[发明专利]一种基于锯齿尾缘叶片的多级轴流压气机扩稳结构

说明书

本发明公开了一种基于锯齿尾缘叶片的多级轴流压气机扩稳结构，在多级轴流压气机的叶片上设置锯齿尾缘，形成锯齿尾缘叶片，布置在多级轴流压气机的一个或多个叶排上；所述锯齿尾缘叶片的齿高H为8～16％叶片弦长，齿顶角θ为20～60°，锯齿个数1‑20个；所述锯齿尾缘叶片在叶尖或叶根附近设置锯齿结构；锯齿尾缘叶片在叶排周向对称设置，或者全叶排都设置为锯齿尾缘叶片。本发明利用锯齿构型及叶片两侧压差，产生流向涡，流向涡将主流卷吸进来，并与尾迹剪切层发生相互作用，破碎掉尾迹中大尺度涡结构、改善叶片尾迹形态以及与下游叶片相干流场特性，从而延缓压气机失速，拓宽压气机稳定裕度。本发明的锯齿尾缘叶片结构具有无另加设备、结构重量轻等优点。

技术领域

本发明属于航空动力学技术领域，具体涉及一种基于锯齿尾缘叶片的多级轴流压气机扩稳结构，是一种新型的航空轴流压气机扩稳措施。

背景技术

未来高推重比发动机要求风扇/压气机具有更高级压比，风扇/压气机的级负荷越高，对其稳定性要求也更加苛刻。稳定性是表征风扇/压气机抗干扰、抗畸变能力，与工作于稳定工作点的风扇/压气机对外来扰动的响应有关，稳定性高表明风扇/压气机能够克服扰动因素而保持稳定正常工作。当风扇/压气机可用稳定裕度预留得多，它们的稳定性当然就高。反过来，压气机稳定性高，鲁棒性强，则可减少预留的可用稳定裕度，使得压气机工作于更加临近稳定边界的高效率和高压比的运行区域而不会产生气动不稳定。因此，大幅度提升风扇/压气机稳定性，也就是解除了风扇/压气机进一步提高压比的制约条件，研制出更加高效、高负荷的风扇/压气机成为可能。

风扇/压气机的稳定性问题(喘振和旋转失速)几乎与轴流压气机同时产生，作为压气机可靠稳定工作的极限，已困扰工业界和学术界近半个世纪。经过几十年的研究，人们对轴流压气机内部流动失稳的动力学特征已有了比较明确的描述，揭示了压气机不稳定发作的基本条件，提出了描述压气机不稳定性的理论模型以及相应的稳定性判据，这些对于预示压气机不稳定现象的发作以及进一步抑制其危害等方面都取得了显著成效。科研工作者积极探索和发展各种压气机扩稳方法，机匣处理、叶尖喷气、吹/吸附面层、等离子体气动激励等流动控制技术成为了当前的研究热点，有效改善了风扇压气机抗干扰、抗畸变能力，推迟了气流失速，拓宽了压气机的稳定工作范围。

叶轮机械内部流动是固有非定常流动，其叶片每时每刻都经历着非定常的波动，叶片在转动的过程中，既感受着上一级导流叶片出口非均匀流动，又感受着下游静子周向不等的势流动，即便在压气机设计工况，叶片的来流攻角也是时刻变化着。影响来流攻角波动的因素很多，譬如上游叶片的通道涡、叶尖泄漏涡、端壁附面层、分离等流动结构均不同程度影响下游叶片来流攻角，尤其是由叶盘和叶背附面层流过叶片尾缘汇合而成的尾迹流，其流速、总压与主流区相差甚远，对下游叶片来流攻角而言，那是一个最显著的扰动源。

根据压气机失稳的临界攻角假设，当叶片排中某些叶片的来流攻角超出其临界攻角时出现大的分离流动，从而导致压气机旋转失速或喘振现象发生。上游尾迹扫过时，叶片感受的瞬态攻角完全有可能超出临界攻角而诱发压气机失速。本发明提出以锯齿尾缘叶片作为流动控制策略，通过改变上游叶片尾迹流动特性来提升风扇/压气机稳定性。

锯齿尾缘能够加强尾迹区低速流与主流间的掺混，缩短剪切层长度，降噪方面成效显著，在多个领域受到重视。早有学者在飞机外流领域提出过“减阻增升降噪”的锯齿机翼后缘，也有将锯齿后缘成功应用于民航飞机发动机排气系统的喷口上，加强发动机喷流与外流之间掺混，降低民机噪声。

英国布鲁内尔伦敦大学进行了锯齿尾缘平板吹气实验，研究了锯齿尾缘对平板湍流流动的影响，发现锯齿尾缘改变了平板湍流流动结构，从而降低了噪音频率。德国亚琛工业大学进行了锯齿尾缘翼型波现象的研究，发现锯齿尾缘会干扰尾迹涡的形成，增强了流动的三维结构，极大地降低了流场中的波幅。