一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种轴流压气机叶栅的流动控制技术领域，具体为一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器及其设计方法。

背景技术

在航空发动机高推重比的要求下，压气机朝着高负荷的方向发展。然而，高负荷必然伴随大的逆压梯度和横向压差，从而导致边界层内低能流体向叶片吸力面/叶根处堆积，产生大面积角区分离，堵塞叶片通道，尤其在非设计工况下，易引发压气机的旋转失速或喘振。为此，出现了多种多样抑制角区分离的控制方法，如端壁造型、涡流发生器、边界层吸气、鼓包结构。其中，涡流发生器(vortex generator,VG)是一种能够在局部产生高能量漩涡结构的装置，因其结构简单、易实现、对附面层流动控制效果显著，被广泛应用于飞机部件流动控制研究。文献“Effects of Vortex Generator Application on thePerformance of a Compressor Cascade[J].Journal of Turbomachinery,2013,135(2)”公开了三种不同形式的涡流发生器方案。文献中研究结果表明楔形涡流发生器的应用对于叶栅性能有了明显的提升，设计点总压损失降低了9％。文献所述对称型楔形涡流发生器尺寸大，置于流道中会引起相应的形阻损失增加；吸力面侧涡流发生器宽度大，大攻角情况下会导致气流分离，减弱楔形涡流发生器降低压气机流动损失的能力。

发明内容

为了解决现有楔形涡流发生器因结构不合理导致的无法高效降低压气机流动损失的问题，本发明提出了一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器及其设计方法。

项目组之前的研究结果显示，楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡，吸力面分支进入通道后部分参与通道涡的形成，部分向下游耗散，而压力面分支则主要参与通道涡的形成，对降低总压损失贡献显著。由此，项目组提出了一种非对称楔形涡流发生器，重新设计了楔形涡流发生器结构，使控制吸力面分支一侧的涡流发生器的尺寸尽量减小，进而有效减小了形阻损失及吸力面侧的气流分离，解决了楔形涡流发生器降低压气机流动损失的能力不强的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

所述一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定楔形涡流发生器几何结构的设计参数为径向高度，轴向长度，吸力面侧宽度和压力面侧宽度；

步骤2：保持吸力面侧宽度和压力面侧宽度相等，在设计参数的设计域内调整楔形涡流发生器的径向高度，轴向长度以及吸力面侧宽度和压力面侧宽度，得到若干种楔形涡流发生器设计方案；

步骤3：对步骤2得到的若干种楔形涡流发生器设计方案分别建模，并采用计算流体力学手段测试不同设计方案下，楔形涡流发生器对压气机叶栅性能的改善效果，得到楔形涡流发生器设计参数的优化取值范围；其中在计算流体力学软件中，楔形涡流发生器模型与压气机叶栅模型安装关系为：楔形涡流发生器模型安装于压气机叶栅叶片模型前缘的端壁上，楔形涡流发生器顶面三角形底边的垂点与叶片前缘点的距离为0.5mm，且两点连线垂直于底边；

步骤4：在步骤3得到的楔形涡流发生器设计参数的优化取值范围内，调整吸力面侧宽度和压力面侧宽度配比，通过均匀设计方法得到若干种非对称楔形涡流发生器设计方案；

步骤5：对步骤4得到的若干种非对称楔形涡流发生器设计方案分别建模，并采用计算流体力学手段测试不同设计方案下，非对称楔形涡流发生器对压气机叶栅性能的改善效果，得到最优非对称楔形涡流发生器设计方案。

进一步的优选方案，所述一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器方法，其特征在于：采用降低总压损失作为步骤3和步骤5中对压气机叶栅性能改善的评判依据。

利用上述方法得到的应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器，其特征在于：非对称楔形涡流发生器几何结构的设计参数为径向高度12mm，轴向长度35.6mm，吸力面侧宽度7.5mm，压力面侧宽度11.1mm。

有益效果

本发明的有益效果是：非对称楔形涡流发生器的引入，一方面诱导产生了吸力面涡和压力面涡，通过卷吸附面层的低能流体，进而改变通道涡的结构和横向流动，减少了吸力面/端壁角区气流分离，从而降低了压气机叶栅的总压损失。相比于原型叶栅，出口截面的总压损失降低了21.03％，反流区面积减小11.14％。另一方面，相对于对称楔形涡流发生器，减小了吸力面侧结构的几何尺寸，在保证压力面侧结构对流场有益干涉的前提下减小了涡流发生器的整体尺寸，使得由于涡流发生器自身对流场堵塞带来的形阻损失减小，从而减小了压气机的总压损失。与两种几何结构近似的对称楔形涡流发生器(方案一：高度12mm，长度35.6mm，吸力面侧宽度7.5mm，压力面侧宽度7.5mm；方案二：高度12mm，长度35.6mm，吸力面侧宽度11.1mm，压力面侧宽度11.1mm)相比，可以更有效地减小阻塞区，获得更低的总压损失。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是非对称楔形涡流发生器的轮廓结构图；

图2是本发明非对称楔形涡流发生器应用在压气机叶栅的示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4是12种不同尺寸对称楔形涡流发生器方案对压气机叶栅流场总压损失的改善效果对比图；

图5是26种不同尺寸非对称楔形涡流发生器方案对压气机叶栅流场总压损失控制对比图；

图6是压气机叶栅流场沿流向总压损失对比图；

图7是压气机叶栅流场沿流向不同截面上回流区大小的对比图。

其中：1—径向高度，2—轴向长度，3—吸力面侧宽度，4—压力面侧宽度，5—非对称楔形涡流发生器顶面三角形底边的垂点，6—压气机叶栅叶片，7—压气机叶栅叶片前缘点。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的一种应用于压气机叶栅流动控制的非对称楔形涡流发生器方法，包括以下步骤：

步骤1：确定楔形涡流发生器几何结构的设计参数为径向高度，轴向长度，吸力面侧宽度和压力面侧宽度。参照图1，非对称楔形涡流发生器整体为四面体结构。几何尺寸由径向高度1，轴向长度2，吸力面侧宽度3，压力面侧宽度4决定。5为非对称楔形涡流发生器顶面三角形底边的垂点。径向高度1与底面端壁垂直。

步骤2：保持吸力面侧宽度3和压力面侧宽度4相等，在设计参数的设计域内调整楔形涡流发生器的径向高度1，轴向长度2以及吸力面侧宽度3和压力面侧宽度4的大小，考虑到提高该装置的普适性，将涡流发生器的高度与附面层厚度相关联，一共得到12种设计方案；见表1：

表1 12种楔形涡流发生器尺寸

步骤3：对步骤2得到的若干种楔形涡流发生器设计方案分别建模，并采用计算流体力学手段测试不同设计方案下，楔形涡流发生器对压气机叶栅性能的改善效果，得到楔形涡流发生器设计参数的优化取值范围；其中参照图2、图3，在计算流体力学软件中，楔形涡流发生器模型与压气机叶栅模型安装关系为：楔形涡流发生器模型安装于压气机叶栅叶片6模型前缘的端壁上，楔形涡流发生器顶面三角形底边的垂点5与叶片前缘点7的距离为0.5mm，且两点连线垂直于底边。

本实施例中利用非结构化网格对楔形涡流发生器设计方案建模，以降低总压损失作为对压气机叶栅性能改善的评判依据。楔形涡流发生器降低总压损失的能力通过总压损失降低百分比衡量。总压损失Loss的定义如下：

式中p_t、p分别表示总压与静压，下标m代表50％叶高，in代表进口位置。

图4显示，12种方案都不同程度地降低了总压损失系数，且当楔形涡流发生器尺寸落在如下范围：高度10-12.5mm，长度31-36mm，宽度16-24mm时，降低总压损失的效果最优。

步骤4：在步骤3得到的楔形涡流发生器设计参数的优化取值范围内，调整吸力面侧宽度3和压力面侧宽度4配比，通过均匀设计方法得到26种非对称楔形涡流发生器设计方案；见表2。

表2 均匀设计26种非对称楔形涡流发生器尺寸方案

步骤5：利用非结构化网格对步骤4得到的若干种非对称楔形涡流发生器设计方案分别建模，并采用计算流体力学手段测试不同设计方案下，非对称楔形涡流发生器对压气机叶栅性能的改善效果，得到最优非对称楔形涡流发生器设计方案。

图5显示，加装非对称楔形涡流发生器的26种方案相比原型叶栅总压损失系数下降均超过10.8％。证明了该控制方法的有效性。其中方案21(径向高度12mm，轴向长度35.6mm，吸力面侧宽度7.5mm，压力面侧宽度11.1mm)的总压损失最小，相比于原型叶栅损失减小了21.03％。

为了进一步对比相似尺寸的对称楔形涡流发生器和非对称楔形涡流发生器对流场总压损失的影响，设计了两种对称楔形涡流发生器的对比方案：方案一：高度12mm，长度35.6mm，吸力面侧宽度7.5mm，压力面侧宽度7.5mm；方案二：高度12mm，长度35.6mm，吸力面侧宽度11.1mm，压力面侧宽度11.1mm。

图6和图7说明，相比对称楔形涡流发生器而言，非对称楔形涡流发生器的实施可以更有效地改善流动损失沿流向分布，减小叶栅通道内的回流区域，使得通道的堵塞情况得到较大改善，从而减小了总压损失。

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。