CN106382260B - 一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法及装置，在压气机机匣壁面沿周向开设多个叶顶弦向凹槽，槽深方向和压气机径向一致，然后在凹槽内沿叶顶弦向布置多个导流叶片，相邻导流叶片组成的叶片通道为收缩通道。每当叶片位于凹槽下方时，在叶顶压力面和吸力面之间压差的作用下，叶顶压力面附近的低能泄漏流能够被吸入凹槽内，凹槽内的导流叶片使气流在收缩流道内加速后从吸力面附近沿接近于主流的方向重新进入叶片通道，又能够对泄漏流和叶片表面边界层起到激励作用。这使得弦向凹槽导流片式机匣处理方法可有效缓解叶顶区域的流动堵塞，从而起到提高压气机稳定工作范围的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种机匣处理方法及装置，尤其涉及一种弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法及装置，用于提高轴流压气机的稳定工作范围，属于叶轮机械领域。
背景技术
轴流压气机是航空发动机的核心部件之一，随着航空发动机向高推重比、低耗油率和高稳定性方向发展，提高压气机负荷和效率的同时使其具有宽广的稳定工作范围是研究人员持续追求的目标。当压气机的转速一定而通过压气机的流量减小到一定程度时，压气机内会出现旋转失速等不稳定流动现象，严重时会造成压气机叶片断裂和发动机熄火。压气机工作点距离不稳定边界的安全程度通常用失速裕度来描述。压气机旋转失速等流动失稳现象限制了航空发动机的稳定工作范围。
压气机旋转失速表现为单个或多个低速气流区以一定的转速沿转子的旋转方向转动。在和转子旋转速度相同的相对坐标系上看，失速区沿着与转子旋转方向相反的方向传播。在静止绝对坐标系上看，失速区沿着与转子旋转方向相同的方向传播，并且失速区的转速要低于转子的转速。压气机的旋转失速通常最先出现于叶顶区域，高负荷压气机叶顶区域存在强激波、泄漏涡和边界层之间的复杂相互作用，容易诱发较大的流动堵塞。压气机叶顶区域的流动堵塞是引起旋转失速的重要原因，制约了压气机的失速裕度。为了提高压气机的失速裕度，可以采用机匣处理、叶顶微喷气和可调进口导叶等流动控制方法。机匣处理作为一种被动流动控制方法能够有效提高压气机的稳定工作范围，可靠性较高并且在结构上较为容易实现。目前机匣处理技术已经在航空发动机中得到了实际的应用。
机匣处理通过改变叶顶机匣的几何结构可以改善压气机叶顶区域的流动堵塞状况，从而起到拓宽压气机失速裕度的作用。压气机叶顶区域的流动本身是非常复杂的三维流动，而机匣处理和叶顶流场之间的相互作用又加剧其复杂性。如何设计机匣处理结构来有效地提高压气机稳定工作范围，同时尽量降低压气机的效率损失，仍是目前叶轮机械领域具有挑战性的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法及装置，对压气机叶顶流体进行有效的输运和激励，从而降低叶顶泄漏流和边界层分离引起的堵塞，提高压气机的失速裕度。
本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案为：
一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，，其特征在于：所述机匣处理流动控制方法包括如下步骤，
SS1.在压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面开设若干沿周向均匀分布的叶顶弦向凹槽，槽深的方向沿着压气机的径向方向，各叶顶弦向凹槽之间具有一定的间隙；
SS2.在每一叶顶弦向凹槽内部沿叶顶弦向均匀布置若干个导流叶片，引导凹槽内气流的走向，相邻导流叶片构成的叶片通道沿叶顶压力面方向到吸力面方向为收敛通道，从叶顶压力面附近进入叶顶弦向凹槽内的泄漏流在收敛通道内加速后从叶顶吸力面附近沿接近于主流方向进入叶片通道，可增加叶顶区域流体的能量，从而实现对叶顶泄漏流和叶表边界层分离的控制，使叶顶区域的流动堵塞减轻，压气机的失速裕度提高。
优选地，所述的叶顶弦向凹槽的轴向长度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.5-1.0倍。
优选地，所述的叶顶弦向凹槽的宽度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
优选地，所述的叶顶弦向凹槽的深度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
优选地，所述的叶顶弦向凹槽的个数为1-50个。
优选地，所述的导流叶片的安装角为0-90度。
