一種根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片的製作方法

2023-04-29 00:54:26

本發明涉及抑制壓氣機靜葉三維角區分離的壓氣機靜子葉片設計方案，尤其涉及一種根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片，屬於葉輪機械技術領域的被動流動控制技術。

背景技術：

壓氣機是航空燃氣渦輪發動機的核心組成部件，由多級轉子和靜子順序交錯排列組成，其功用是提高氣體壓升。

在壓氣機內部的流動中，大的逆壓梯度所造成的葉片及端壁角區二次流是一種固有且複雜的流動現象，因此產生的損失是壓氣機內部流動的主要損失源；三維角區分離/失速造成的流動擁堵使得壓氣機性能急劇下降，對壓氣機的壓比、效率、裕度等性能有著至關重要的影響。

經過幾十年的研究，眾多科研工作者們已經對壓氣機三維角區流動機理有了較深的認識，但是由於其流動結構的複雜性，以及實驗測量、數值模擬的局限性、可靠性，目前還未能很好地根據已有機理研究結果實現壓氣機三維角區分離流動的準確預測及可靠控制；對壓氣機三維角區分離流動機理、流動預測以及流動控制的研究，始終是高性能壓氣機設計所關注的重點問題。

目前，針對壓氣機靜子葉片三維角區分離與失速的流動控制技術，從是否額外引入能量，主要可以分為主動控制技術和被動控制技術兩大類：主動控制技術主要有等離子體激勵，附面層吹吸技術、合成射流等；被動控制技術主要有旋渦發生器、翼刀、端壁造型等；主動控制技術適應範圍廣，收益明顯，但需要額外引入能量，不易於工程實現；現有的傳統被動控制技術，不具有自適應性，有效工作的工況範圍往往有限，未能解決工程上下一代高負荷壓氣機角區分離的問題。

技術實現要素：

(一)待解決的技術問題

本發明的目的在於，提出一種根部具有串聯布置多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片，在不同來流工況下，通過串聯的多段葉型間的間隙在壓差作用下產生自適應射流，作用於靜子葉片端區的低能流體，攜帶其向下遊發展，抑制由於低能流體團在靜子葉片端區堆積造成的三維角區分離/失速的產生，改善流通能力，拓寬壓氣機靜子葉片的有效工作工況範圍，提升壓氣機靜子葉片在不同工況下的性能。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片，包括輪轂端壁、機匣端壁和靜子葉片，所述靜子葉片在輪轂端壁及機匣端壁間環列布置；所述靜子葉片由靜子葉片主體、機匣側串聯小葉片和輪轂側串聯小葉片構成；所述靜子葉片主體在與機匣端壁連接側布置有機匣側串聯小葉片一、機匣側串聯小葉片二和機匣側串聯小葉片三；所述靜子葉片主體在與輪轂機匣端壁連接側布置有輪轂側串聯小葉片一、輪轂側串聯小葉片二和輪轂側串聯小葉片三。

其中，所述靜子葉片具有不低於43°的彎折角。

其中，所述機匣側串聯小葉片一、機匣側串聯小葉片二、機匣側串聯小葉片三均採用曲率連續的翼型設計；所述輪轂側串聯小葉片一、輪轂側串聯小葉片二、輪轂側串聯小葉片三均採用曲率連續的翼型設計。

其中，所述機匣側串聯小葉片一、機匣側串聯小葉片二、機匣側串聯小葉片三具有相同的展向高度且不超過機匣端壁與輪轂端壁距離的20％；所述輪轂側串聯小葉片一、輪轂側串聯小葉片二、輪轂側串聯小葉片三具有相同的展向高度且不超過機匣端壁與輪轂端壁距離的20％；所述機匣側串聯小葉片與所述輪轂側串聯小葉片可具有相同或不同的展向高度。

