一种泪滴型根部倒圆结构、设计方法及应用

1.本发明属于叶轮机械的流动控制领域，具体涉及一种泪滴型根部倒圆结构、设计方法及应用。


背景技术：

2.伴随高负荷轴流压气机的发展，压气机单级负荷提升，逆压梯度与横向压差引起的二次流显著增大，随之引发的三维角区分离现象加剧。公开的试验研究“axial compressor stator aerodynamics”(journal of engineering for gas turbines and power，1985,107(2))表明，某双级压气机处于近失速工况时，第二级静叶轮毂角区分离造成的气流堵塞可覆盖到40％叶高。公开的技术文献“a criterion for axial compressor hub-corner stall”(journal of turbomachinery,2008,130(3))表明，角区分离的程度是决定压气机性能和稳定性的关键因素之一。因此，如何控制静叶角区分离并扩大工作范围，已经成为当前研究的热点。
3.公开的技术文献“吸力面开槽抽吸对跨声速压气机扇形静子叶栅性能影响的数值研究”(大连海事大学学报,2019,45(04))，针对轴流压气机静子角区流动分离展开了附面层抽吸研究。即在压气机静叶吸力面开设抽吸槽，抽取角区的分离低能流体，从而抑制角区分离在叶片通道中的进一步发展。然而，这种角区分离控制技术需要增加气路、控制器及电源，并且还需要外界提供能量，这在一定程度上限制了此技术在实际工程中的应用。因此，有必要发展被动流动控制技术来进行压气机静叶角区分离流动控制。
4.被动流动控制是没有辅助能量消耗的流动控制。这种控制技术通过改变流动边界条件、压强梯度等达到控制流动的目的，主要采用调节优化几何型面来实现。公开的技术文献“端壁倒圆对高负荷压气机叶栅性能及流场影响的机理探究”(推进技术,2017,38(12))，针对压气机的角区分离流动展开了常规型叶根倒圆研究。即在叶根区域施加环绕整个叶根且半径恒定不变的倒圆。该研究表明，静子叶栅根部的倒圆可使出口流动更加均匀，二次流能量显著减小，从而在整体上降低损失，改善角区流动。然而，常规型倒圆需要对整个叶根区域施加倒圆，当倒圆半径较小时，倒圆对二次流的控制不佳，当倒圆半径较大时，压气机的流通能力和效率难以兼顾。而压气机角区分离一般情况下都发生在静子叶片吸力面的部分区域上，因此有必要发展叶根部分区域的倒圆结构。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题：
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种泪滴型根部倒圆结构和设计方法，该倒圆结构绕叶根周向设计为非闭环分布，所述倒圆结构的外缘型线呈泪滴型，覆盖于前缘到吸力面/前缘到压力面的部分叶根，即采取泪滴型的型线进行倒圆之间的过渡。将本发明倒圆结构应用于压气机静叶根部，能够减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，从而抑制静叶近失速工况下的角区分离。
7.本发明的技术方案是：一种泪滴型根部倒圆结构，所述倒圆结构的截面由倒圆半径r和切角θ两个结构参数控制，取r＝0.5δ，θ＝15
°
，其中δ为静叶通道入口的附面层厚度。
8.本发明的进一步技术方案是：所述倒圆结构为沿叶根周向设置的非闭环倒圆，以前缘为起点，位于吸力面侧的轴向长度为l1＝0.7ca，位于压力面侧的轴向长度为l2＝0.3ca，其中ca表示叶根处叶型的轴向弦长。
9.本发明的进一步技术方案是：所述倒圆结构沿周向的外缘分布型线为泪滴型，泪滴型的顶部圆弧与叶根前缘相对，泪滴型两侧的收敛部分分别与吸力面、压力面根部相交，即定位倒圆结构在吸力面、压力面的的终点。
10.一种泪滴型根部倒圆结构的设计方法，具体步骤如下：
11.步骤1：设计倒圆结构的截面形状，确定倒圆半径r与切角θ；
12.步骤2：采用泪滴型的型线进行叶根倒圆之间的过渡，对型线进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布；
13.步骤3：将标准化泪滴型厚度分布乘以倒圆半径r，得到泪滴型倒圆结构在叶根上的实际厚度分布。
14.本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，采用倒圆半径r与切角θ两个结构参数控制叶根倒圆的剖面形状；取r＝0.5δ，θ＝15
°
，其中δ为静叶通道入口的附面层厚度。