优选地，所述的导流叶片的进口几何角为0-90度。
优选地，所述的导流叶片的出口几何角为0-45度。
优选地，所述的导流叶片的弦长为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.9倍。
优选地，所述的导流叶片的高度为叶顶弦向凹槽深度的0.1-0.9倍。
优选地，所述的导流叶片的最大厚度为0.05-0.10倍导流叶片弦长。
优选地，单个叶顶弦向凹槽内导流叶片的个数为1-10个。
优选地，相邻导流叶片组成的叶片通道收缩比为0.1-0.9。
根据本发明的另一方面，还提供了一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制装置，包括压气机动叶和压气机机匣，其特征在于，
在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面上开设若干沿周向均匀分布的叶顶弦向凹槽，所述叶顶弦向凹槽的槽深方向沿着压气机的径向方向，各叶顶弦向凹槽之间具有一定的间隙；在每一所述叶顶弦向凹槽内部沿叶顶弦向均匀布置若干个导流叶片，相邻导流叶片构成的叶片通道沿叶顶压力面方向到吸力面方向形成为收敛通道，从叶顶压力面附近进入叶顶弦向凹槽内的泄漏流在收敛通道内加速后从叶顶吸力面附近沿接近于主流方向进入叶片通道，可增加叶顶区域流体的能量，从而实现对叶顶泄漏流和叶表边界层分离的控制，使叶顶区域的流动堵塞减轻，压气机的失速裕度提高。
同现有技术相比，本发明所提出的用于压气机扩稳的弦向凹槽导流片式机匣处理方法及装置，其有益效果为：
该机匣处理结构可调控部分或整个叶顶弦长范围内泄漏流强度和方向的分布，叶顶弦向凹槽位于叶顶上方时能够吸除叶顶压力面附近的低能泄漏流，从而能够抑制叶顶泄漏流的形成并减弱压力面附近泄漏流引起的低速区；同时凹槽内的导流叶片能够使进入凹槽内的气流在相邻导流叶片组成的收敛通道内加速，并引导气流沿接近于主流的方向从吸力面附近射入叶片通道，对低能泄漏流和叶片吸力面边界层起到激励作用，从而能够降低叶顶区域的流动堵塞，到达提高压气机稳定工作范围的目的。
附图说明
图1是本发明的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制装置的子午面结构图。
图2为图1中的A-A截面结构图。
图3为图1中的B-B截面结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
下面结合附图并通过具体实施例对本发明的目的、技术方案及优点进行详细说明。
图1为本发明的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制装置的子午面结构图。本发明的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制装置包括：压气机动叶1，压气机机匣2，叶顶弦向凹槽3和凹槽内部的导流叶片4。压气机动叶1和压气机机匣2之间存在一定的叶顶间隙。在叶顶压力面和吸力面之间压差的作用下，气流经过叶顶间隙形成泄漏流，泄漏流是引起压气机旋转失速的重要原因。在压气机动叶1叶顶对应压气机机匣2壁面沿圆周方向开设多个叶顶弦向凹槽3，并在每一叶顶弦向凹槽3内部沿叶顶弦长方向均匀布置多个导流叶片4，能够改善叶顶区域的流场，从而达到提高压气机稳定工作范围的目的。
所述叶顶弦向凹槽3覆盖0％-100％压气机动叶叶顶轴向弦长范围；叶顶弦向凹槽的深度Lh为其轴向长度Lt的33.3％；导流叶片的高度Dh为叶顶弦向凹槽深度Lh的90％。
图2为图1中的A-A截面结构图。每个压气机动叶1至少对应1个叶顶弦向凹槽3；叶顶弦向凹槽3的槽深方向和压气机的径向方向一致；叶顶弦向凹槽的宽度为其轴向长度的25％。
图3为图1中的B-B截面结构图。设置在每个叶顶弦向凹槽3内的导流叶片4的数量为4个；导流叶片4的进口几何角β1＝60度；导流叶片4的出口几何角β2＝20度；导流叶片4的安装角ε＝40度；导流叶片4的弦长为叶顶轴向弦长的50％；导流叶片4的叶型最大厚度为导流叶片弦长的10％；相邻导流叶片4组成的叶片通道为收缩通道，导流叶片通道的收缩比w2/w1＝0.5。
旋转的压气机动叶1与叶顶弦向凹槽3和导流叶片4之间的相对位置随时间发生变化。当压气机动叶1位于叶顶弦向凹槽3和导流叶片4下方时，导流叶片4横跨压气机动叶1的顶部。在叶顶压力面和吸力面之间压差的作用下，叶顶压力面附近的低能泄漏流能够进入叶顶弦向凹槽3内，这会使通过叶顶间隙的泄漏流强度减小。同时，进入叶顶弦向凹槽3内的亚音气流在相邻导流叶片4组成的收缩通道内逐渐加速，并在导流叶片4的作用下沿接近于主流的方向从叶顶吸力面附近进入叶片通道，能够对叶顶泄漏流和吸力面边界层起到激励作用。因此，弦向凹槽导流叶片式机匣处理流动控制装置能够降低叶顶区域的流动堵塞，提高压气机的稳定工作范围。