其中，所述機匣側串聯小葉片一、機匣側串聯小葉片二、機匣側串聯小葉片三沿流向順序布置在靜子葉片前緣到靜子葉片尾緣間，所述機匣側串聯小葉片一壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線局部貼合，所述機匣側串聯小葉片一吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線一致，所述機匣側串聯小葉片二壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線局部貼合，所述機匣側串聯小葉片二吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線局部貼合，所述機匣側串聯小葉片三壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線一致，所述機匣側串聯小葉片三吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線局部貼合；所述機匣側串聯小葉片一、機匣側串聯小葉片二、機匣側串聯小葉片三的葉型均不超出靜子葉片主體葉型範圍且幾何型線一致部分沿展向光滑過渡；所述機匣側串聯小葉片一與靜子葉片主體具有相同的前緣幾何，所述機匣側串聯小葉片二前緣半徑不大於靜子葉片前緣半徑，所述機匣側串聯小葉片三前緣半徑不大於靜子葉片前緣半徑，所述機匣側串聯小葉片一尾緣半徑不超過靜子葉片尾緣半徑的50％，所述機匣側串聯小葉片二尾緣半徑不超過靜子葉片尾緣半徑的50％，所述機匣側串聯小葉片三與靜子葉片主體具有相同的尾緣幾何；所述機匣側串聯小葉片二前緣到靜子葉片前緣的距離le2不大於機匣側串聯小葉片一尾緣到靜子葉片前緣的距離te1，所述機匣側串聯小葉片三前緣到靜子葉片前緣的距離le3不大於機匣側串聯小葉片二尾緣到靜子葉片前緣的距離te2；所述機匣側串聯小葉片一型面到機匣側串聯小葉片二型面間的最小距離t1位於機匣側串聯小葉片一尾緣處，且其數值不超過靜子葉片最大厚度的1/3，所述機匣側串聯小葉片二型面到機匣側串聯小葉片三型面間的最小距離t2位於機匣側串聯小葉片二尾緣處，且其數值不超過靜子葉片最大厚度的1/3，所述距離t1與所述距離t2間無關聯；所述機匣側串聯小葉片二吸力面在與靜子葉片主體吸力面過渡處曲率半徑為r1，且t1與r1的比值不大於0.05，所述機匣側串聯小葉片三吸力面在與靜子葉片主體吸力面過渡處曲率半徑為r2，且t2與r2的比值不大於0.05。

其中，所述輪轂側串聯小葉片一、輪轂側串聯小葉片二、輪轂側串聯小葉片三沿流向順序布置在靜子葉片前緣到靜子葉片尾緣間，所述輪轂側串聯小葉片一壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線局部貼合，所述輪轂側串聯小葉片一吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線一致，所述輪轂側串聯小葉片二壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線局部貼合，所述輪轂側串聯小葉片二吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線局部貼合，所述輪轂側串聯小葉片三壓力面與靜子葉片壓力面同側且幾何型線一致，所述輪轂側串聯小葉片三吸力面與靜子葉片吸力面同側且幾何型線局部貼合；所述輪轂側串聯小葉片一、輪轂側串聯小葉片二、輪轂側串聯小葉片三的葉型均不超出靜子葉片主體葉型範圍且幾何型線一致部分沿展向光滑過渡；所述輪轂側串聯小葉片一與靜子葉片主體具有相同的前緣幾何，所述輪轂側串聯小葉片二前緣半徑不大於靜子葉片前緣半徑，所述輪轂側串聯小葉片3前緣半徑不大於靜子葉片前緣半徑，所述輪轂側串聯小葉片一尾緣半徑不超過靜子葉片尾緣半徑的50％，所述輪轂側串聯小葉片二尾緣半徑不超過靜子葉片尾緣半徑的50％，所述輪轂側串聯小葉片三與靜子葉片主體具有相同的尾緣幾何；所述輪轂側串聯小葉片二前緣到靜子葉片前緣的距離le2不大於輪轂側串聯小葉片一尾緣到靜子葉片前緣的距離te1，所述輪轂側串聯小葉片三前緣到靜子葉片前緣的距離le3不大於輪轂側串聯小葉片二尾緣到靜子葉片前緣的距離te2；所述輪轂側串聯小葉片一型面到輪轂側串聯小葉片二型面間的最小距離t1位於輪轂側串聯小葉片一尾緣處，且其數值不超過靜子葉片最大厚度的1/3，所述輪轂側串聯小葉片二型面到輪轂側串聯小葉片三型面間的最小距離t2位於輪轂側串聯小葉片二尾緣處，且其數值不超過靜子葉片最大厚度的1/3，所述距離t1與所述距離t2間無關聯；所述輪轂側串聯小葉片二吸力面在與靜子葉片主體吸力面過渡處曲率半徑為r1，且t1與r1的比值不大於0.05，所述輪轂側串聯小葉片三吸力面在與靜子葉片主體吸力面過渡處曲率半徑為r2，且t2與r2的比值不大於0.05。

