一种用于产生自适应射流的可变弯度叶片及其设计方法

本发明涉及一种射流流量自适应调节的可变弯度叶片及其设计方法，属于压气机。

背景技术：

1、先进航空发动机正朝着高推重比、高效率、高可靠性方向发展。由于航空发动机中高负荷多级轴流压气机在非设计工况尤其是中低转速下，转子攻角变化较大，进而引发压气机的喘振问题、降低发动机稳定裕度。为了保证中低转速的喘振裕度满足要求，通常会设计多排的可调静子叶片（variable stator vanes，vsv），通过改变转子来流的攻角调节叶片的负荷和压气机的喘振裕度。例如，leap-x和ge9x等先进民用发动机压气机分别设计了五排和六排可调静子叶片。

2、可调静子叶片分为不变弯度和可变弯度两种。不变弯度叶片通过调节安装角来调节出口气流角，安装角变化引起攻角的变化，从而可能带来较大的性能损失。可变弯度叶片通常由带有缝隙的可变弯度导叶，如图1所示，即将基础叶型从弦长的某处分开，中间留有缝隙，前段固定，后段可绕某轴线旋转一定角度。

3、然而可变弯度叶片也存在两方面不足，即泄漏流影响气动性能及大弯度下气流易分离的问题。相关研究表明，可变弯度叶片由于两段叶片之间存在一定的缝隙，会有气流通过缝隙由叶盆泄漏到叶背，该缝隙泄漏气流可导致后半段叶片气流攻角增加，对可变弯度叶片的气动性能有明显负面影响，通过缝隙密封设计，例如在两段叶片之间采用胶条密封，来抑制缝隙气流泄漏能明显改善叶片气动性能，但由于后叶片转动导致胶条的反复挤压、变形、磨损，这种方式的耐久性、安全性、可靠性均存在不足。此外，在后叶片旋转较大角度后，前、后叶片组成的整体叶片弯度变大，导致叶片扩压度增加、叶片吸力面流动分离风险增大、影响叶片气动性能。

4、因此，亟待解决可变弯度叶片存在的这两方面不足。其中一个思路即合理利用缝隙泄漏气，抑制大弯度状态下叶片吸力面流动分离，从而实现一箭双雕的效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种射流流量可自适应调节的可变弯度叶片及其设计方法，实现可变弯度叶片在不同后叶片旋转角度下均能保持较高的气动性能，进而提高压气机及发动机的稳定裕度。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种用于产生自适应射流的可变弯度叶片，包括：前叶片、后叶片、弹性膜、射流缝入口、射流缝出口、前叶片尾缘、后叶片前缘以及后叶片转动轴线；其中，所述射流缝入口位于叶片压力面，所述射流缝出口位于叶片的吸力面；所述弹性膜、前叶片尾缘和后叶片前缘构成可几何形状可变的射流通道；所述后叶片可绕后叶片转动轴线旋转设定角度，所述弹性膜在后叶片旋转及叶片两侧压差的变化下发生变形，从而对射流缝出口的开度及射流流量进行调节。

4、进一步的，所述弹性膜具有宽度 w，当后叶片转动角度 θ=0°时，弹性膜紧贴后叶片吸力面并完全覆盖射流缝出口，后叶片对弹性膜产生预紧力 f s0。

5、进一步的，所述后叶片的最大转动角度 θmax在10°～90°范围内，后叶片转动角度 θ满足：0≤ θ≤ θmax。

6、进一步的，所述后叶片绕后叶片转动轴线旋转的角度 θ存在临界转角 θ c。当后叶片转动角度 θ≤θ c时，叶片的整体弯度小、流动分离风险低，此时弹性膜两侧压差较小，弹性膜处于紧贴后叶片的状态，射流缝出口处于零开度的关闭状态，此时射流缝出口处无射流产生；当后叶片转动角度 θ> θ c时，叶片的整体弯度大、流动分离风险高，此时弹性膜两侧压差较大，使弹性膜脱离后叶片，射流缝出口处于具有一定开度的开启状态，射流缝出口处有射流产生，可抑制叶背侧流动分离，该射流流量随后叶片转动角度 θ的增大而增大。

7、第二方面，本发明提供一种根据前述任一项所述的用于产生自适应射流的可变弯度叶片的设计方法，包括：

8、在常规可变弯度叶片的基础上，设计前叶片和后叶片的几何形状，优化前叶片尾缘和后叶片前缘的形状，以减小射流缝内的流动损失并确保后叶片转动时前叶片和后叶片不发生机械干涉；

9、通过实验或数值模拟方法，确定设计马赫数和攻角下，可变弯度叶片恰好产生吸力面流动分离时的后叶片转动角度 θ作为临界转角 θ c；并设定后叶片的最大转动角度 θmax；

10、设计弹性膜宽度 w，确保当后叶片转动角度 θ在0°～ θ c范围内时，弹性膜能完全覆盖射流缝出口；

11、通过实验或数值模拟方法，确定压力系数 c、弹性膜接触状态竖向位移、弹性膜自然状态下的竖向位移、弹性膜的弹性系数 k以及预紧力。

12、进一步的，所述确定压力系数 c方法如下：采用实验或数值模拟方法，由公式确定压力系数 c，其中：为弹性膜两侧的平均压力差。

13、进一步的，所述确定弹性膜接触状态竖向位移方法如下：将后叶片的最大转动角度 θmax状态所需射流缝宽度作为弹性膜接触状态竖向位移的参考值。

14、进一步的，所述确定弹性膜自然状态下的竖向位移方法如下：根据公式估算弹性膜自然状态下的竖向位移。

15、进一步的，所述确定弹性膜的弹性系数 k方法如下：根据公式，估算弹性膜的弹性系数 k，其中： l为叶片展向长度。

16、进一步的，所述确定预紧力方法如下：根据公式，估算后叶片转动角度 θ=0时后叶片给弹性膜的支持力，作为弹性膜预紧力。

17、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

18、本发明提供了一种射流流量自适应调节的可变弯度叶片及设计方法，将前、后叶片间的泄漏流作为用于控制后叶片叶背侧分离的射流，且在弹性膜的帮助下，射流流量能自适应地随叶片整体弯度变化进行调整。当叶片整体弯度小、无气流分离时，可变弯度叶片的射流口开度为零、无射流流量产生，以降低射流缝内的流动损失；而当叶片整体弯度大、有气流分离时，可变弯度叶片的射流口开度随之变大、射流流量增高，以抑制叶片吸力面流动分离、降低叶片流动损失。该方案可以提高可变弯度叶片在不同后叶片转角工况下的气动性能，且具有结构上较为简单、自适应性强、工程实用性强等优势。