一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法

1.本发明涉及涡扇发动机中低压涡轮叶片的控制方法，具体涉及一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法。


背景技术：

2.涡扇发动机因为效率高、耗油率低和续航能力强等优点被广泛应用于民用航空领域。随着民航经济利益的需求不断提高，对涡扇发动机效率的要求也随之提高，通过减少低压涡轮重量即减少级数和叶片数来提高低压涡轮的效率是提高涡扇发动机效率的有效方法之一。
3.然而对于低压涡轮来说，级数和叶片数的减少就意味着叶片承受更高的载荷， 高气动负荷会使得低压涡轮内部的流动更加复杂，流动分离严重，涡轮性能下降。
4.附面层分离是涡轮性能损失的源头之一，若增强叶片吸力面的逆压梯度，受横向压力梯度和轴向逆压梯度共同作用，端壁附面层与叶片附面层在叶根处交汇，造成附面层堆积。由于民航飞行器在巡航工况中雷诺数较低，叶片表面为层流，气流的抗分离能力较小，容易产生附面层分离，主要分为闭式分离泡和开式分离泡，图2为闭式分离泡，闭式分离泡对涡轮的气动性能影响较小，若转捩点距离分离点较远，则会形成如图3所示的开式分离泡，开式分离泡会大范围影响叶片吸力面的压力分布，甚至会堵塞叶片通道，降低涡轮性能。
5.端区二次流作为涡轮性能损失的另一个源头，主要以通道涡的形式影响端区的流场，造成涡轮的性能下降。如图4所示，叶片前缘处附面层中的低能流体受径向压力梯度的影响，往端壁方向流动并在碰到端壁后卷起产生漩涡，该漩涡继续由叶片前缘往下游发展形成马蹄涡。马蹄涡进入叶片通道以后，受横向压力梯度的影响，不断卷入叶片端壁附面层的低能流体，与下游叶片吸力面的马蹄涡交汇形成通道涡。受马蹄涡和通道涡的共同影响，会在叶片吸力面形成壁面涡，往下游发展在叶片尾缘处形成脱落涡。由于这些漩涡的存在，导致低压涡轮的性能下降。
6.这些复杂流动现象对涡轮效率的影响不容忽视，因此对涡轮进行流动控制尤为重要，流动控制方法分为定常流动控制方法和非定常流动控制方法，非定常流动控制方法能够用远少于定常流动控制方法所需要的能量来得到和定常流动控制方法一样的效果，因此被广泛使用。
7.流动控制方法又可分为主动流动控制方法和被动流动控制方法，相较于主动流动控制方法，被动流动控制无需能量的主动注入，避免布置复杂的能量激励路径，只需要对部件进行一定的加工，就可以实现不间断的流动控制，因此被动非定常流动控制成为了一种较好的选择。目前已经研究的被动流动控制方法主要有：球窝表面处理和凹槽表面处理等，这些技术虽然能一定的提高低压涡轮的性能，但受雷诺数的影响较大，在实际工况下，很难维持在最佳工作状态。然而相较于主动流动控制方法，被动流动控制无需能量的主动注入，避免布置复杂的能量激励路径，只需要对部件进行一定的加工，就可以实现不间断的流动
控制，因此被动非定常流动控制成为了一种较好的选择。
8.因此，须提出一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于，提供一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，以克服现有技术所存在的上述缺点和不足。
10.一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其方法是对低压涡轮叶片进行被动非定常流动控制方法，用以控制低压涡轮叶片的叶片吸力面的附面层分离和端区二次流，该方法是通过以下步骤实现的：步骤一、在低压涡轮叶片上安装扫频式射流器，所述扫频式射流器的入口位于叶片压力面处，所述扫频式射流器的出口位于叶片吸力面处，所述扫频式射流器的出口位置对应于叶片压力面的附面层堆积处，以达到从叶片压力面向叶片吸力面引流喷射的效果。
11.进一步，其方法针对叶片吸力面的附面层分离位置，调整扫频式射流器的高度、扫频式射流器的入口宽度、扫频式射流器的出口宽度、扫频式射流器的射流角度、扫频式射流器的个数。
12.进一步，其方法通过调整扫频式射流器的射流角度、入口宽度、出口宽度和高度，调整射流的强度大小和射流的频率；其方法通过调整射流角度，移动扫频式射流器的入口位置，将入口对应于叶片压力面的较高压力处，进而增加扫频式射流器进出口的压力差，达到提高其射流频率的效果；其方法增加扫频式射流器的入口宽度、出口宽度和高度，通过增加出入口面积，提高射流的流量，达到增加射流强度的效果。
13.进一步，其方法对于叶片吸力面不同位置的附面层分离，通过在低压涡轮叶片上布置多个扫频式射流器实现叠加效果。
14.本发明的有益效果：本发明相较于其他流动控制，利用涡轮叶片两侧的压差形成被动非定常流动控制，所需的能量极小，全靠压差运作，无需布置多余的控制线路，也没有复杂的活动部件，在安装上更简便。
附图说明
15.图1是低压涡轮叶片及扫频式射流器安装示意图。
16.图2是闭式分离泡示意图。
17.图3是开式分离泡示意图。
18.图4是端区二次流示意图。
19.图5是扫频式射流器示意图。
20.图6是扫频式射流器流动路线示意图。
21.图7是扫频式射流器的另一种流动路线示意图。
22.图8是本发明出口宽度和扫频式射流器高度的安装参数示意图。
23.图9是本发明射流角度的安装参数示意图。
24.图10是本发明入口宽度的安装参数示意图。
25.图11是本发明结构示意图。
26.图12是本发明另一结构示意图。
27.图13是本发明多个扫频式射流器安装示意图。
28.图14是本发明多个扫频式射流器安装俯视图。