15.本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中泪滴型过渡方程为，
[0016][0017]
式中，t表示叶根处叶型的无量纲轴向弦长，0≤t≤1。
[0018]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，将式(1)中x与t的关系进行变换，并将其进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布x:
[0019][0020]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，令t＝z/li，泪滴型倒圆结构在叶根上的实际厚度分布t公式如下：
[0021][0022]
式中，z表示叶根处叶型的轴向坐标，li表示轴向延伸长度，即倒圆从前缘开始一直延伸到某个轴向位置为止的长度。
[0023]
一种泪滴型根部倒圆结构应用于压气机静叶根部。
[0024]
本发明的进一步技术方案是：所述压气机静叶根部吸力面上的轴向延伸长度l1＝0.7ca，压力面上的轴向延伸长度l2＝0.3ca，其中ca表示叶根处叶型的轴向弦长。
[0025]
有益效果
[0026]
本发明的有益效果在于：本发明的倒圆结构截面由倒圆半径与倒圆切角两个结构参数控制，整体为绕叶根周向设计的非闭环分布，周向外缘分布型线呈泪滴型；将本发明倒圆结构应用于压气机静叶根部，能够减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，从而抑制静叶近失速工况下的角区分离。相对于常规型倒圆，本发明能够进一步降低近
失速工况下角区分离引起的气动损失。对于轴流压气机而言，在发生角区分离的静子叶排根部施加本发明可以扩大压气机的稳定工作范围，且能兼顾效率和流通能力。
[0027]
在近端壁处的低速流区域，泪滴型倒圆可以实现更低的横向压差，并能够将逆压梯度进行重新分配，使其分布更加合理，从而减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，进而抑制静叶近失速工况下的角区分离。泪滴型倒圆在近失速工况下可以显著降低角区分离引起的气动损失，相较于未施加倒圆结构的静叶，可降低损失约12.83％；相比于常规型倒圆，泪滴型倒圆对角区分离的控制效果更佳，能够进一步降低损失约2.37％。
[0028]
对于整台轴流压气机而言，在发生角区分离的静子叶排根部施加泪滴型倒圆可以有效地控制流动分离，扩大压气机的稳定工作范围，且能兼顾效率和流通能力。经实施例验证，失稳点流量从26.3568kg/s降低至25.7428kg/s，综合稳定裕度改进量约为3.03％。同时压气机最高效率仅降低约0.05％，压气机最大流量不变。因此，本发明可使压气机扩稳能力提高，且能兼顾效率和流通能力。
附图说明
[0029]
图1为实施例1的三维示意图。
[0030]
图2为叶根倒圆的截面示意图。
[0031]
图3为泪滴型型线。
[0032]
图4为标准化泪滴型厚度分布曲线。
[0033]
图5为泪滴型倒圆在端壁上的分布示意图。
[0034]
图6为叶根施加常规型倒圆和泪滴型倒圆后的叶栅三维对比示意图。
[0035]
图7为近失速工况下施加泪滴型倒圆前后的叶栅极限流线和三维逆流范围对比图。
[0036]
图8为近失速工况下施加泪滴型倒圆前后的1％叶高处横向压差对比图。
[0037]
图9为近失速工况下施加泪滴型倒圆前后的1％叶高处逆压梯度对比图。
[0038]
图10为第三、四级静叶根部施加泪滴型倒圆前后的四级半压气机流量-压比特性对比。
[0039]
图11为第三、四级静叶根部施加泪滴型倒圆前后的四级半压气机流量-效率特性对比。
具体实施方式
[0040]
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0041]
目前，角区分离现象的发生主要源于端壁的二次流动对附面层低能流体的驱动作用，这与压气机基元级的气动载荷密切相关。现有的多数轴流压气机的基元负荷常常设计为沿展向变化，这将导致二次流在通道内的发展受到影响，进而影响压气机中的角区分离。本实施例提供一种控制压气机静叶角区分离的泪滴型根部倒圆结构，该倒圆结构绕叶根周向设计为非闭环分布，所述倒圆结构的外缘型线呈泪滴型，覆盖于前缘到吸力面/前缘到压力面的部分叶根，即采取泪滴型的型线进行倒圆之间的过渡。
[0042]
该倒圆结构的设计思路为，首先采用倒圆半径与倒圆切角两个结构参数控制叶根