其中，所述機匣側串聯小葉片一與所述輪轂側串聯小葉片一可具有相同或不同的葉型幾何，所述機匣側串聯小葉片二與所述輪轂側串聯小葉片二可具有相同或不同的葉型幾何，所述機匣側串聯小葉片三與所述輪轂側串聯小葉片三可具有相同或不同的葉型幾何。

(三)有益效果

本發明提供的壓氣機靜子葉片，具有以下有益效果：

(1)設置根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片，通過串聯的小葉片連接靜子葉片主體與輪轂、機匣端壁，在靜子葉片壓力面側與吸力面側壓差作用下，使得靜子葉片壓力面側端區流體通過三段小葉片間的間隙，流向吸力面側，形成速度略大於當地主流速度的自適應射流，重構端區流場，達到抑制壓氣機靜子葉片三維角區分離流動的效果。

(2)在不同來流工況，來自靜子葉片根部串聯小葉片間隙的自壓差射流均能有效作用於靜子葉片根部的低能流體，攜帶其向下遊發展，抑制大彎角下由於低能流體團在靜子葉片端區堆積造成的三維角區分離/失速的產生，改善靜葉通道流通能力，拓寬壓氣機靜子葉片的有效工作工況範圍，提升壓氣機靜子葉片在不同工況下的性能。

(3)與傳統被動流動方法相比，根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片在幾何及氣動設計可實現與原始葉型相關聯的一體化設計，在帶來性能收益的同時縮減了設計周期，具有較好的工程運用前景。

附圖說明

圖1是一種具有根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片通道吸力面側示意圖；

圖2是一種具有根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片通道壓力面側示意圖；

圖3是機匣側/輪轂側串聯的多段小葉片截面示意圖；

圖中，1：輪轂端壁；2：機匣端壁；3：靜子葉片；4：機匣側串聯小葉片一；5：機匣側串聯小葉片二；6：機匣側串聯小葉片三；7：機匣側串聯小葉片一壓力面；8：機匣側串聯小葉片二壓力面；9：機匣側串聯小葉片三壓力面；10：機匣側串聯小葉片一吸力面；11：機匣側串聯小葉片二吸力面；12：機匣側串聯小葉片三吸力面；13：機匣側串聯小葉片一前緣；14：機匣側串聯小葉片二前緣；15：機匣側串聯小葉片三前緣；16：機匣側串聯小葉片一尾緣；17：機匣側串聯小葉片二尾緣；18：機匣側串聯小葉片三尾緣；19：靜子葉片吸力面；20：輪轂側串聯小葉片一；21：輪轂側串聯小葉片二；22：輪轂側串聯小葉片三；23：輪轂側串聯小葉片一壓力面；24：輪轂側串聯小葉片二壓力面；25：輪轂側串聯小葉片三壓力面；26：輪轂側串聯小葉片一吸力面；27：輪轂側串聯小葉片二吸力面；28：輪轂側串聯小葉片三吸力面；29：輪轂側串聯小葉片一前緣；30：輪轂側串聯小葉片二前緣；31：輪轂側串聯小葉片三前緣；32：靜子葉片前緣；33：靜子葉片壓力面；34：輪轂側串聯小葉片一尾緣；35：輪轂側串聯小葉片二尾緣；36：輪轂側串聯小葉片三尾緣；37：靜子葉片尾緣。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

實施例1：

如圖1、圖2所示，本發明的大彎折角壓氣機靜子葉片具有53°的葉型彎角，包括輪轂端壁1、機匣端壁2和靜子葉片3，其中靜子葉片3在機匣端壁2和輪轂端壁1間環列布置。靜子葉片3由靜子葉片主體38、機匣側串聯小葉片一4、機匣側串聯小葉片二5、機匣側串聯小葉片三6、輪轂側串聯小葉片一20、輪轂側串聯小葉片二21、輪轂側串聯小葉片三22構成；機匣側串聯小葉片一4、機匣側串聯小葉片二5、機匣側串聯小葉片三6用於連接靜子葉片主體38與機匣端壁2，其葉型截面均採用曲率連續的翼型設計且具有相同的展向高度，在本實施例中設為機匣端壁2與輪轂端壁1間距離的20％；輪轂側串聯小葉片一20、輪轂側串聯小葉片二21、輪轂側串聯小葉片三22用於連接靜子葉片主體38與輪轂端壁1，其葉型截面均採用曲率連續的翼型設計且具有相同的展向高度，在本實施例中設為機匣端壁2與輪轂端壁1間距離的20％；在本實施案例中機匣側串聯小葉片4，5，6與輪轂側串聯小葉片20，21，22具有相同的展向高度值。

