[发明专利]一种新型的压气机叶片前缘结构

说明书

本发明提供一种新型的压气机叶片前缘结构，由两端至中间分为两个平滑前缘区域、两个端区特殊结构区域和一个中部特殊结构区域，两个平滑前缘区域的高度分别为0％～10％叶高，两个端区特殊结构区域的高度分别为10％～25％叶高，中部特殊结构区域的高度为30％～80％叶高。本发明是通过傅里叶展开式形式的复合函数控制压气机叶片前缘的造型，曲面凹凸变化中在凸起处形成气流的汇聚加速流动，在凹陷处发生附面层卷曲产生特殊的涡结构，通过附面层的重组而改善叶片的内部流动,提高了叶片的气动性能。

技术领域

本发明涉及一种新型的压气机叶片前缘结构，是通过傅里叶展开式形式的复合函数控制压气机叶片前缘的造型，曲面凹凸变化中在凸起处形成气流的汇聚加速流动，在凹陷处发生附面层卷曲产生特殊的涡结构，通过附面层的重组而改善叶片的内部流动,提高了叶片的气动性能。属于压气机叶片设计技术领域。

背景技术

燃气轮机压气机叶片气动性能的提升，以及压气机稳定工作范围的扩增一直是压气机设计研究的重点，压气机叶片前缘形状改进是现代压气机设计和提高性能的重要手段，大量的理论和实验研究表明，叶片前缘型线的改变对压气机性能影响显著，特别是前缘曲率变化，对正攻角下叶片背弧的边界层转捩和发展起到重要作用。

对于压气机前缘结构的研究主要包括二维前缘局部型线的改进以及前缘形状在展向上的不均匀布局研究。对于前者，主要集中在椭圆形前缘形状以及曲率连续型前缘形状等具有新型前缘曲线的压气机叶型方面，Walraevens和Cumpsty等人通过实验，对比了圆弧形前缘和椭圆形前缘的局部流动，发现椭圆形前缘可以抑制附面层的发展，推迟边界层转捩，扩大了攻角范围。宋寅等人考虑到对前缘流动的影响主要是前缘的曲率的不连续，研究了一种利用贝塞尔曲线造型的曲率连续型前缘，发现其抑制分离的效果比椭圆形前缘更明显。对于后者，Fisher等人首先在外流翼型的前缘做出了正弦形的凹凸前缘结构，能够提升翼型的稳定工况范围。并在后续的研究中，以正弦曲线逐渐将前缘凹凸造型方法应用到的压气机叶片的内部流动中。在目前的研究中，通过简单的正弦曲线控制压气机前缘造型，能够将叶片整体分离区分成数量较多的小范围分离区，有效改善通道内的流场并抑制分离流动。通过正弦形前缘凹凸造型使压气机叶片能够在大攻角工况下起到较明显降低叶栅损失的作用，并且能够延缓叶栅失速现象的发生。

国内外对于压气机叶片前缘在展向上的不均匀布局研究开展了大量的研究工作，对于前缘结构的研究主要集中在正弦形展向分布前缘的研究上，通过改变前缘正弦曲线的周期以及幅值两个参数进行了大量的变参数研究。Keerthi M C等人通过实验研究，发正弦形前缘压气机叶栅能够将失速攻角由8°提升至9.6°。郑覃等人通过数值研究，发现仿生叶栅在零攻角下产生了额外的总压损失，但在8°攻角下总压损失系数降低了18.8％。杨凌等人通过将半圆形前缘压气机叶片复合改型为二维椭圆前缘以及展向正弦形前缘，发现设计点的损失仍然提高了。

从国内外的研究现状来看，目前对压气机叶片前缘形状的研究，主要在于前缘二维流动的改善以及前缘沿展向的三维不均匀分布。对于与二维前缘叶型的研究如半圆形前缘改为椭圆形前缘的改进结果也是压气机叶型前缘处的局部二维流动的改善；对于前缘沿展向不均匀分布的相关研究，以前缘正弦形凹凸形状研究为主，通过仅有的周期参数以及幅值参数定义前缘结构使得前缘凹凸造型的参数化研究存在一定局限性，前缘特殊结构对于压气机叶片中部的分离流动以及近端壁处角区分离流动控制的差异还不能提出有针对性的方案。同时这种正弦形凹凸前缘叶片虽然在大攻角下能够明显降低气动损失，但在低攻角下的叶片气动性能的损失恶化的问题还未解决。

本文发明的基于傅里叶展开式复合函数的新型压气机叶片前缘结构中，在叶片端区采用一定范围的平滑前缘，在叶中部采用与端区特殊结构参数不同的参数选取，能够满足前缘特殊结构对叶片不同区域流动控制效果的差异性，使得这种新型前缘结构在零攻角工况下使叶片的总压损失系数低了11.45％，相比于正弦形前缘叶片在零攻角下叶片气动性能的恶化效应起到了改进作用。

发明内容