子叶片，其弦长为60mm，最大厚度为6mm，叶片几何进气角和出气角分别为46
°
和-10
°
。当进口马赫数为0.1时，叶背分离点距离前缘约70％弦长。按照上述主要设计方法及公式，引气口和射流口都选在70％弦长，根据此处叶盆、叶背压差，可计算得到截面i绝对速度ci≈20m/s，选择射流宽度b＝0.2mm，异形通缝个数n＝2，根据分离涡主频为f≈450hz，可确定自驱动阀门的转速n＝6750rpm。根据叶片厚度，选择自驱动阀门的直径d＝3mm，阀门腔的间隙w＝0.1mm，根据转速计算得到自驱动阀门表面速度u≈1m/s，选取轴承预紧力为自驱动阀门重量的5倍，自驱动阀门材料选用树脂，其密度约为1.2
×
103kg/m3，轴承内径选为3mm，计算得到单位叶高摩擦力矩mf≈2.6
×
10-6
n，进一步可得c
iu
≈5.7m/s，c
ia
≈19.2m/s，wi≈19.7m/s，射流速度co≈19.2m/s。
38.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。