CN117450090A - 一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流动控制技术领域，具体涉及一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法，包括：导流罩、第一叶片、驱动组件以及第二叶片，导流罩、第一叶片、驱动组件以及第二叶片沿气流流向依次布置在气流管道的内部。本装置通过驱动组件驱动第二叶片转动，使得第二叶片和第一叶片的重叠面积发生周期性连续变化，从而使得气流管道内的有效通流面积发生周期性连续的变化，气流管道内的气流流量随之发生振荡，进而实现非定常振荡抽吸。

Description

一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法

技术领域

本发明涉及流动控制技术领域，具体涉及一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法。

背景技术

轴流压气机转子和悬臂静子叶片在安装时会留有一定尺寸的间隙以避免在运转过程中碰到机匣或轮毂，在叶片两侧压力差的驱动下，部分流体自叶片压力面通过间隙流向吸力面侧，形成间隙泄漏流，对主流造成一定的堵塞，使得流动损失增大，进而影响压气机整体气动性能。因此，有效控制泄漏流动是降低压气机流动损失、提高效率、扩大稳定工作范围的重要途径之一。

由于附面层抽吸技术主动易调节特性以及在性能提升方面显示出的高效性，得到了研究者们的长期关注；该技术对压气机间隙泄漏流动有着良好的控制效果，通过将泄漏涡的起始位置后移且减小泄漏速度，从而起到控制泄漏流动和改善气动性能的作用。

非稳态流动控制技术由于可以高效精细地实现流动控制而成为研究热点；脉动吹气和合成射流作为其中的典型代表成功控制了叶轮机械中流动分离，增大了失速裕度，使流场得到改善，装置性能得到提升。

同样作为主动控制技术的附面层抽吸技术的非稳态控制研究也逐渐被用于控制叶片吸力面角区分离(见参考文献：Zhang H,Chen S.Pulsed suction control in ahighly loaded compressor cascade with low suction flowrates[J].Journal ofTurbomachinery,2021,143(6):061006.)和叶尖泄漏流动(见参考文献：Zhang B,Mao X,Liu B,et al.Mechanisms of oscillating suction in controlling the tip leakageflow in a high-load compressor cascade[J].Aerospace Science and Technology,2023,133:108118.)，该文献的研究结果表明非稳态振荡抽吸可以在很小的时均抽吸量下实现流动控制，且在较大的攻角范围内都较稳态抽吸更具优势。

非稳态振荡抽吸在流动控制方面具有非常大的潜力，同时泄漏流的非定常特性也表明非稳态流动控制技术是合理的性能提升途径之一。振荡抽吸中如何实现抽吸气流的周期性连续振荡是关键难题，现有装置一般通过电磁阀控制阀门开闭从而实现气流的脉冲振荡，但抽吸量的变化是脉冲型的且响应时间较大，无法实现高频连续式规则的函数变化(如正弦函数或余弦函数)，即现有抽吸装置无法实现高频连续式流量振荡。

因此，需要提供一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法，通过驱动第二叶片转动，使得第二叶片和第一叶片的重叠面积发生周期性连续变化，以改变气流管道内的气流的通流面积，以解决现有的装置通过电磁阀控制阀门开闭从而实现气流的脉冲振荡，但抽吸量的变化是脉冲型的且响应时间较大，无法实现高频连续式规则的函数变化的问题。

本发明的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置采用如下技术方案：包括：

导流罩，同心设置在气流管道的内部，用于将来流均匀导流；

多个第一叶片，均布设置导流罩外周上，且其背离导流罩的一端和气流管道内壁固定；

驱动组件，设置于远离导流罩的导流面的一侧；

以及多个第二叶片，均布设置在转动轴的外周，所述转动轴与驱动组件的输出端连接，第二叶片与第一叶片之间有轴向间隙；

其中，驱动组件用于驱动第二叶片转动，使得第二叶片和第一叶片的重叠面积发生周期性连续变化，以改变气流管道内的气流的通流面积。

优选的，第一叶片为环扇状，且每个第一叶片对应的圆心角，与两个第一叶片之间的无叶片区域对应的圆心角相等。

优选的，所述第二叶片的外周的轮廓为一个圆弧段，每两个第二叶片之间的轮廓为一个周期的余弦曲线段。

优选的，圆弧段对应的圆心角与余弦曲线段对应的圆心角相等，且余弦曲线段对应的圆心角与两个第一叶片之间的无叶片区域对应的圆心角相等。

优选的，第二叶片圆弧段对应的半径与余弦曲线段的波谷点对应的半径差值为2e，0.1R₂≤2e≤(R₂-R₃)，其中，R₂表示第二叶片圆弧段对应的半径，R₃表示导流罩远离导流面的一面对应的半径(即本实施例中作为导流罩的地面的半径)。

优选的，第二叶片圆弧段对应的半径与余弦曲线段的波谷点对应的半径差值为(R₂-R₃)的75％。

优选的，所述第二叶片的外周距气流管道内壁的径向间距为：R₁-R₂，且0.01R₂≤(R₁-R₂)≤0.1R₂，其中，R₁表示气流管道的内径，R₂表示第二叶片的圆弧段对应的半径。

优选的，第二叶片与第一叶片之间有轴向间隙为s，且0.05(h_s+h_r)≤s≤0.5(h_s+h_r)，其中，h_s表示第一叶片的厚度；h_r表示第二叶片的厚度。

优选的，驱动组件包括：

支撑套，同心设置于气流管道的中心，其一端与导流罩之间留有安装第二叶片的空间；

以及电机，设置于支撑套内，其输出轴与第二叶片的转动轴连接。

优选的，所述导流罩的导流面为：半球形面、圆锥面或旋转抛物面中的一种，且导流罩的半径为气流管道的半径的10％～70％。

本发明的一种振荡抽吸装置的流动控制方法，包括：

通过调整第二叶片的转速，控制本发明的振荡抽吸装置的抽吸量的振荡频率；

通过调整本发明的振荡抽吸装置的上游与下游之间的压差，控制振荡抽吸装置的抽吸量的振幅。

本发明的有益效果是：

通过在气流管道内设置第一叶片和第二叶片，使得驱动组件在驱动第二叶片转动，能使得第二叶片和第一叶片的重叠面积发生周期性连续变化，以使得管道内的有效流通面积发生周期性连续的变化，故使得气流管道内的气流流量随之发生振荡，进而实现非定常振荡抽吸；为后续提高压气机气动性能和稳定工作裕度，以及航空发动机及燃气轮机压气机间隙泄漏流动控制技术提供研究基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置的实施例的总体结构示意图；

图2为根据本发明的振荡抽吸装置用于间隙泄漏流动的振荡抽吸控制的结构示意图；

图3为本发明的实施例中第一叶片的结构示意图；

图4为图1的左视图(自上游向下游方向)；

图5为本发明的实施例中第二叶片的结构示意图；

图6为图1的右视图(自下游向上游方向)；

图7为图6的K-K剖视图；

图8为图7的A-A剖视图；

图9为图7的B-B剖视图；

图10为图7的C-C剖视图；

图11为实施例中第二叶片的转速不同时的流量－时间变化的曲线图；

图12为实施例中第二叶片的转速不同时的流量的振幅-频率的关系曲线图；

图13为实施例中进出口压差不同时的流量－时间变化的曲线图；

图14为实施例中进出口压差不同时的流量的振幅-频率的关系曲线图；

图中：1、气流管道；2、导流罩；3、第一叶片；4、第二叶片；5、支撑套；6、转动轴；7、余弦曲线段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置的实施例，如图2所示，本发明的振荡抽吸装置的安装于间隙泄漏流动的气流管道中，通过气流管道的流通面积的周期性变化实现振荡抽吸，从而达到控制间隙泄漏流动、减小相关流动损失的目的，具体的，气流管道为圆柱形，如图6所示，气流管道的内壁半径为R₁，如图7所示，气流管道的管道壁的厚度为h₁，在本实施例中R₁为41mm和h₁为5mm，如图2所示气流管道的进气口与间隙泄漏流的抽吸集气腔相连；抽吸管道的出气口与真空泵相连。

具体的，如图1所示，本发明的振荡抽吸装置包括：导流罩2、多个第一叶片3、驱动组件以及多个第二叶片4；如图7至图10所示，振荡抽吸装置的导流罩2、第一叶片3、第二叶片4与气流管道1的轴线重合，且沿气流流向依次布置，导流罩2同心设置在气流管道1的内部，需要说明的是，考虑到所述振荡抽吸装置中来流气流的不均匀性，在第一叶片3的上游设置了导流罩2，从而使得气流更加均匀的依次从相邻的两个第一叶片3之间的无叶片区域、相邻的两个第二叶片4的无叶片区域顺利流出，以实现对来流均匀导流；多个第一叶片3均布设置导流罩2外周上，且第一叶片3背离导流罩2的一端和气流管道1内壁固定；驱动组件设置于远离导流罩2的导流面的一侧；多个第二叶片4均布设置在转动轴6的外周，转动轴6与驱动组件的输出端连接，第二叶片4与第一叶片3之间有轴向间隙；其中，驱动组件用于驱动第二叶片4转动，使得第二叶片4和第一叶片3的重叠面积发生周期性连续变化，以改变气流管道1内的气流的通流面积。

具体的，第一叶片3为环扇状，且每个第一叶片3对应的圆心角，与两个第一叶片3之间的无叶片区域对应的圆心角相等，具体的，如图3和图8所示，在本实施例中为第一叶片3对应的圆心角为45°，即如图静止圆盘中共有4个第一叶片；第一叶片的厚度为h_s，在本实施例中h_s为5mm；第一叶片3的叶尖处的半径(即气流管道1的内径)为R₁，第一叶片的叶根处的半径(即导流罩2底部的半径)为R₃，在本实施例中R₁为41mm和R₃为20mm。

具体的，如图5和图6所示，第二叶片4为通过在圆盘上剪裁掉若干个特殊形状而成，每个第二叶片4的叶型轮廓由余弦曲线和圆弧组成，具体的，图5所示的四个第二叶片4的圆弧段和余弦曲线段7连接在一起(即组成一个完整周期的余弦曲线和圆弧线交替均匀相连组成的轮廓线)，即每个第二叶片4的外周的轮廓为一个圆弧段，每两个第二叶片4之间的轮廓为一个周期的余弦曲线段7，圆弧段对应的圆心角与余弦曲线段7对应的圆心角相等，且余弦曲线段7对应的圆心角与两个第一叶片3之间的无叶片区域对应的圆心角相等；在本实施例中为余弦曲线段7对应的圆心角为45°；第二叶片4的厚度为h_r，在本实施例中h_r为5mm；第二叶片4的最大半径为R₂，在本实施例中R₂为40mm；第二叶片4的叶型轮廓中的最大半径与最小半径之差为2e(即第二叶片4圆弧段对应的半径与余弦曲线段7的波谷点对应的半径差值为2e)，即第二叶片4的最小半径为(R₂-2e)；为了保证抽吸气流的有效振荡，2e不能过小否则振荡振幅过小，故本实施例中，半径差值2e满足：0.1R₂≤2e≤(R₂-R₃)，在本实施例中，2e为15mm为(R₂-R₃)的75％。

具体的，如图6和图7所示，为了避免旋转过程中的刮磨和损伤，设定第二叶片4的外周与气流管道1内壁的径向间距为：R₁-R₂，第一叶片3和第二叶片4的轴向间隙s；为了减小气流管道1内的流动损失以及提高振荡气流流量对通流面积的响应精度，径向间距和轴向间隙应尽可能地小；考虑到实际加工精度和误差因素，本实施例中，径向间距R₁-R₂满足的条件为：0.01R₂≤(R₁-R₂)≤0.1R₂，且在本实施例中(R₁-R₂)取0.025R₂；轴向间隙s满足的条件为：0.05(h_s+h_r)≤s≤0.5(h_s+h_r)，在本实施例中s取0.2(h_s+h_r)，其中，h_s表示第一叶片3的厚度；h_r表示第二叶片4的厚度。

具体的，如图5至图7所示，驱动组件包括；支撑套5以及电机，支撑套5同心设置于气流管道1的中心，支撑套5一端与导流罩2之间留有安装第二叶片4的空间；电机固定设置于支撑套5内，其输出轴与第二叶片4的转动轴6连接，第二叶片4通过转电机带动以转速为n的速度匀速旋转；这样第二叶片4在旋转的过程中，第二叶片4和第一叶片3的重叠面积发生周期性连续变化，使得气流管道1内的气流的有效通流面积发生改变，进一步，气流管道1内的气流流量会随着气流管道1内有效通流面积的改变而发生振荡，从而实现非定常振荡抽吸。

在本实施例中，支撑套5紧贴第二叶片4的右侧面，转动轴6与第二叶片3的右侧面固定连接，电机通过转动轴6带动第二叶片4匀速旋转，最终实现抽吸气流的稳定规律的周期性连续振荡；与转动轴6连接的电机和其他附件通过轴承座固定在支撑套5内，可以保证电机的稳定安全运行且不影响抽吸气流；具体的，支撑套5为圆柱形，支撑套5的外径与导流罩的底面的半径(R₃)相等，在本实施例中支撑套5的外径为20mm；支撑套5的壁厚为h₂，在本实施例中h₂为5mm；转动轴6的半径为R₄，根据电机输出轴的尺寸进行选择，且半径应小于支撑套的内径(R₃-h₂)，在本实施例中R₄为6mm；转动轴6的长度可以根据电机输出轴及连接元件的要求决定。

需要说明的是，振荡抽吸装置的第一叶片3和第二叶片4在相对旋转过程中，气流管道1的有效流通面积发生周期性连续变化，在保证振荡抽吸装置上下游压差不变的前提下，即如图2所示，真空泵提供稳定真空度时，抽吸气流呈现周期性连续变化，且变化形式为正弦(余弦)函数；具体的，气流管道1内的有效流通面积随时间的变化关系为：

其中，

a＝e(R₂-e) (3)

式中，(A₀+a)表示振荡抽吸装置的有效流通面积的时均值(即振荡抽吸装置在一段时间内的有效流通面积的均值)；有效流通面积的时均值可以通过改变第二叶片4的最大半径(第二叶片4的圆弧段对应的半径R₂)，以及第二叶片4的最大半径与最小半径之差2e来调节，进而调节抽吸量的时均值；

a表示有效流通面积的变化幅值，故抽吸量的振荡幅值通过改变第二叶片4的轮廓距中心的最大半径和最小半径来调控，或者通过改变振荡抽吸装置上下游压差来调控；

f表示有效流通面积的变化频率，故抽吸量的振荡频率通过调节第二叶片4的转速n和第二叶片4中余弦曲线段7对应的夹角大小来调控。

t表示时间；

表示初始相位；

θ表示第二叶片4的圆弧段对应夹角；

R₁表示气流管道的内径；

R₂表示第二叶片4的圆弧段对应的半径；

具体的，如图1至图4所示，本实施例的导流罩2的导流面为：半球形面、圆锥面或旋转抛物面中的一种，导流罩2的底面的半径与第一叶片3的叶根处的半径(即R₃)相等，导流罩2的半径的选择应该充分考虑到流通面积和导流效果，将导流罩2底面对应的半径定义为气流管道1的半径的10％～70％；具体的，在本实施例中的导流罩2为半球形，其半径为20mm，即导流罩2的半径为气流管道半径的48.78％。

本发明的一种振荡抽吸装置的流动控制方法，包括：

通过调整第二叶片4的转速，控制本发明的振荡抽吸装置的抽吸量的振荡频率；

通过调整本发明的振荡抽吸装置的上游与下游之间的压差，控制振荡抽吸装置的抽吸量的振幅。

工作原理

通过电机转动带动第二叶片4匀速旋转，从而第一叶片3和旋转叶片4的重叠位置和面积发生周期性正弦函数变化，使得气流管道1内的有效流通面积发生周期性的正弦函数类型的连续变化，进一步，随着气流管道1的流通面积的变化，气流流量会发生正弦函数类型的振荡，从而实现了对间隙泄漏流动的振荡抽吸。

为了验证本发明的效果，对本发明所述的振荡抽吸装置进行了数值模拟，具体实施过程如下：

(1)如图1所示，使用三维仿真软件(NX UG)对振荡抽吸装置进行建模，导流罩2和第一叶片3位于静止域内，静止域的轴向长度为100mm；第二叶片4和支撑套5位于转动域内，转动域的轴向长度为100mm。

(2)使用ANSYS Meshing对计算域分别进行网格划分，生成非结构化网格。

(3)通过ANSYS CFX基于有限体积法联合SST k-ω湍流模型对三维定常雷诺平均Navier–Stokes方程进行求解，方程中的对流项、湍流项和时间项均采用高分辨率格式(high-resolution scheme)进行离散；计算中设定第二叶片4的转速依次为300r/min、600r/min和900r/min；进口(第一叶片的上游)和出口(第二叶片的下游)给定静压，且压差依次设定为20000Pa、30000Pa和40000Pa。

(4)获取数值模拟的结果并进行数据处理。

如图11和图13所示，本实施例一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法可以通过第二叶片4和第一叶片3的重叠面积的周期性变化，成功实现流量的周期性连续(正弦函数)振荡。

如图11和图12所示，改变第二叶片4的转速可以改变抽吸量的振荡频率，且振荡频率与第二叶片的转速之间的关系满足本发明实施例中的公式(4)；在本实施例中当振荡抽吸装置上下游压差固定为20000Pa且第二叶片的转速依次为300r/min、600r/min和900r/min时，流量的平均值和振幅不变，流量的平均值为0.125kg/s、振幅为0.054kg/s；流量的振荡频率依次为20Hz、40Hz和60Hz。

如图13和图14所示，改变本实施例一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置及流动控制方法的上下游压差可以改变抽吸量的振幅；在本实施例中当第二叶片4的转速固定为600r/min且振荡抽吸装置上下游压差依次为20000Pa、30000Pa和40000Pa时，流量的平均值依次为0.125kg/s、0.145kg/s和0.157kg/s，流量的振幅依次为0.054kg/s、0.062kg/s和0.065kg/s，流量的振荡频率均为40Hz。

至此，本发明提供的振荡抽吸装置，实现了对间隙泄漏流动的振荡抽吸，即实现了流场低能流体的非定常流动控制；利用抽吸气流的非定常振荡增强了流场内低能流体和主流之间的能量交换，同时将流场内大尺度集中涡系离散为尺度减小的更加活跃的涡结构，因此，本发明具有较传统稳态抽吸更佳的流动控制效果，为提高发动机压缩系统的气动性能提供了可能的技术方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，包括：

导流罩(2)，同心设置在气流管道(1)的内部，用于将来流均匀导流；

多个第一叶片(3)，均布设置导流罩(2)外周上，且其背离导流罩(2)的一端和气流管道(1)内壁固定；

驱动组件，设置于远离导流罩(2)的导流面的一侧；

以及多个第二叶片(4)，均布设置在转动轴(6)的外周，所述转动轴(6)与驱动组件的输出端连接，第二叶片(4)与第一叶片(3)之间有轴向间隙；

其中，驱动组件用于驱动第二叶片(4)转动，使得第二叶片(4)和第一叶片(3)的重叠面积发生周期性连续变化，以改变气流管道(1)内的气流的通流面积。

2.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，第一叶片(3)为环扇状，且每个第一叶片(3)对应的圆心角，与两个第一叶片(3)之间的无叶片区域对应的圆心角相等。

3.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，所述第二叶片(4)的外周的轮廓为一个圆弧段，每两个第二叶片(4)之间的轮廓为一个周期的余弦曲线段(7)。

4.根据权利要求3所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，圆弧段对应的圆心角与余弦曲线段(7)对应的圆心角相等，且余弦曲线段(7)对应的圆心角与两个第一叶片(3)之间的无叶片区域对应的圆心角相等。

5.根据权利要求3所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，第二叶片(4)圆弧段对应的半径与余弦曲线段(7)的波谷点对应的半径差值为2e，0.1R₂≤2e≤(R₂-R₃)，其中，R₂表示第二叶片(4)圆弧段对应的半径，R₃表示导流罩(2)远离导流面的一面对应的半径。

6.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，所述第二叶片(4)的外周距气流管道(1)内壁的径向间距为：R₁-R₂，且0.01R₂≤(R₁-R₂)≤0.1R₂，其中，R₁表示气流管道(1)的内径，R₂表示第二叶片(4)的圆弧段对应的半径。

7.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，第二叶片(4)与第一叶片(3)之间有轴向间隙为s，且0.05(h_s+h_r)≤s≤0.5(h_s+h_r)，其中，h_s表示第一叶片(3)的厚度；h_r表示第二叶片(4)的厚度。

8.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，驱动组件包括：

支撑套(5)，同心设置于气流管道(1)的中心，其一端与导流罩(2)之间留有安装第二叶片(4)的空间；

以及电机，设置于支撑套(5)内，其输出轴与第二叶片(4)的转动轴(6)连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于间隙泄漏流动控制的振荡抽吸装置，其特征在于，所述导流罩(2)的导流面为：半球形面、圆锥面或旋转抛物面中的一种，且导流罩(2)的半径为气流管道(1)的半径的10％～70％。

10.一种振荡抽吸装置的流动控制方法，其特征在于，包括：

通过调整第二叶片(4)的转速，控制权利要求1-9任一项所述的振荡抽吸装置的抽吸量的振荡频率；

通过调整权利要求1-9任一项所述的振荡抽吸装置的上游与下游之间的压差，控制振荡抽吸装置的抽吸量的振幅。