如圖3所示的機匣側/輪轂側根部串聯的多段小葉片截面示意圖給出了機匣側/輪轂側根部串聯的多段小葉片4，5，6(20，21，22)葉型與靜子葉片主體38葉型間的關係。

在機匣端壁2側，機匣側串聯小葉片一4、機匣側串聯小葉片二5、機匣側串聯小葉片三6沿流向順序布置在靜子葉片前緣32到靜子葉片尾緣37間，為了減小型面損失，機匣側串聯小葉片4，5，6葉型均未超出靜子葉片主體38葉型的範圍；機匣側串聯小葉片一壓力面7與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線局部貼合，其吸力面10與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線一致，其前緣13與靜子葉片前緣32具有相同的幾何，以避免不連續的前緣幾何所造成的流動損失，其尾緣16半徑不超過靜子葉片尾緣37半徑的50％，在避免結構上應力集中的同時減小由小葉片尾跡造成的摻混損失；機匣側串聯小葉片二壓力面8與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線局部貼合，其吸力面11與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線局部貼合，其前緣14半徑不大於靜子葉片前緣32半徑，其尾緣17半徑不超過靜子葉片尾緣37半徑的50％，；機匣側串聯小葉片三壓力面9與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線一致，其吸力面12與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線局部貼合，其前緣15半徑不大於靜子葉片前緣32半徑，其尾緣18與靜子葉片尾緣37具有相同的幾何，從而保證靜子葉片3出口具有更均勻的氣流角分布。在機匣側串聯小葉片4，5，6相對位置關係上，機匣側串聯小葉片二前緣14到靜子葉片前緣32的距離le2小於機匣側串聯小葉片一尾緣16到靜子葉片前緣32的距離te1，機匣側串聯小葉片三前緣15到靜子葉片前緣32的距離le3小於機匣側串聯小葉片二尾緣17到靜子葉片前緣32的距離te2，使得相鄰兩段小葉片4與5，5與6之間具有軸向重疊度；機匣側串聯小葉片一4的型面到機匣側串聯小葉片二5的型面間的最小距離t1位於機匣側串聯小葉片一尾緣16處，且其數值小於靜子葉片3最大厚度的1/3，機匣側串聯小葉片二5的型面到機匣側串聯小葉片三6的型面間的最小距離t2位於機匣側串聯小葉片二尾緣17處，且其數值小於靜子葉片3最大厚度的1/3，其中，距離t1與距離t2為獨立參數，兩者之間無關聯。機匣側串聯小葉片二吸力面11在與靜子葉片吸力面19過渡處曲率半徑為r1，且t1與r1的比值不大於0.05，機匣側串聯小葉片三吸力面12在與靜子葉片吸力面19過渡處曲率半徑為r2，且t2與r2的比值不大於0.05。t1與r1，t2與r2的比值約束使得相鄰兩段小葉片4與5,5與6間所形成的縫隙出口自壓差射流滿足科恩達條件，具有附壁效應。

在輪轂端壁1側，輪轂側串聯小葉片一20、輪轂側串聯小葉片二21、輪轂側串聯小葉片三22與機匣端壁2側具有同樣的分布規律，其沿流向順序布置在靜子葉片前緣32到靜子葉片尾緣37間，為了減小型面損失，輪轂側串聯小葉片20，21，22葉型均未超出靜子葉片主體38葉型的範圍；輪轂側串聯小葉片一壓力面23與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線局部貼合，其吸力面26與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線一致，其前緣29與靜子葉片前緣32具有相同的幾何，以避免不連續的前緣幾何所造成的流動損失，其尾緣34半徑不超過靜子葉片尾緣37半徑的50％，以在避免結構上應力集中的同時減小小葉片尾跡造成的摻混損失；輪轂側串聯小葉片二壓力面24與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線局部貼合，其吸力面27與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線局部貼合，其前緣30半徑不大於靜子葉片前緣32半徑，其尾緣35半徑不超過靜子葉片尾緣37半徑的50％，；輪轂側串聯小葉片三壓力面25與靜子葉片壓力面33同側且幾何型線一致，其吸力面28與靜子葉片吸力面19同側且幾何型線局部貼合，其前緣31半徑不大於靜子葉片前緣32半徑，其尾緣36與靜子葉片尾緣37具有相同的幾何，從而保證靜子葉片出口具有更均勻的氣流角分布。在輪轂側串聯小葉片20，21，22相對位置關係上，輪轂側串聯小葉片二前緣30到靜子葉片前緣32的距離le2小於輪轂側串聯小葉片一尾緣34到靜子葉片前緣32的距離te1，輪轂側串聯小葉片三前緣31到靜子葉片前緣32的距離le3小於輪轂側串聯小葉片二尾緣35到靜子葉片前緣32的距離te2，使得相鄰兩段小葉片20與21，21與22之間具有軸向重疊度；輪轂側串聯小葉片一20的型面到輪轂側串聯小葉片二21的型面間的最小距離t1位於輪轂側串聯小葉片一尾緣34處，且其數值小於靜子葉片3最大厚度的1/3，輪轂側串聯小葉片二21的型面到輪轂側串聯小葉片三22的型面間的最小距離t2位於輪轂側串聯小葉片二尾緣35處，且其數值小於靜子葉片3最大厚度的1/3，其中，距離t1與距離t2為獨立參數，兩者之間無關聯。輪轂側串聯小葉片二吸力面27在與靜子葉片吸力面19過渡處曲率半徑為r1，且t1與r1的比值不大於0.05，使得輪轂側串聯小葉片三吸力面28在與靜子葉片吸力面19過渡處曲率半徑為r2，且t2與r2的比值不大於0.05。t1與r1，t2與r2的比值約束使得相鄰兩段小葉片20與21,21與22間縫隙出口的自壓差射流滿足科恩達條件，具有附壁效應。

在實際使用過程中，來自於壓氣機靜子葉片前的動葉出口氣流作用於靜子葉片3，自靜子葉片前緣32到靜子葉片尾緣37繞流該葉片，繞過靜子葉片吸力面19的流體在靜子葉片主體38部分受機匣端壁2和輪轂端壁1影響較小，具有較好的二維附壁流動特性；繞過靜子葉片吸力面19的流體在靜子葉片壓力面33與靜子葉片吸力面19間橫向壓力梯度的作用下產生端壁橫流，在傳統的壓氣機靜葉級中，該部分流體自端壁1，2作用於靜子葉片吸力面19，產生二次流結構，所形成的低能流體團堆積在端壁角區，造成流道擁堵，使得總壓損失急劇增大、靜子葉片性能急劇下降；本發明所提出的一種根部串聯多段葉型的大彎折角壓氣機靜子葉片3，在機匣2側/輪轂1側葉根部，由靜子葉片壓力面33與吸力面19的壓差作用，在連接靜子葉片主體38與機匣端壁2/輪轂端壁1的小葉片4與5，5與6，20與21，21與22間會形成速度略大於主流速度的自壓差射流，為機匣端壁2/輪轂端壁1角區二次流作用下形成的低能流體團流體提供能量，攜帶其向下遊發展，起到抑制壓氣機靜子葉片三維角區分離流動，減弱靜子葉片通道流動擁堵，增加流通能力，改善壓氣機靜子葉片性能的效果。

實施例1中所述方案，已在真實應用馬赫數(ma＝0.59)條件下進行了相關實驗驗證，在-4°、-1.69°、0°、2°、4°來流攻角工況分別獲得了降低總壓損失係數1.5％、18.4％、20.6％、24.3％、39.4％的收益，並將低總壓損失係數所對應的有效工作攻角範圍增大到原始靜子葉片的150％。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在於本實施例的機匣側串聯小葉片一4與輪轂側串聯小葉片一20具有不同的葉型幾何，機匣側串聯小葉片二5與所述輪轂側串聯小葉片二21具有不同的葉型幾何，機匣側串聯小葉片三6與輪轂側串聯小葉片三22具有不同的葉型幾何，機匣側串聯小葉片4，5，6展向高度大於輪轂側串聯小葉片20，21，22展向高度。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。