CN100497957C - 轮毂激励发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善民用轴流风机静子叶根端区流动分离的轮毂激励发生器。其通道在静子轮毂分离处施加圆弧形处理槽道，设计中通过优化轮毂处理槽数使得槽道的非定常流动与静子叶根端壁区分离团的流动耦合从而更有效地改善端区流动，实现本发明的目的。与传统的轮毂处理相比，本发明设计针对减少静子叶根分离问题而采用了新的结构形式，因此能够有效减少静子叶根端壁的大尺度分离，从而大幅降低噪声，提高风机效率，同时扩大风机稳定裕度范围。

Description

轮毂激励发生器

技术领域

本发明涉及的是一类应用于轴流叶轮压气机静子叶根的轮毂处理装置，尤其是改善民用轴风机静子根部端区流动分离的一种轮毂激励发生器。

背景技术

民用轴流风机的级压比和流动速度虽然都相对航空燃气轮机很低，但是为了尽量降低加工和制造成本，叶型通常相对简单而粗糙，所以叶片通道内存在有较大的流动分离，尤其是静子根部的端壁区域，流动受轮毂端壁附面层的影响而形成很严重的分离，其往往是风机噪声源之一，因此，民用风机的效率一直处于较低的水平，基本在60—80％左右。

在技术远远先进于民用风机的同为轴流式叶轮机械的航空发动机风扇压气机设计中，解决端区流动分离的主要技术方法是设计中采用三维叶片造型设计，积叠线的空间分布以及复杂的叶片弯掠造型结构，甚至在高级压比的压气机中应用了叶片和轮毂端区的抽吸气等技术手段。对于民用风机来说，相对简单的叶型造型以及粗糙的弯掠叶片的应用虽然在一定程度上改善了转子内的流动分离，但是风机成本因素限制了在风机制造中不能完全而充分有效地应用这些技术手段，因此，民用风机中流动分离依然较为普遍，尤其是在静子叶根端区，严重的大尺度分离一直没有得到很好的解决。

机匣处理方法做为扩大压气机稳定裕度简单而有效手段在航空轴流发动机中得到了广泛的应用，轮毂处理方法在压气机中也有应用。这些处理技术的根本目的在于提高压气机的稳定裕度范围，其有效性的本质在于改善端区的流动情况。能否将轮毂处理方法应用民用风机静子来改善静子端区流动大尺度分离的情况。正是出于这一新思想，本课题组基于对静子端区的流动结构的分析，结合前期已获得成功的非定常耦合流动理论，针对压气机静子叶根存在大尺度分离的流动结构，设计了改善静子端区流动分离的轮毂激励发生器。初步的实验结果表明，其能有效减少静子端区的流动分离，大幅降低气动噪声，从而提高民用风机的性能。设计的轮毂激励发生器结构相对简单可靠，不会较大的增加风机的成本，因此具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是改善民用轴流风机静子叶根端区的大尺度分离流动，提高风机的效率。本发明所采用的技术方案是在存在流动分离的静子轮毂上施加一个轮毂激励发生器，如图1所示，使进出轮毂激励器槽道的气流对静子端区的分离团形成周期性的非定常激励，从而实现本发明目的。轮毂激励发生器有效与否的关键在于其依赖于端区分离流动情况而设计得到几何结构特征。其结构示意图如图2-图4所示，具体几何参数的选择如下：

(1)激励发生器处理槽位置确定，图1所示

激励发生器处理槽的总的轴向投影长度L_H，其初步取值在一定范围变化：

L_H＝0.7L_b～1.3L_b

上式中L_b为静子叶根基元级叶型的轴向弦长。

激励器的位置确定依赖于静子端区分离区的位置和大小，可以通过前期的数值模拟预估的方法大致确定分离区。激励器槽后端应位于转子轮毂端区分离的起始点位置。一般来说，其大概范围为：

