CN101832302A - 一种周向多分区的尾流撞击发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在轴流压气机上的进口导流叶片周向多分区的尾流撞击发生器，其包括机匣、轮毂、四个有导叶的激流区和四个无导叶的缓冲区。该设计考虑到了压气机里强烈的无序非定常多旋涡结构流动损失。当合理安排进口导叶数目和周向分布形式时，IGV的多频率尾迹能对下游转子流场产生有益的非定常耦合激励作用。与进口导流叶片周向均布的尾流撞击方案相比，周向多分区的尾流撞击方案在保持有益的高频激励信号同时，引入了合适的低频方波激励信号和其它有益的副频激励信号，使得导叶尾迹更容易与压气机中多种涡系产生耦合激励作用，从而明显提高压气机绝热效率，提高压气机总压升和扩大压气机稳定裕度。

Description

一种周向多分区的尾流撞击发生器

技术领域

本发明涉及一种能提高航空发动机用压气机的绝热效率，同时压气机的总压升和稳定裕度也略有增加的进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器。

背景技术

目前，叶轮机械工业已成为了一个国民经济和军事力量的支柱，在国家战略中起着主导作用。但是该领域内的人都知道，在航空发动机压气机内部存在着强烈和复杂的非定常流动。一方面，转/静叶排的相互干扰形成了压气机内特有的非定常性；另一方面，压气机内部流动还存在多种旋涡结构和丰富的二次流。这种强烈而无序的非定常流动极大地限制了压气机性能的进一步提升。但是，随着人们对非定常流动机理认识的逐步深入，已经逐渐意识到非定常流动中蕴藏着丰富的潜能，因此，人们开始采取了很多方法利用和控制非定常潜能来提高压气机的性能。

在利用和控制压气机内部的非定常潜能方面，国内外工作者做了大量的研究工作。比如在压气机的外部或内部施加合适频率和幅值的声激励，一般来说内部声激励从功率要求和激励效果上要优于外部声激励。人们还采用合成射流激励也取得了一定的正效果。另外，处理机匣可以大幅提高压气机喘振裕度，在实际工程中得到了广泛应用。近年来，北京航空航天大学的周盛教授和陆亚钧教授提出了非定常耦合流动理论，在此理论指导下研究发明了一种尾流撞击发生器，该尾流撞击发生器在压气机进口周向均布一定数目的导流叶片，使压气机的总体性能得到明显提升。

但上述声激励和合成射流的方法在实际工程应用上难度很大；处理机匣虽然能大幅提高压气机的喘振裕度，单它往往是以降低压气机的绝热效率为代价的；尾流撞击发生器在实验中对压气机的总压升、效率和失速裕度均略有提高，但是，其对压气机效率的提高仍很少。

因此，如何更有效地利用和控制压气机内部的非定常流动，设计出一种能够产生多种频率的激励发生器，使它不仅能对主流区进行更好地整流而且能对复杂的二次流进行一定程度的整流，使流场更加有序，减少流动损失和减轻叶背分离，在明显提高压气机绝热效率的同时，使得压气机的总压升和失速裕度也略有提高。这种非定常多频率激励的尾流撞击发生器成为本发明所追求的目标。

发明内容

受非定常耦合流动理论的指导以及只能产生单频率的进口导流叶片周向均布的尾流撞击发生器的的启发，并针对压气机内部的非定常多旋涡结构的流动特点，本发明提供了一种能产生多频率激励的进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器。设进口导叶周向均布的尾流撞击发生器的导叶总数为N，则周向多分区的尾流撞击发生器的特征为：每隔

数目的导叶，去掉

数目的导叶，即去掉了50％的进口导流叶片，得到相间分布的四个有导叶的激励区和四个无导叶的缓冲区。这种周向多分区的尾流撞击发生器包括：机匣、轮毂、四个有导叶的激励区和四个无导叶的缓冲区。

要设计周向多分区的尾流撞击发生器，首先对进口导叶均布的尾流撞击发生器进行设计，如图1方案A所示，进口导叶周向均布的尾流撞击发生器是沿周向均匀分布若干个导流叶片。这种进口导叶周向均布的尾流撞击发生器的设计方法为：

(1)导流叶片的个数的确定方法：首先用实验或数值计算的方法确定某一转速n(RMP)时转子叶片的旋涡脱落频率f_shed，则由式(1)可得到IGV(进口导流叶片)的个数：