29.附图标记：低压涡轮叶片100、叶片压力面1、叶片吸力面2、开式分离泡3、闭式分离泡4、马蹄涡5、通道涡6、扫频式射流器入口7、壁面8、出口壁面9、反馈通道10、射流器壁面11、高度h、出口宽度b、射流角度α、入口宽度a。
30.扫频式射流器110。
具体实施方式
31.以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
32.图1是低压涡轮叶片及扫频式射流器安装示意图。图2是闭式分离泡示意图。图3是开式分离泡示意图。图4是端区二次流示意图。图5是扫频式射流器示意图。图6是扫频式射流器流动路线示意图。图7是扫频式射流器的另一种流动路线示意图。图8是本发明出口宽度和扫频式射流器高度的安装参数示意图。图9是本发明射流角度的安装参数示意图。图10是本发明入口宽度的安装参数示意图。图11本发明结构示意图。图12是本发明另一结构示意图。图13是本发明多个扫频式射流器安装示意图。图14是本发明多个扫频式射流器安装俯视图。
33.实施例1如图1-14所示，一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其方法是对低压涡轮叶片100进行被动非定常流动控制方法，用以控制低压涡轮叶片100的叶片吸力面2的附面层分离和端区二次流，该方法是通过以下步骤实现的：步骤一、在低压涡轮叶片100上安装扫频式射流器110，扫频式射流器110的入口位于叶片压力面1处，扫频式射流器110的出口位于叶片吸力面2处，扫频式射流器110的出口位置对应于叶片压力面1的附面层堆积处，以达到从叶片压力面1向叶片吸力面2引流喷射的效果。
34.其方法针对叶片吸力面2的附面层分离位置，调整扫频式射流器110的高度h、扫频式射流器110的入口宽度a、扫频式射流器110的出口宽度b、扫频式射流器110的射流角度α、扫频式射流器110的个数n。
35.其方法通过调整扫频式射流器110的射流角度α、入口宽度a、出口宽度b和高度h，调整射流的强度大小和射流的频率；其方法通过调整射流角度α，移动扫频式射流器110的入口位置，将入口对应于叶片压力面1的较高压力处，进而增加扫频式射流器110进出口的压力差，达到提高其射流频率的效果；其方法增加扫频式射流器110的入口宽度a、出口宽度b和高度h，通过增加出入口面积，提高射流的流量，达到增加射流强度的效果。
36.其方法对于叶片吸力面2不同位置的附面层分离，通过在低压涡轮叶片上布置多
个扫频式射流器110实现叠加效果。
37.如图1-5所示，在现有大涵道比的涡扇发动机中，可以通过减少低压涡轮级数和叶片数来达到减少涡轮重量、提高涡轮效率的效果，但会带来叶片负荷的提高，逆压梯度增加，极易发生附面层分离，产生开式分离泡3和闭式分离泡4，同时还会产生端区二次流，形成马蹄涡5和通道涡6，这些都会造成严重的气动损失。
38.如图11-12所示，因此本发明提出了一种在低压涡轮叶片上安装扫频式射流器的装置，利用叶片通道两侧的压力差，通过被动非定常流动控制方法抑制叶片处的附面层分离和端区二次流，进而提高涡轮的工作效率。
39.如图6-7所示，为了有效提高低压涡轮的性能，本发明中扫频式射流器110的出口需要尽可能的对准叶片吸力面2处的分离泡以及通道涡6，入口选择叶片压力面1压力较高的区域，由于叶片两次存在压力差，叶片压力面1的部分气流会流入扫频式射流器110。流体从扫频式射流器入口7流入，由于coanda效应，在物体曲率不大的情况下，流体会倾向于沿着物体壁面流动，因此流体会沿着射流器的壁面8流动，经过喉部沿出口壁面9射出，部分流体会流进反馈通道10中，形成反馈流影响上游的流动，使得扫频式射流器入口7处的流体改变流向，沿射流器壁面11流动，经过喉部形成沿出口壁面9的射流，部分流体会进入反馈通道10对扫频式射流器入口7的流体进行影响，不断循环往复，在叶片吸力面2形成上下循环扫射的射流。该射流具有扫射面积大、呈周期性扫射的特点，能够很好的抑制附面层分离和端区二次流。
40.如图8-10所示，为了进一步提高其控制效果，本发明可以根据分离泡与通道涡6的大小与位置修改参数射流器的高度h、出口宽度b、射流角度α以及扫频式射流器的数量n，准确对其进行抑制。还可以通过增加入口宽度a、出口宽度b和高度h，对进出口的面积进行调整，进而提高扫射的强度，同时，由于低压涡轮叶片工作时叶片各位置处压力不同，可以通过调整射流角度α，增加进出口的压力差，进而提高扫射的频率。因此，为了达到最佳控制效果，需要根据实际的情况，将各参数设置为有利于抑制附面层分离和端区二次流。
41.在本实施例中，通过cfx模拟计算，采用具有gamma theta跃迁和二阶精度的sst k-ω湍流模型，该模型上述模型已在分离流中得到广泛验证，在非定常计算方面，采用cfx“高分辨率”格式和二阶后向欧拉瞬态格式。使用恒定的时间步长5.0
×
10-6 s，每个时间步内的最大迭代次数设置为5。经计算，在射流器的高度为13.28mm，出口宽度为13.1mm，入口宽度为4.28mm和射流角度90
°
时，本发明会达到最理想的效果。
42.对于低压涡轮叶片吸力面2产生较大附面层分离的情形，本发明可以通过在低压涡轮叶片上安装多个扫频式射流器的方式，如图13-14，达到大面积流动控制的效果。在本实施例中为1个。
43.本发明相较于其他流动控制，利用涡轮叶片两侧的压差形成被动非定常流动控制，所需的能量极小，全靠压差运作，无需布置多余的控制线路，也没有复杂的活动部件，在安装上更简便。
44.以上对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，只要不脱离本发明的宗旨，本发明还可以有各种变化。

技术特征：
1.一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其特征在于：其方法是对低压涡轮叶片（100）进行被动非定常流动控制方法，用以控制低压涡轮叶片（100）的叶片吸力面（2）的附面层分离和端区二次流，该方法是通过以下步骤实现的：步骤一、在低压涡轮叶片（100）上安装扫频式射流器（110），所述扫频式射流器（110）的入口位于叶片压力面（1）处，所述扫频式射流器（110）的出口位于叶片吸力面（2）处，所述扫频式射流器（110）的出口位置对应于叶片压力面（1）的附面层堆积处，以达到从叶片压力面（1）向叶片吸力面（2）引流喷射的效果。2.根据权利要求1所述一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其特征在于：其方法针对叶片吸力面（2）的附面层分离位置，调整扫频式射流器（110）的高度（h）、扫频式射流器（110）的入口宽度（a）、扫频式射流器（110）的出口宽度（b）、扫频式射流器（110）的射流角度（α）、扫频式射流器（110）的个数n。3.根据权利要求1所述一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其特征在于：其方法通过调整扫频式射流器（110）的射流角度（α）、入口宽度（a）、出口宽度（b）和高度（h），调整射流的强度大小和射流的频率；其方法通过调整射流角度（α），移动扫频式射流器（110）的入口位置，将入口对应于叶片压力面（1）的较高压力处，进而增加扫频式射流器（110）进出口的压力差，达到提高其射流频率的效果；其方法增加扫频式射流器（110）的入口宽度（a）、出口宽度（b）和高度（h），通过增加出入口面积，提高射流的流量，达到增加射流强度的效果。4.根据权利要求1所述一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法，其特征在于：其方法对于叶片吸力面（2）不同位置的附面层分离，通过在低压涡轮叶片上布置多个扫频式射流器（110）实现叠加效果。

技术总结
本发明公开了一种基于扫频式射流器的低压涡轮叶片流动控制方法：其方法是对低压涡轮叶片进行被动非定常流动控制方法，用以控制低压涡轮叶片的叶片吸力面的附面层分离和端区二次流，该方法是通过以下步骤实现的：步骤一、在低压涡轮叶片上安装扫频式射流器，扫频式射流器的入口位于叶片压力面处，扫频式射流器的出口位于叶片吸力面处，扫频式射流器的出口位置对应于叶片压力面的附面层堆积处，以达到从叶片压力面向叶片吸力面引流喷射的效果。本发明相较于其他流动控制，利用涡轮叶片两侧的压差形成被动非定常流动控制，所需的能量极小，全靠压差运作，无需布置多余的控制线路，也没有复杂的活动部件，在安装上更简便。在安装上更简便。在安装上更简便。


技术研发人员：张洪鑫 业嘉年 徐驰 黄国平
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/27