L_T＝0.4L_H～0.7L_H

处理槽轴向长度和尾端位置确定以后，其前端位置即可确定。即

L_L＝L_H-L_T

当处理槽前端位置受转子出口的限制而不能前伸时，可以适当调整槽的轴向长度并保证与转子不相干涉的情况尽量取大的值，

需要说明的是，对于大多数民用风机来说，处理槽前缘位于叶片前缘大约50％L_H，而处理槽尾缘位于静子通道内50％L_b位置。

(2)激励发生器处理槽数目N的确定

激励器控制的主要对象为轮毂端区的分离团，因此，激励器槽数与该分离团的主要特征频率以及轮毂转速相关，其具体取值为：

$N=f(n,f_{\mathrm{separation}})=\frac{60.c_f.f_{\mathrm{separation}}}{n}$

其中，n为轮毂转速RPM，f_separation为轮毂端区分离团旋涡的频率Hz，其可以通过动态压力探针测量静子出口流场来获得，c_f为系数，取值范围为0.5～1.5；

(3)激励发生器处理槽径向倾斜角α_h的确定

以处理槽轴向投影的中点位置上的截面上，图1中E-E截面来计算，槽的中心线与轮毂半径的交角定义为槽的径向倾斜角α_h，其取值范围：

α_h＝40°～60°

α_h的范围主要是经验性的，它的取值与轮毂处切线速度有关，轮毂切线速度高时取上限。

(4)激励发生器处理槽深度h的确定

h＝0.04R_h～0.07R_h

其中R_h轮毂半径。处理槽的深度影响进出槽道气流的强度，即施加激励的幅值大小，其取值应该随着静子分离区增加而增大，当静子叶根分离很严重时，h应该取上限值以获得较大幅值的激励强度作用于轮毂端区分离团。

确定h以后，就确定处理环内环半径R_d

R_d＝R_h-h

(5)激励发生器处理槽圆弧几何参数的确定

激励发生器处理槽圆弧形状的确定依赖于由(1)确定处理槽位置和静子的根部基元叶型，其几何参数的具体确定方法为：

①.处理槽圆弧中心线半径R_a的确定：经验取值，R_a＝0.9R_h～1.2R_h，其中R_h表示轮毂半径

②.处理槽圆弧圆心的确定

首先依据(1)确定得到处理槽后端的位置可以得到处理槽后端与静子叶根轮毂基元叶型的交点位置，然后以上述①确定的半径作圆，使其与静子基元叶型中弧线外切于该点。即可确定处理槽圆弧中心线的圆心。而该圆心同时也是圆弧槽轮廓内外弧的圆心。

③.处理槽法向宽度b₀；

$b_0=\frac{2\mathrm{\π}.c_m.R_h\·\cos \left({\mathrm{\α}}_h\right)}{N\cos \left({\mathrm{\α}}_a\right)}$

R_h为轮毂半径，α_h为处理槽径向倾斜角，α_a为处理槽圆弧中心线轴向中点位置半径与切线方向的交角，如图1所示，N为处理槽数目。c_m敞开比系数，其取值约为0.4～0.55。

确定处理槽法向宽度以后，即可得r₀＝b₀/2，b＝b₀/cos(α_a)

同时可以确定图中的参数

H＝R_h.sinα_h

H₁＝H+b/2

H₂＝H-b/2

④.处理槽轮内外廓线确定

由①确定R_a，由②确定的圆心，以及③确定槽的法向宽度，即可确定内外轮廓线圆弧半径

R_a1＝R_a+B/2

R_a1＝R_a-B/2

⑤.处理槽前端和尾端倒角θ的确定：

经验参数，其主要目的是让进出槽道的气流损失减小，其取值范围θ＝15°～30°

附图说明

图1为本发明实施的示意图；

图2为本发明中圆弧斜槽沿子午面的剖视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为图3的E-E剖视图；

图5为按本发明设计得到的轮毂激励发生器；

具体实施方式

以某民用风机为例来说明本发明的具体实施过程，表1是该民用风机的基本的气动和结构参数。

表1 某民用风机的基本气动和结构参数

 

参数名称	参数值
		转速N	2000RPM
轮毂半径R<sub>h</sub>	0.16875m
		静子叶片数	19
轮毂基元静子叶片轴向弦长L<sub>b</sub>	106.25mm
		轮毂切线速度U<sub>h</sub>	35.34m/s

初步的数值模拟结果表明其轮毂端区存在较强的大尺度分离团，因此，适合应用本发明来改善端区流动分离。下面按本发明内容确定轮毂激励发生器的具体几何参数：

按说明书(1)确定轮毂激励发生器的轴向长度L_H，

L_H＝0.753L_b＝80mm

依据初步数值模拟估计分析，确定处理槽尾端距静子叶片前缘轴向距离L_T

L_L＝0.514L_H＝41.12mm

处理槽前端距静子叶片前缘轴向距离L_L

L_L＝L_H-L_T＝38.88mm

按说明书(2)确定轮毂激励槽数为60，其中，n为2000RPM，f_separation约为1850Hz，c_f＝1.1；

$N=f(n,f_{\mathrm{separation}})=\frac{60.c_f.f_{\mathrm{separation}}}{n}\≈60$

按说明书(3)确定激励发生器处理槽径向倾斜角α_h，在这里轮毂切线速度为35.34m/s，比较低，所以α_h取44°

按说明书(4)确定激励发生器处理槽深度h＝0.0577R_h＝9.75mm

按说明书(5)确定激励发生器圆弧槽几何参数：

①.处理槽圆弧中心线半径R_a＝1.0R_h≈170.0mm

②.处理槽圆弧圆心的确定，

③.处理槽法向宽度b₀，取敞开比系数c_m＝0.44

$b_0=\frac{2\mathrm{\π}.c_m.R_h\·\cos \left({\mathrm{\α}}_h\right)}{N\cos \left({\mathrm{\α}}_a\right)}=\frac{2\mathrm{\π}\×0.44\×168.75\×\cos \left(44\right)}{60\×\cos \left(21\right)}=6.0\mathrm{mm}$

确定处理槽法向宽度以后，即可得

r₀＝b₀/2＝3.0mm

b＝b₀/cos(21)＝6.4mm

同时可以确定图中的参数

H＝R_h.sinα_h＝117.2mm

H₁＝H+b/2＝120.4mm

H₂＝H-b/2＝114.0mm

④.处理槽轮内外廓线确定

由①确定R_a，由②确定的圆心，以及③确定槽的法向宽度，即可确定内外轮廓线圆弧半径

R_a1＝R_a+B/2＝173.0mm

R_a1＝R_a-B/2＝167.0mm

⑤.处理槽前端和尾端倒角θ的确定：经验参数，θ＝17°

最终得到了本发明的轮毂激励发生器，其几何尺寸参数见附图5。

人们将会了解到，本发明不限于本申请案中指出和说明的特殊的实施例子，只要不违背下列权利要求书中限定的新构思和范围就可以做出各种改变和改进的方案。

Claims (7)

1、一种改善民用轴流风机静子叶根端区流动分离的轮毂激励发生器，其特征在于在转动轮毂的特定位置上设定了一定结构与数目的处理槽；处理槽的位置是通过前期的数值模拟预估分离区的方法来确定，处理槽轴向长度L_H以及前端距离叶片前缘的轴向距离L_L和尾端距离叶片前缘的轴向距离L_T分别为：

L_H＝0.7L_b～1.3L_b

L_T＝0.4L_H～0.7L_H

L_L＝L_H-L_T

式中L_b为静子叶根的轴向弦长。

2、按照权利要求1所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽的数目N按如下公式确定： $N=f(n,f_{\mathrm{separation}})=\frac{60.c_f.f_{\mathrm{separation}}}{n}$ 其中，n为轮毂转速RPM，f_separation为轮毂端区分离团旋涡的频率Hz，c_f为系数，取值范围为0.5～1.5。

3、按照权利要求1所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽径向倾斜角α_h＝40°～60°。

4、按照权利要求1所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽深度h＝0.04R_h～0.07R_h，其中R_h为轮毂半径。

5、按照权利要求1或2所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽圆弧几何参数由处理槽位置和静子的根部基元叶型确定，处理槽圆弧中心线与静子基元叶型中弧线外切于槽的尾端位置，处理槽圆弧中心线半径R_a＝0.9R_h～1.2R_h，其中R_h表示轮毂半径。

6、按照权利要求1所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽法向宽度b₀按下述公式确定：

$b_0=\frac{2\mathrm{\π}\·c_m\·R_h\·\cos \left({\mathrm{\α}}_h\right)}{N\cos \left({\mathrm{\α}}_a\right)}$

其中，R_h为轮毂半径；α_h为处理槽径向倾斜角；α_a为处理槽圆弧中心线轴向中点位置半径与切线方向的交角；N为处理槽数目；c_m敞开比系数，其取值范围为0.4～0.55。

7、按照权利要求1所述的轮毂激励发生器，其特征在于处理槽前端和尾端倒角θ＝10°～30°。

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