[发明专利]带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片

说明书

本发明公开了一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，包括压气机叶片主体，所述压气机叶片主体内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体叶盆侧的引气口和位于压气机叶片主体叶背侧的射流口，所述引气口和射流口之间设有混合腔，所述混合腔两侧分别设有反馈回路，所述反馈回路分别与混合腔相连通，利用流动不稳定性在射流口处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧的气流分离。本发明不需要外接气源或能量源，无可动部件及机械或电磁作动元件，也省去了复杂气路和电路系统，因此结构上较为简单、可靠性高、制造和维护成本低、工程实用性强。

技术领域

本发明涉及一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，属于压气机技术领域。

背景技术

在以航空燃气涡轮发动机等为应用目标的各类轴流压气机中，单级压气机获得更高的压比是压气机领域长期以来的发展方向。长期以来，增大压气机的级压比主要采用提高叶片轮缘线速度和叶型的气动优化实现。但是，叶片轮缘线速度的提高受到材料强度极限的限制，叶型的气动优化对当前设计水平下压气机性能的提升也十分有限。当试图将单级压气机的负荷提高到显著超过当前水平时，会因为出现叶背流动分离的现象(见图1)，使压气机效率急剧下降甚至导致压气机失速。因此，各类能抑制甚至消除流动分离的流动控制技术得到了国内外研究人员的重视，其中又以非定常流动控制技术最具代表性。由于能利用流动不稳定性，非定常流动控制技术产生的激励能与分离流中的拟序结构发生相干作用。非定常流动控制技术耗费能量极低，相关研究表明，达到相同的流动控制效果，采用非定常流动控制技术能比相应的定常流动控制技术节约1～2个数量级的所耗费的能量，即有“四两拨千斤”的效果。

综合国内外在该非定常流动控制领域的已有工作，相关技术主要有3大类：(1)声波类，主要是采用一定频率的声波对流场进行激励；(2)射流类，包括“零质量”注入流场的合成射流，“正质量”注入流场的脉冲射流和“负质量”注入的脉冲吸气；(3)壁面运动类，包括和壁面垂直方向运动的振动壁面，与和壁面平行方向运动的行波壁面。

这些技术都从各方层面推动了流动控制技术的进步，但是，为满足今后更高负荷压气机叶片设计的需要，这些技术在实际工程应用角度存在以下不足：(1)声波类激励往往需要在叶片内部装置扬声器，还需要额外的电源和电路系统，增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性；(2)射流类，合成射流通常通过射流腔内的振动片实现，其劣势和声波激励类似，而脉冲射流或脉冲吸气存在着两方面问题，一方面需要额外引入高压或低压气源，另一方面需要引入能按一定频率周期性开闭的阀门(通常由电磁或压电元件构成)，这些部件还将附带复杂的气路和电路系统，也大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性；(3)壁面运动类，该类型的非定常流动控制往往由柔性表面或可活动的刚性表面构成，通常也由电磁或压电元件作为驱动单元，因而也需在叶片内部的狭小区域引入电源和电路系统，大大增加了系统的重量、复杂度，降低了可靠性和工程实用性。

发明内容

本发明的目的是在保持气动效率的前提下，让单级压气机获得更高的压比，以使采用该叶轮机械的动力或能源系统具有更大的推重比或功重比。提出了一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，在无需引入外部气源或能源，也无可动部件及机械电磁作动装置的前提下，提供有效的非定常激励以抑制气流分离。

为解决上述技术问题，本发明提供一种带有无源自激励扫掠射流流动控制装置的压气机叶片，包括压气机叶片主体，所述压气机叶片主体内部设有无源自激励扫掠射流流动控制装置，所述无源自激励扫掠射流流动控制装置包括位于压气机叶片主体叶盆侧的引气口和位于压气机叶片主体叶背侧的射流口，所述引气口和射流口之间设有混合腔，所述混合腔两侧分别设有反馈回路，所述反馈回路分别与混合腔相连通，利用流动不稳定性在射流口处产生周期性扫掠式射流，以此减弱甚至消除压气机叶背侧的气流分离。