倒圆的剖面形状；然后采取泪滴型的型线进行叶根倒圆之间的过渡，将其进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布曲线；最后对标准化泪滴型厚度分布曲线乘以倒圆半径，得到泪滴型倒圆在叶根上的实际厚度分布。
[0043]
本发明的倒圆结构可以减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，从而抑制静叶近失速工况下的角区分离；相对于常规型倒圆，可进一步降低近失速工况下角区分离引起的气动损失。对于轴流压气机而言，在发生角区分离的静子叶排根部施加本发明可以扩大压气机的稳定工作范围，且能兼顾效率和流通能力。
[0044]
实施例1：
[0045]
为了具体展示本发明对角区分离的控制机理和效果，首先以一高负荷大尺度的低速轴流压气机静子叶栅(其基元叶型沿叶高不发生变化)为例。
[0046]
如图1所示，静子叶栅的基元叶型为双圆弧叶型，设计进、出口气流角分别为52
°
和12
°
，安装角为20.5
°
，设计扩压系数为0.5，弦长为114.3mm，叶展为200mm，栅距为53.4mm。
[0047]
如图2所示，采用倒圆半径r与切角θ两个结构参数控制叶根倒圆的剖面形状。取r＝0.5δ，θ＝15
°
，其中δ为静叶通道进口的附面层厚度。
[0048]
采取泪滴型的型线进行叶根倒圆之间的过渡。泪滴型型线如图3所示，其方程为：
[0049][0050]
式中，参数t表示叶根处叶型的无量纲轴向弦长,0≤t≤1。将(1)式中x与t的关系进行变换，并将其进行归一化处理，得到图4所示的标准化泪滴型厚度分布x:
[0051][0052]
对式(2)乘以倒圆半径r，并令t＝z/li，得到图5所示的泪滴型倒圆在叶根上的实际厚度分布t:
[0053][0054]
式中，z表示叶根处叶型的轴向坐标，li表示轴向延伸长度，即li定义为倒圆从前缘开始一直延伸到某个轴向位置为止的长度。吸力面上的轴向延伸长度l1＝0.7ca，压力面上的轴向延伸长度l2＝0.3ca，其中ca表示叶根处叶型的轴向弦长。
[0055]
如图6所示，对比了叶根施加常规型倒圆(r＝0.5δ，θ＝15
°
)和泪滴型倒圆(r＝0.5δ，θ＝15
°
，l1＝0.7ca，l2＝0.3ca)后的三维结构图。
[0056]
如图7所示，原型叶栅中的流动在叶根吸力面前缘处已经开始发生分离，且在向下游的发展过程中，叶根吸力面的分离几乎一直存在；流动分离在整个叶高中都不同程度的存在；三维逆流自叶根前缘就开始分离的区域占据了相当一部分叶高，整个逆流范围也比较靠近上游。引入泪滴型倒圆后，端壁上的极限流线在叶片通道中几乎不存在分离，叶片吸力面上的分离线明显后移，虽然在叶中要比原型稍有靠前，但整体效果良好；特别是在叶根附近，能够观察到逆流区向后下游和向叶中移动，根部附近有相当一部分区域都不存在逆流。
[0057]
如图8～9所示，在原型叶栅前缘附近，近端壁上的横向压差和逆压梯度先达到一
个极大值，而后逐渐回落。因此，原型叶栅前缘附近巨大的吸压力面横向压差与很高的逆压梯度，是端壁上的流动自前缘开始就产生分离的一个重要原因。因为在前缘就已经产生分离，所以在下游的流动中，由于逆压梯度一直存在，分离造成的影响也一直持续。
[0058]
而带有泪滴型倒圆的叶栅，在前缘的横向压差与逆压梯度并没有那么高，因此在泪滴型倒圆叶栅前缘处当地的吸压力面压差与逆压梯度不足以驱使流动自一开始就产生分离。沿着轴向继续向下游的流动过程中，虽然在约10％～40％轴向弦长之间逆压梯度要高于原型叶栅，但由于此时的端壁流动并未产生分离，足以承受此处的逆压梯度。40％轴向弦长之后继续朝下游发展，逆压梯度一直保持更低的趋势，因而下游的整体流动分离程度小于原型叶栅。
[0059]
综合图7～9可知，在近端壁处的低速流区域，泪滴型倒圆可以实现更低的横向压差，并能够将逆压梯度进行重新分配，使其分布更加合理，从而减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，进而抑制近失速工况下的角区分离。
[0060]
表1近失速工况下施加常规性倒圆和泪滴型倒圆前后的叶栅总压损失对比
[0061]
气动参数原型常规型倒圆泪滴型倒圆总压损失系数0.18400.16430.1604
[0062]
表1的仿真结果表明，泪滴型倒圆在近失速工况下可以显著降低角区分离引起的气动损失，相较于原型叶栅，可降低损失约12.83％；相比于常规型倒圆，泪滴型倒圆对角区分离的控制效果更佳，能够进一步降低损失约2.37％。
[0063]
实施例2：
[0064]
