【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于叶轮机械领域，具体涉及一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构及设计方法。
技术介绍
1、目前，航空发动机高推重比、低耗油率的发展趋势使得轴流压气机的设计负荷不断提高。然而，压气机单级负荷的持续增大会造成流道内部的轴向与横向压力梯度随之增强，由此导致的端区复杂流动现象会给压气机气动性能带来不利影响。三维角区分离作为高负荷轴流压气机中常见的端区复杂流动现象之一，一直以来都是研究者们所关注的重点。
2、截至目前，基本共识已经达成，即三维角区分离不仅会增大压气机的损失、落后角和堵塞，造成气动效率的下降，还有可能诱发旋转失速或喘振，从而严重影响压气机的工作稳定性，制约压气机气动性能的进一步提升。因此，在深入了解压气机复杂流动机理的基础上，通过各种可行的流动控制技术来推迟或消除角区分离，使得压气机在保持较高负荷水平的同时具有较高的气动效率和宽广的稳定工作范围，成为近年来压气机气动力学的重要研究方向之一。
3、射流控制技术通过端壁或叶片表面的狭缝或圆孔结构产生射流，为角区堆积的低能附面层重新注入能量，从而增强附面层抵抗逆压力梯度的能力，实现对角区分离的有效控制。因此，射流控制技术在近年来得到了充分的研究与发展。现有技术中分别公开了目前主流的三种射流控制技术，分别是定常射流、非定常射流以及合成射流。
4、定常射流和非定常射流均需要附加的管路系统和外部的气源供应。合成射流通过激励器受外力驱动在腔体内部作周期性往复运动，从而在孔口处周期性地吸入或吹出气流。其不需要复杂的管路系统，但仍需要外部驱动系统
5、除了以上三种主动射流技术外，现有技术中也存在一种被动射流技术，即叶片开槽射流技术。例如现有技术中公开的叶根处开设等宽圆弧槽的压气机静子叶片，其能够通过叶片上的槽道结构在压差的驱动下自发产生被动射流。然而，作为压气机中结构强度较低的部件，压气机叶片开设槽道后会进一步降低叶片强度，从而可能对压气机工作稳定性产生严重的不利影响。
6、因此，专利技术一种应用在结构强度较高的端壁(轮毂和机匣)上的被动射流装置是十分有必要的。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构及设计方法，通过合理的端壁缝隙结构将缝隙进、出口与端壁压力侧和端壁吸力侧相连通，并使得缝隙进、出口压差最大化。通过端壁两侧的压差抽吸掉部分近端壁压力侧的流体进入缝隙，并在压差和缝隙收敛段的作用下将其加速成为速度最大化的被动射流，以此实现对堆积于叶片吸力面/端壁角区的低能流体的有效再激励，提高其抵抗逆压力梯度的能力，从而对严重的三维角区分离实现最大程度的控制。本专利技术解决了端壁主动射流控制技术需要外部附加装置和额外能量消耗的弊端，丰富了对高负荷压气机叶片通道中严重的三维角区分离的被动控制手段。同时，提高了射流控制技术的经济性、工程实用性和控制效果，同时避免对压气机整体结构强度带来较大的不利影响。
3、本专利技术的技术方案是：一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述端壁缝隙结构位于叶栅通道内叶片根部的端壁上，包括位于叶片压力面侧端壁上的缝隙进口，位于叶片吸力面侧端壁上的缝隙出口，及连通缝隙进口、出口之间的气流通道，实现叶根两侧端壁的局部连通；近压力侧端壁的流体从缝隙进口进入气流通道，从缝隙出口射出，通过所述气流通道的上、下壁面与缝隙进口、出口的过渡配合使得缝隙射流贴合端壁流动。
4、本专利技术的进一步技术方案是：所述缝隙进口起始于叶片前缘，缝隙出口位于设计工况下角区分离起始点后10％-20％轴向弦长ca范围内。
5、本专利技术的进一步技术方案是：所述缝隙进口、出口分别贴合于叶片根部的压力面、吸力面，其沿弦向的截面轮廓线与对应部分叶片型线一致，以保证缝隙进、出口压差最大化。
6、本专利技术的进一步技术方案是：所述气流通道任意点的径向与相对位置的叶片型线垂直，以保证射流方向与叶片型线一致，增强射流对堆积于角区的低能流体的再激励作用。
7、本专利技术的进一步技术方案是：所述气流通道包括进口端、收敛段和出口端，缝隙进口面积大于缝隙出口面积，缝隙进口喉部面积大于缝隙出口喉部面积，以保证缝隙整体的收敛性从而更充分地加速引入缝隙的流体。
8、本专利技术的进一步技术方案是：所述缝隙出口相对的气流通道为出口端，其起点位于叶片前缘后30％ca的位置；所述收敛段两端分别与进口端、出口端相连，其轴向长度为10％ca，位于叶片前缘后20％ca-30％ca范围；所述缝隙进口相对的气流通道为进口端，起始于叶片前缘，位于叶片前缘后0-20％ca范围，能够抽吸掉充分的近端壁压力侧流体进入端壁缝隙。
9、本专利技术的进一步技术方案是：所述缝隙出口的轴向长度为20％ca，位于叶片前缘后30％ca-50％ca范围。
10、本专利技术的进一步技术方案是：所述气流通道进口端的下壁面与压力侧端壁相切平滑过渡，以减小缝隙引入气流所造成的损失；气流通道出口端的上、下壁面分别与吸力侧端壁相切平滑过渡，减小缝隙射流与主流的掺混损失，增强流动控制效果。
11、本专利技术的进一步技术方案是：所述缝隙进口、出口宽度分别为5％ca和2.5％ca，缝隙进口喉部宽度为缝隙出口喉部宽度的2.0倍，从而使得缝隙总体收敛比为4：1，以充分加速引入缝隙的气流；所述气流通道的上、下壁面最低点深度分别为1％叶片高度h和4％h。
12、一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构的设计方法：
13、基于原型叶栅通道构建端壁和叶片三维数字模型；
14、在叶片根部的端壁上开通局部连通叶片吸、压力面侧端壁的端壁缝隙；
15、所述端壁缝隙的进口位于叶片压力面侧端壁上，出口位于叶片吸力面侧端壁上，其中缝隙进口、出口分别贴合于叶片根部的压力面、吸力面，其沿弦向的截面轮廓线与对应部分叶片型线一致，以保证缝隙进、出口压差最大化；