$N\≈\frac{f_{\mathrm{shed}}\×60}{n}---\left(1\right)$

(2)直导流叶片的选取：为了减少流动损失，进口导流叶片选用中弧线为直线段的直导流叶片、最大厚度点距叶片前缘的相对位置

尾缘相对于轴线为直角，尾缘厚度为弦长的1％，叶型最大相对厚度

进口直导流叶片的前缘垂直于压气机轴线，尾缘从叶根到叶尖距转子前缘的轴向距离均为5±1mm。

(3)轮毂为等外径，机匣为等内径设计。

进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器的设计是每隔

数目的导叶，去掉数目的导叶，即去掉了50％的进口导流叶片，得到相间分布的四个有导叶的激励区和四个无导叶的缓冲区，显然，每个激励区叶片的数目约为

激励区的圆心角为α，缓冲区的圆心角为β，α+β＝90°，具体如图2方案B所示。方案B中，在激励区，下游流场能感受到连续的尾迹亏损，而在缓冲区，下游流场则不能感受到尾迹亏损。尾迹信号的这种从有到无，再从无到有的转变过程，就是一个典型的低频方波激励信号，这是进口导叶周向均布的尾流撞击方案所不能提供的。此外，在激励区，转子流场还会感受到多个尾迹连续经过时产生的高频率的尾流激励信号。而这个高频激励信号就是进口导叶周向均布的尾流撞击发生器能对下游流场产生耦合激励频率。

从进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器对压气机流场的非定常激励频率分析，可以知道本发明所述的进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器对压气机流场的激励是多频率的，而进口导叶周向均布的尾流撞击发生器对压气机流场的激励频率为单一频率。因此，本发明所述的进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器相对进口导叶周向均布的尾流撞击发生器来说，可以对压气机内多种旋涡结构进行耦合整流，可进一步提高压气机的性能。

这种周向多分区的尾流撞击发生器能够对压气机主流区及端壁区二次流产生明显的非定常激励整流作用，使得流场变得更为有序，因而能取得与进口导叶周向均布的尾流撞击发生器不同的效果，使压气机绝热效率明显提高的同时，也使得压气机的总压升和失速裕度略有提高。

附图说明

图1为进口导叶周向均布的尾流撞击发生器(方案A)示意图；

图2为进口导叶周向多分区的尾流撞击发生器(方案B)示意图；

图3尾流撞击方案A和B对压气机效率特性的影响；

图4尾流撞击方案A和B对压气机总压升特性的影响；

图5为进口导叶周向均布的尾流撞击方案A激励频谱；

图6为进口导叶周向多分区的尾流撞击方案B的激励频谱；

具体实施方式

举例说明本发明的具体实施方式。根据上述进口导流叶片周向多分区的尾流撞击发生器的设计方法对一台单级低速轴流压气机进行进口导叶周向多分区的尾流发生器设计，并用实验验证其作用效果。

该轴流压气机的主要设计参数如表1所示。

表1  轴流压气机主要设计参数

首先用实验的方法确定设计转速n_d＝3000rpm时转子叶片的旋涡脱落频率。经实验测定该压气机在n_d＝3000rpm时的旋涡脱落频率f_shed为1854H_z。然后用公式(1)算出导叶的个数为37片，这里可近似地取为40片。然后由发明内容内所述的方法可知，每个激励区的叶片数均为5。

转子前没有IGV(进口导流叶片)的称为基准，转子前有如图1所示40IGV的周向均匀分布的称为A方案。尾流撞击方案A和B对压气机效率特性和对压气机总压升的影响分别如图3、4所示。与基准相比，40IGV周向均匀分布的尾流撞击方案A的激励效果不明显，最高效率仅能比基准高0.2％。但是方案A中40片导叶自身的尾迹损失并没有使压气机的总体性能下降，这说明了下游转子流场确实受到尾流激励的作用而变得更加高效了。由图3、4可知，周向多分区的尾流撞击方案B的激励效果明显好于方案A，压气机的最高效率比基准提高了1.2％，同时总压升和稳定裕度也有一定增加。

如图5所示为进口导叶周向均布的尾流撞击方案A频谱特性，它的激励频谱为单一的激励频率2000H_z。如图6所示为进口导叶周向多分区的尾流撞击方案B的频谱特性，它产生了一个200H_z的低频方波激励信号，同时在2000H_z的高频激励信号附近出现了1800H_z和2200H_z的副频成分，形成了一个围绕2000H_z的激励频带。这种低频方波和围绕2000H_z的激励频带更容易与围绕2000H_z上下跳动的脱落频率和复杂的二次流涡系产生耦合，使流动由无序变为有序。而且，IGV减少了50％也必然减少了流动损失。

在这三种方案下，压气机的性能参数如表2所示。由表而可以看出方案A、B的最高效率、设计点总压升、稳定裕度均比基准有所提高，但是进口导叶周向均布的尾流撞击方案A的最高效率仅比基准提高了0.2％，而进口导叶周向多分区的尾流撞击方案B效率提高了1.2％。

表2 三种方案下压气机的性能参数

Claims (2)

1.一种周向多分区的尾流撞击发生器，其特征是本发明所述周向多分区的尾流撞击发生器包括：机匣(1)、轮毂(2)、四个有导叶(3)的激励区(4)和四个无导叶的缓冲区(5)。激励区(4)与缓冲区(5)相间分布，相邻激励区(4)的圆心角α与缓冲区(5)的圆心角β之和α+β均为90°。

2.如权利要求1所述的周向多分区的尾流撞击发生器，其特征在于每个激励区(4)叶片的数目为：

其中N为每个激励区(4)叶片的数目，f_shed为转子叶片后占优的旋涡脱落频率，n为转子转速(RPM)。

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