为了进一步说明本发明对真实轴流压气机静叶角区分离的控制效果，以某四级半压气机为例。在97.5％设计转速的近失速工况下，第三和第四级静叶根部先后出现大规模的低能流体。
[0065]
如图9～10所示，在本实施例中开展了第三、四级静叶根部施加本发明所述的泪滴型倒圆的数值模拟仿真研究，得到施加本发明后压气机性能变化前后的数据。
[0066]
表2第三、四级静叶根部施加泪滴型倒圆前后的四级半压气机性能对比
[0067][0068]
[0069]
仿真结果表明，在轴流压气机发生角区分离的静子叶排根部施加泪滴型倒圆可以有效地控制流动分离，扩大压气机的稳定工作范围。失稳点流量从26.3568kg/s降低至25.7428kg/s，综合稳定裕度改进量约为3.03％。同时压气机最高效率仅降低约0.05％，压气机最大流量不变。因此，本发明可使压气机扩稳能力提高，且能兼顾效率和流通能力。
[0070]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种泪滴型根部倒圆结构，其特征在于：所述倒圆结构的截面由倒圆半径r和切角θ两个结构参数控制，取r＝0.5δ，θ＝15
°
，其中δ为静叶通道入口的附面层厚度。2.根据权利要求1所述一种泪滴型根部倒圆结构，其特征在于：所述倒圆结构为沿叶根周向设置的非闭环倒圆，以前缘为起点，位于吸力面侧的轴向长度为l1＝0.7c
a
，位于压力面侧的轴向长度为l2＝0.3c
a
，其中c
a
表示叶根处叶型的轴向弦长。3.根据权利要求2所述一种泪滴型根部倒圆结构，其特征在于：所述倒圆结构沿周向的外缘分布型线为泪滴型，泪滴型的顶部圆弧与叶根前缘相对，泪滴型两侧的收敛部分分别与吸力面、压力面根部相交，即定位倒圆结构在吸力面、压力面的的终点。4.一种权利要求1-3任一项所述泪滴型根部倒圆结构的设计方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：设计倒圆结构的截面形状，确定倒圆半径r与切角θ；步骤2：采用泪滴型的型线进行叶根倒圆之间的过渡，对型线进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布；步骤3：将标准化泪滴型厚度分布乘以倒圆半径r，得到泪滴型倒圆结构在叶根上的实际厚度分布。5.根据权利要求4所述一种泪滴型根部倒圆结构的设计方法，其特征在于：所述步骤1中，采用倒圆半径r与切角θ两个结构参数控制叶根倒圆的剖面形状；取r＝0.5δ，θ＝15
°
，其中δ为叶片进口通道的附面层厚度。6.根据权利要求5所述一种泪滴型根部倒圆结构的设计方法，其特征在于：所述步骤2中泪滴型过渡方程为，式中，t表示叶根处叶型的无量纲轴向弦长，0≤t≤1。7.根据权利要求6所述一种泪滴型根部倒圆结构的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，将式(1)中x与t的关系进行变换，并将其进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布x:8.根据权利要求7所述一种泪滴型根部倒圆结构的设计方法，其特征在于：所述步骤3中，令t＝z/l
i
，泪滴型倒圆结构在叶根上的实际厚度分布t公式如下：式中，z表示叶根处叶型的轴向坐标，l
i
表示轴向延伸长度，即倒圆从前缘开始一直延伸到某个轴向位置为止的长度。9.一种权利要求1-3任一项所述泪滴型根部倒圆结构应用于压气机静叶根部。10.根据权利要求9所述泪滴型根部倒圆结构应用，其特征在于：所述压气机静叶根部吸力面上的轴向延伸长度l1＝0.7c
a
，压力面上的轴向延伸长度l2＝0.3c
a
，其中c
a
表示叶根
处叶型的轴向弦长。

技术总结
本发明一种泪滴型根部倒圆结构、设计方法及应用，属于叶轮机械的流动控制领域；倒圆结构的截面由倒圆半径R和切角θ两个结构参数控制。该倒圆结构绕叶根周向为非闭环分布，外缘型线呈泪滴型，覆盖于前缘到吸力面/压力面的部分叶根，即采取泪滴型的型线进行倒圆之间的过渡。方法为，首先采用倒圆半径与倒圆切角两个结构参数控制叶根倒圆的剖面形状；然后采取泪滴型的型线进行叶根倒圆之间的过渡，将其进行归一化处理，得到标准化泪滴型厚度分布曲线；最后对标准化泪滴型厚度分布曲线乘以倒圆半径，得到泪滴型倒圆在叶根上的实际厚度分布。本发明能够减弱横向压差和逆压梯度对端壁低速流的驱动和作用，从而抑制静叶近失速工况下的角区分离。下的角区分离。下的角区分离。


技术研发人员：郭正涛 楚武利 刘凯烨
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/25