16、所述端壁缝隙进口端的下壁面与压力侧端壁相切平滑过渡，以减小缝隙引入气流所造成的损失；端壁缝隙出口端的上、下壁面分别与吸力侧端壁相切平滑过渡，减小缝隙射流与主流的掺混损失，增强流动控制效果；
17、所述端壁缝隙内气体通道任意点的径向与相对位置的叶片型线垂直，以保证射流方向与叶片型线一致，增强射流对堆积于角区的低能流体的再激励作用。
18、进行数值模拟计算，获取压气机端壁缝隙结构的流场和气动参数。
19、本专利技术的进一步技术方案是：所述数值模拟计算步骤如下：
20、步骤1：设定边界条件；
21、叶片计算域进口设置为距离叶片前缘2.5ca处，计算域出口设置为距离叶片尾缘1.5ca处；叶栅通道两侧给定周期性边界条件，以使得数值模拟在一个叶片通道中进行；在叶展中部给定对称性边界条件以仅模型半叶高的流本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述端壁缝隙结构位于叶栅通道内叶片根部的端壁上，包括位于叶片压力面侧端壁上的缝隙进口，位于叶片吸力面侧端壁上的缝隙出口，及连通缝隙进口、出口之间的气流通道，实现叶根两侧端壁的局部连通；近压力侧端壁的流体从缝隙进口进入气流通道，从缝隙出口射出，通过所述气流通道的上、下壁面与缝隙进口、出口的过渡配合使得缝隙射流贴合端壁流动。
2.根据权利要求1所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙进口起始于叶片前缘，缝隙出口位于设计工况下角区分离起始点后10％-20％轴向弦长Ca范围内；所述缝隙进口、出口分别贴合于叶片根部的压力面、吸力面，其沿弦向的截面轮廓线与对应部分叶片型线一致，以保证缝隙进、出口压差最大化。
3.根据权利要求2所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述气流通道任意点的径向与相对位置的叶片型线垂直，以保证射流方向与叶片型线一致，增强射流对堆积于角区的低能流体的再激励作用。
4.根据权利要求3所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：
5.根据权利要求4所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙出口相对的气流通道为出口端，其起点位于叶片前缘后30％Ca的位置；所述收敛段两端分别与进口端、出口端相连，其轴向长度为10％Ca，位于叶片前缘后20％Ca-30％Ca范围；所述缝隙进口相对的气流通道为进口端，起始于叶片前缘，位于叶片前缘后0-20％Ca范围，能够抽吸掉充分的近端壁压力侧流体进入端壁缝隙。
6.根据权利要求5所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙出口的轴向长度为20％Ca，位于叶片前缘后30％Ca-50％Ca范围。
7.根据权利要求6所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述气流通道进口端的下壁面与压力侧端壁相切平滑过渡，以减小缝隙引入气流所造成的损失；气流通道出口端的上、下壁面分别与吸力侧端壁相切平滑过渡，减小缝隙射流与主流的掺混损失，增强流动控制效果。
8.根据权利要求7所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙进口、出口宽度分别为5％Ca和2.5％Ca，缝隙进口喉部宽度为缝隙出口喉部宽度的2.0倍，从而使得缝隙总体收敛比为4：1，以充分加速引入缝隙的气流；所述气流通道的上、下壁面最低点深度分别为1％叶片高度H和4％H。
9.一种权利要求1-8任一项所述射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构的设计方法，其特征在于：
10.根据权利要求9所述射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构的设计方法，其特征在于：所述数值模拟计算步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述端壁缝隙结构位于叶栅通道内叶片根部的端壁上，包括位于叶片压力面侧端壁上的缝隙进口，位于叶片吸力面侧端壁上的缝隙出口，及连通缝隙进口、出口之间的气流通道，实现叶根两侧端壁的局部连通；近压力侧端壁的流体从缝隙进口进入气流通道，从缝隙出口射出，通过所述气流通道的上、下壁面与缝隙进口、出口的过渡配合使得缝隙射流贴合端壁流动。
2.根据权利要求1所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙进口起始于叶片前缘，缝隙出口位于设计工况下角区分离起始点后10％-20％轴向弦长ca范围内；所述缝隙进口、出口分别贴合于叶片根部的压力面、吸力面，其沿弦向的截面轮廓线与对应部分叶片型线一致，以保证缝隙进、出口压差最大化。
3.根据权利要求2所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述气流通道任意点的径向与相对位置的叶片型线垂直，以保证射流方向与叶片型线一致，增强射流对堆积于角区的低能流体的再激励作用。
4.根据权利要求3所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述气流通道包括进口端、收敛段和出口端，缝隙进口面积大于缝隙出口面积，缝隙进口喉部面积大于缝隙出口喉部面积，以保证缝隙整体的收敛性从而更充分地加速引入缝隙的流体。
5.根据权利要求4所述一种射流速度最大化的压气机端壁缝隙结构，其特征在于：所述缝隙出口相对的气流...
【专利技术属性】
技术研发人员：王何建，刘波，茅晓晨，张博涛，杨宗豪，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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