叶顶弦向凹槽3和导流叶片4的个数以及几何参数需要根据具体的应用对象进行选取和优化，以更有效地提高压气机的失速裕度，并且尽量降低压气机的效率和压比损失。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (14)
1.一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述流动控制方法包括：
SS1.在压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面上开设若干沿周向均匀分布的叶顶弦向凹槽，槽深的方向沿压气机的径向方向，相邻叶顶弦向凹槽之间具有一定的间隙；
SS2.在每一叶顶弦向凹槽内部沿叶顶弦向均匀布置若干个导流叶片，相邻两导流叶片构成收敛通道，从叶顶压力面附近进入叶顶弦向凹槽内的泄漏流在收敛通道内加速后从叶顶吸力面附近沿接近于主流方向进入叶片通道，可增加叶顶区域流体的能量，从而实现对叶顶泄漏流和叶表边界层分离的控制，使叶顶区域的流动堵塞减轻，压气机的失速裕度提高。
2.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的叶顶弦向凹槽的轴向长度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.5-1.0倍。
3.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的叶顶弦向凹槽的宽度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
4.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的叶顶弦向凹槽的深度为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
5.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的叶顶弦向凹槽的个数为1-50个。
6.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的安装角为0-90度。
7.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的进口几何角为0-90度。
8.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的出口几何角为0-45度。
9.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的弦长为压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.9倍。
10.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的高度为叶顶弦向凹槽深度的0.1-0.9倍。
11.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的导流叶片的最大厚度为0.05-0.10倍导流叶片弦长。
12.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：单个叶顶弦向凹槽内导流叶片的个数为1-10个。
13.根据权利要求1所述的压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制方法，其特征在于：相邻导流叶片组成的叶片通道收缩比为0.1-0.9。
14.一种压气机弦向凹槽导流片式机匣处理流动控制装置，包括压气机动叶和压气机处理机匣，其特征在于：在压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面上开设若干沿周向均匀分布的叶顶弦向凹槽，槽深的方向沿压气机的径向方向，相邻两叶顶弦向凹槽之间具有一定的间隙；在每一叶顶弦向凹槽内部沿叶顶弦向均匀布置若干个导流叶片，相邻两导流叶片构成收敛通道，从叶顶压力面附近进入叶顶弦向凹槽内的泄漏流在收敛通道内加速后从叶顶吸力面附近沿接近于主流方向进入叶片通道，可增加叶顶区域流体的能量，从而实现对叶顶泄漏流和叶表边界层分离的控制，使叶顶区域的流动堵塞减轻，压气机的失速裕度提高。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |