CN101092977A - 处理机匣设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风扇/压气机机匣处理方法，在保证风扇/压气机效率基本不变的前提下，大幅度提高其稳定工作范围。该方法以风扇/压气机级转子叶尖流场为基础，分析其非定常时空结构，得出占主导流场结构的流动频率和起始位置，确定处理机匣的槽数、相对转子的位置以及具体的处理槽结构形式。

Description

处理机匣设计方法

技术领域

本发明涉及一种风扇/压气机机匣处理方法，在保证风扇/压气机效率基本不变的前提下，大幅度提高其稳定工作范围。

背景技术

在航空发动机压气机设计发展过程中，压气机的不稳定流动，如失速、喘振等，极大地限制了压气机性能的进一步提升。为了能使压气机有较大的稳定工作裕度，保证发动机的安全工作，设计者往往要以牺牲压气机的性能为代价，将压气机的工作点放在远离其最佳效率点的位置。因此，拓宽压气机的稳定工作范围，成为航空发动机设计者致力追求的目标。

为了提高压气机的稳定工作范围，风扇/压气机设计者提出了多种形式的机匣处理形式。图1-图3给出了三种典型的处理机匣结构形式。

如图1所示，轴向槽结构处理机匣是在机匣上沿压气机的轴向开槽，其槽深方向与压气机的径向成一定夹角。当槽深方向对准来流方向时，无论来流是均匀流或发生进口畸变，失速裕度都有较大改善。

如图2所示，叶片弦向槽处理机匣是在机匣上沿叶尖基元的弦向开槽，槽深方向也可以有不同的夹角，并且可以通过气室连通所有弦向槽。

如图3所示，反旋涡浅槽处理机匣是根据叶片通道中已知涡旋的方向和强度，在机匣上沿压气机轴向开无气室的三角槽，当叶片扫过这些处理槽时，通过机匣壁面曲率上的变化，产生与已知涡量反号的涡量，并与叶片通道中的已知旋涡对消，从而使失速裕度得到提高。

但是，传统的处理机匣的设计仍停留在定常框架下的经验型设计阶段，在扩大稳定工作裕度的同时往往以牺牲效率为代价。并且，由于处理机匣涉及到的几何与气动参数繁多，单纯经验型设计方法难以做到十分可靠，有时会出现同一类型处理机匣用于前面级成功而用于后面级则效果不明显，用于风扇效果显著而用于核心压气机则效果不显著等结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新型的机匣处理设计方法，使得风扇/压气机加装处理机匣后，能保证风扇/压气机效率基本不降低的前提下，大幅度提高风扇/压气机的稳定工作范围。

本发明提供的处理机匣设计方法利用位于风扇/压气机转子上方的处理机匣和风扇/压气机转子叶片之间的相对运动，将处理机匣内部的流动与转子通道内部旋涡流动进行耦合，使得转子内部流场从无序向有序转化，从而抑制或消除转子内部流场的堵塞，达到扩大风扇/压气机稳定工作范围的目的。

本发明的技术解决方案是根据风扇/压气机内部流场非定常时空结构，选取合适的处理机匣设计参数，使得处理机匣槽内流动与风扇/压气机内部流动产生非定常耦合。具体方法如下：

(1)对风扇/压气机转子内部流场进行准确测量或数值模拟，分析其叶尖非定常流场时空结构，确定占主导的流场结构形式及其流动特征。这种流场结构形式包括端壁附面层分离，叶片表面附面层分离，间隙涡等。

(2)得到在风扇/压气机转子叶尖区域占主导的流场结构形式的流动频率。

(3)确定在风扇/压气机转子叶尖区域占主导的流场结构形式的起始位置。对应不同的占主导的流场结构形式，该起始位置可以是分离点，可以是间隙涡的起源地等。

(4)确定处理机匣的槽数。处理机匣的槽数满足：

$0.7\≤\frac{Z\·n}{60\·f}\≤1.5$

其中，Z为处理机匣槽数，n为转子转速(rpm)，f为转子叶尖占主导的流场结构形式的流动频率。

(5)确定处理机匣相对转子的位置。处理机匣进口或出口位于转子叶尖区域占主导的流场结构的起始位置。处理机匣另一端的位置位于该起始位置上游或下游，一方面使得处理槽的进出口有足够的压差保证槽内流动，另一方面尽可能减少处理机匣槽内倒流带来的流动损失。处理槽内流量满足：

$0.5\≤\frac{m_{\mathrm{slot}}}{m_{\mathrm{mean}}}\≤1.0$

其中m_slot为处理槽内质量流量，m_mean为转子主流平均质量流量。

(6)确定处理机匣槽的具体形式。设计处理机匣槽的具体形式，一方面要保证转子叶尖低能流体在起始位置较为容易进入处理槽内部，即在该位置处理机匣槽的径向方向应该对准低能流体团的速度方向，另一方面，尽可能减少处理机匣带来的流动损失，例如，选择处理槽进出口的形式减少处理槽进出口的掺混损失，设计合理的处理槽内部形式减少处理槽内部流动损失。

附图说明

图1为现有技术的轴向斜槽处理机匣剖面示意图，(a)、(b)、(c)分别为主视图、俯视图和侧视图；

图2为现有技术的叶片弦向槽处理机匣剖面示意图，(a)、(b)、(c)分别为主视图、俯视图和侧视图；

图3为现有技术的反旋涡浅槽处理机匣剖面示意图，(a)、(b)、(c)分别为主视图、俯视图和侧视图；

图4为子午面处理机匣示意图；

图5为实例圆弧斜槽处理机匣结构形式示意图，(a)为主视图，(b)为A-A剖面图，(c)为B向视图；

图6为有无处理机匣超跨声压气机级在65％设计转速和98％设计转速时的流量压比特性曲线；

图7为有无处理机匣超跨声压气机级在65％设计转速和98％设计转速时的流量效率特性曲线。

具体实施方式

举例说明本发明的具体实施方式。根据上述处理机匣设计方法对一台轴流超跨声压气机单级进行处理机匣设计，并用实验验证其作用效果。

该超跨声压气机转子的设计参数如表1所示。

表1轴流超跨声压气机转子设计参数

设计点指标			几何参数
						转速	22000	rpm	叶片数	17
流量	13.5	kg/s	轮毂比	0.565
						压比	1.6		弦长	80.54	mm
效率	0.88		展弦比	0.956
						叶尖切线速度	409.85	m/s	叶尖间隙	1	mm
叶尖相对马赫数	1.409
						叶根相对马赫数	0.963

首先用实验的方法确定了该转子叶尖占主导的流场结构形式，分析其非定常流场时空结构，确定了流动频率和起始位置。

按照方法(4)确定处理机匣槽数为88。

用如图4所示的几何参数来定义处理机匣相对转子的位置。将压气机机匣2中位于转子1上方的一部分进行机匣处理，处理机匣3的进口4和出口5定义了处理机匣位于转子上方的相对位置。转子叶尖轴向弦长为L，处理机匣进口4与转子叶尖前缘位置的距离为S1，处理机匣出口5与转子叶尖前缘位置的距离为S2。

定义处理机匣搭接量λ1为：

${\mathrm{\λ}}_1=\frac{S1}{L}$

定义处理机匣前伸量λ2为：

${\mathrm{\λ}}_2=\frac{S2}{L}$

按照方法(5)确定处理机匣位置：λ1＝35％，λ2＝78％。

按照方法(6)选择圆弧斜槽型处理槽形式，其中处理槽径向角度α＝45°，如图5所示。

图6和图7为有无处理机匣压气机级压比效率特性曲线。从图中可以看到，无论低转速还是高转速，在效率基本不变的情况下，压气机稳定工作裕度有很大的提升。65％设计转速稳定裕度从28.54％提高到96.96％，98％设计转速稳定裕度从11.38％提高到39.08％。

Claims (5)

1、一种风扇/压气机处理机匣的设计方法，其特征是在分析风扇/压气机级转子流场非定常时空结构的基础上，确定转子叶尖区域占主导的流场结构形式的流动频率和起始位置，从而确定处理机匣的设计参数。

2、按照权利要求1所述的处理机匣设计方法，其特征在于处理机匣的槽数满足： $0.7\≤\frac{Z\·n}{60\·f}\≤1.5.$ 其中，Z为处理机匣槽数，n为转子转速(rpm)，f为转子叶尖占主导的流场结构形式的流动频率。

3、按照权利要求1所述的处理机匣设计方法，其特征在于处理机匣的位置按如下方式确定：处理机匣进口或出口位于转子叶尖占主导流场结构的起始位置。处理机匣的另一端的位置位于该起始位置上游或下游，一方面使得处理槽的进出口有足够的压差保证槽内流动，另一方面尽可能减少处理机匣槽内倒流带来的流动损失。处理槽内流量满足： $0.5\≤\frac{m_{\mathrm{slot}}}{m_{\mathrm{mean}}}\≤1.0.$ 其中mslot为处理槽内质量流量，mmean为转子主流平均质量流量。

4、按照权利要求1所述的处理机匣设计方法，其特征在于处理机匣的槽的具体形式按如下方式确定：一方面要保证低能流体在起始位置较为容易进入处理槽内部，即在该位置处理机匣槽的径向方向应该对准低能流体团的速度方向，另一方面，尽可能减少处理机匣带来的流动损失。

5、按照权利要求1所述的处理机匣设计方法，其特征在于处理机匣的槽的具体形式为圆弧斜槽形式。

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