CN102162472A - 一种多圆弧斜槽处理机匣 - Google Patents

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李志平
袁巍
李茂义
陆亚钧
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface

Abstract

本发明涉及一种应用在轴流压气机转子叶尖端区的多圆弧斜槽处理机匣。该多圆弧斜槽处理机匣的设计考虑到了传统处理机匣的矩形和梯形设计所带来处理槽较大的流动损失。通过合理的设计处理槽的几何结构形式，即在R方向(径向)采用双圆弧型并且在θ(周向)采用圆弧型的组合设计，避免了矩形和梯形设计所带来的较大的流动损失，从而使多圆弧斜槽处理机匣在大幅提高压气机失速裕度的同时，峰值效率略有提升。

Description

一种多圆弧斜槽处理机匣
技术领域
本发明涉及一种提高压气机稳定裕度的装置，尤其是指一种能明显提高压气机稳定裕度而同时其峰值效率略有提升的多圆弧斜槽处理机匣。
背景技术
压气机广泛运用在航空发动机和工业生产中。随着压气机级负荷系数的不断提高，压气机的不稳定流动表现得日益为突出，如旋转失速、喘振等，极大地限制了压气机性能的进一步提升。发生旋转失速时，存在一个或多个低能失速团沿压气机周向旋转，压气机的性能会突然下降，流量、压比和效率均降至最低点，并且会对压气机叶片产生周期性的激振力，甚至引起喘振的发生，危害极大。因此人们采取了很多方法来推迟压气机发生旋转失速等不稳定现象，以扩大其稳定工作裕度。
为了扩大压气机的稳定裕度，国内外工作者做了很多研究工作。处理机匣技术的扩稳效果被认为非常明显，且实用性很强，因而得到了比较广泛的应用。图1-图2给出了两种典型的处理机匣结构形式。
如图1所示，轴向斜槽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，稳定裕度都有较大改善。但这类处理机匣的缺点是，稳定裕度的改善以损失压气机的效率为代价。
如图2所示，弦向斜槽处理机匣是在机匣上沿叶尖基元的弦向开槽，槽深方向可以有不同的夹角。在均匀来流情况下，稳定裕度的增长仅次于轴向斜槽处理机匣3％，对压气机效率的损失也比轴向斜槽少一些。
总结传统的处理机匣技术，存在这样的缺点：在提高压气机的稳定裕度的同时总是以绝热效率的降低为代价。这种代价通常为1％-3％左右。在航空发动机上，压气机的绝热效率的下降意味着燃油消耗会更多。
传统的处理机匣之所以会降低压气机的峰值效率，其中一个很重要的原因便是处理槽的几何结构设计的不合理。传统的处理机匣的处理槽在R(径向)、Z(轴向)和θ(周向)三个方向中至少有一个为矩形或梯形设计，而且在处理槽的前部和后部与径向的夹角多为0°设计，这样必然增加了处理槽喷出的气流与主流区的掺混损失。
因此，如何从优化处理槽的几何结构出发，设计出一种处理槽流动损失较小的处理机匣成为本发明所述工作的初衷。
发明内容
针对上述传统处理机匣技术存在的缺点，本发明提供一种多圆弧斜槽处理机匣，该处理机匣的特征是：处理槽在R方向(径向)采用双圆型设计；处理槽在θ方向(周向)采用圆弧型设计；在Z方向(轴向)上处理槽的后端与转子叶尖基元级中弧线的方向大致相同，处理槽的前端沿轴向。
这种椭圆及圆弧斜槽处理机匣的设计方法如下：
(1)椭圆及圆弧斜槽处理机匣处理槽数目N一般取转子叶片数的6～9倍；
(2)处理槽轴向投影长度LH的确定
处理槽的总的轴向投影长度LH，其初步取值在一定范围变化：
LH＝0.7Lb～1.3Lb
上式中Lb为转子叶尖基元级叶型的轴向弦长。
(3)根据经验，处理槽径向倾斜角Alpha取40°-60°范围
(4)处理槽在R(径向)的前部和尾部采用圆弧型
处理槽的前端和后端均采用圆弧形，处理槽的前端为半圆，后端为1/4圆；两个圆弧的半径均为R1，R1＝0.3～0.5LH；前端的半圆弧两个端点的连线(即为直径)与机匣线的夹角Bita为45°-60°；后端圆弧的圆点在机匣线上；两个圆弧的公切线即为处理槽的底部。
(5)处理槽在θ(周向)采用圆弧型
(6)处理槽的搭接量取35％
(7)处理机匣的敞开比为50％
这种结构在各个方向上都比较圆滑，避免了传统处理槽在某个方向上矩形或梯形的设计，能够减少处理槽的流动损失，而且处理槽前部的出气方向接近轴向，减少了处理槽喷出的气流与主流的掺混，因而这种几何结构形式的处理机匣在大幅提高压气机的失速裕度的同时，峰值效率略有提升。
附图说明
图1为轴向斜槽处理机匣示意图；
图2为弦向斜槽处理机匣示意图；
图3为本发明实施的示意图(Lb为转子叶尖基元级叶型的轴向弦长)；
图4为本发明在θ(周向)、Z(轴向)和R(径向)方向的视图(LH为处理槽轴向投影长度，Lb为转子叶尖基元级叶型的轴向弦长，Alpha为处理槽径向倾斜角，R1为处理槽前后端圆弧的半径，Bita为处理槽前端的半圆弧两个端点的连线与机匣线的夹角，A-A为沿该面的剖视图，B视图为上视图)；
图5为本发明应用于某跨声速压气机单转子设计转速数值计算的特性线。
具体实施方式
以某跨声速压气机单转子为例来说明本发明的具体实施方式，表1是该跨声速压气机单转子的基本的气动和结构参数。
表1跨声速轴流压气机转子设计参数
Figure BDA0000058961890000041
根据发明内容中的设计方法进行如下设计：
(1)确定处理槽的数目N＝17×6＝102
(2)处理槽的轴向投影长度LH＝1.085×35mm＝38mm，Lb＝35mm
(3)处理槽径向倾斜角Alpha取45°
(4)两个圆弧的半径均R1＝14mm；前部的半圆弧两个端点的连线(即为直径)与机匣线的夹角为50°
(5)处理槽在Z(轴向)采用圆弧型，处理槽的搭接量取35％，处理机匣的敞开比为50％。

Claims (2)

1.一种多圆弧斜槽处理机匣，其特征在于本发明所述多圆弧斜槽处理机匣的处理槽在径向采用双圆弧型并且在周向采用圆弧型的组合设计。
2.如权利要求1所述的多圆弧斜槽处理机匣，其特征在于：处理槽在径向上，前后端圆弧的半径R1＝0.3～0.5LH，LH为处理槽总的轴向投影长度；处理槽的前端为半圆，后端为1/4圆；前端的半圆形圆弧两个端点的连线与机匣线的夹角Bita为45°-60°；后端圆弧的圆点在机匣线上；两个圆弧的公切线即为处理槽的底部。
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