CN102852668B - 一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构，涉及燃气轮机技术，其通过在轴流风扇/压气机后面级的出口采用渐扩的管道，实现扩压减速，能够减少流动损失。在进气喷嘴端，采用拉伐尔喷管达到增速减压的作用，使得进气喷嘴出口的动量最大化，从而能够最大程度的实现提高稳定裕度的作用。本发明的轴流风扇/压气机自引气喷气机构，在风扇/压气机运行时，将后面级的气体引入到前面级的动叶叶顶端区进行喷射，达到改善失速扩稳裕度的目的，使轴流风扇/压气机能够在更高压比，宽失速裕度的工况下运行。

Description

一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是新型的一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构。

背景技术

对于任何风扇/压气机而言，稳定性是一个重要特性指标。高性能发动机要求轴流风扇/压气机在高压比，高效率条件以及宽失速裕度下工作，这样对压缩系统本身而言，高压比，高效率和宽失速裕度之间就存在一定的匹配问题。因此在过去几十年，国内外学者通过对风扇/压气机不稳定性的检测，发展了主动控制，被动控制技术来抑制其不稳定性，延缓失速的发生。

喷气技术作为一种有效的扩稳方法也得到了广泛的研究。1993年，剑桥大学的Day采用主动喷气技术对多级轴流压气机进行了实验研究，并成功的抑制了失速的产生，他所采用的喷气量不超过主流流量的1％，却使压气机的稳定裕度增加了4％。Weigl等人研究了两种喷嘴结构的主动喷气技术对高速轴流压气机稳定性的影响，喷气量为压气机总流量的5.8％，叶顶相对马赫数为1.0和1.5情况下使压气机失稳点流量分别减少11％和3.5％，并且还使压气机设计流量提高3.6％。

基于主动控制理念的主动喷气，其实现机构十分复杂，因此在实际应用时也受到了很大限制。因此，随着对主动控制理念优势与不足的反思，主动喷气又向早期的被动喷气开始回归，但其本质已更新为能否用定常喷气也来抑制流动失稳的非定常波动？这一尝试最有代表性的当属Suder在2000年所获得的稳态离散喷气的结果，其研究结果显示，当压气机转速为70％设计转速时，1％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移近30％；当压气机以100％转速运行时，1.3％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移3.5％。这表明，定常离散喷气采用同主动喷气同一量级的喷气量仍可以获得良好的扩稳效果，不过Suder对这一效果的认识仍限于喷气对稳态流场的作用。

但从抑制非定常波动、特别是其失稳先兆的角度考虑，因这时压气机叶片通道内分离并不严重，堵塞区还未完全形成，所以并不需要大量喷气将堵塞区吹出叶片通道，应该仅需少量喷气抑制失速先兆前期扰动即可，换言之，采用比Suder所用喷气量大为减少的微量喷气是否也能实现同样的扩稳效果呢？在这一启示的推动下，国内中科院工程热物理研究所提出并开展了压气机叶顶微喷气的扩稳实验研究，结果表明，即使喷气量仅占压气机总流量的万分之几，压气机失稳裕度仍可以有5％的提高。2006年Kefalakis等人研究了稳态喷气和脉动(非定常)喷气对提高轴流压气机喘振裕度的影响。尽管实验中所采用的喷气量占压气机总流量千分之几到百分之几不等，但无一例外地均获得了较好的扩稳效果。

而在自引气喷气方面，1998年Freeman报告了在VIPER航空发动机上采用定常和可控自循环喷气的影响，VIPER是一台单轴，8级，压比为5.25的涡喷发动机。空气分别通过第四级引到进口，出口引到进口以及从出口引到第四级静叶。结果显示，当采用中间级引气时，引气流量为进口流量的8％，而从出口端引气时，引气量为进口流量的5％。Leinhos等人在一台双轴涡扇发动机上，从高压压气机的出口引气到低压压气机的进口，结果表明，当喷气流量达到设计点流量的5％时，失速裕度增加了一倍。2004年NASA的Anthony J.Strazisar在NASA的stage35上才用自引气的手段，通过数值计算不同喷嘴结构对叶顶端区流动的影响，通过实验研究70％和100％设计转速时不同喷嘴个数的扩稳效果，并取得了良好的扩稳效果。

Kefalakis在2006年通过大量的实验研究，发现喷气动量占主流动量的百分数可以作为压气机扩稳裕度的提高参考标准。2010年，中国科学院工程热物理研究所(本发明人之一)通过对喷气扩稳研究的总结发现，喷气动量和主流动量之比和压气机扩稳裕度的改善存在一定的关系，提高扩稳裕度的喷气动量比存在一个临界动量比，而且随着喷气动量比的增加，扩稳裕度也是随之增加的。2011年，本发明人在一台低速轴流压气机上进行实验研究，验证了上述的推测，实验结果证明了临界动量比的存在。

基于此，本发明在考虑上述影响因素的前提下，在设计自引气机构时，在不出现堵塞现象的前提下，尽可能的增加喷嘴出口的喷气速度，从而增大喷气动量，提高轴流风扇/压气机的流动失稳裕度。

发明内容

本发明的目的是公开一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构，根据微喷气和大喷气不同的扩稳机理及临界喷气动量比(喷气动量/主流动量)，随着压缩系统在节流过程中，出口静压的提升，会使得引气机构回引到叶顶前缘的喷气动量增加，充分结合微喷气和大喷气不同的扩稳效果，最大限度的实现扩稳。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构，其包括外壳、通道，块状外壳固接于机匣外侧，外壳内设有弧形通道，通道内有阀门，通道两端分别为引气口、进气喷嘴；

在前面级和后面级的机匣壁上，分别开有通孔，后面级的通孔与引气口密封固接，前面级的通孔与进气喷嘴密封固接；

阀门与数字信号处理器(DSP)电连接，由数字信号处理器控制阀门的开度；

工作流程是：将后面级的高压气体经引气口引入到前面级的动叶叶顶前缘，经进气喷嘴进行喷射，实现提高稳定裕度的目的。

所述的自引气喷气机构，其所述外壳，包括二块相同的金属板，在二块金属板侧面上各开一引气槽，将阀门置于一引气槽中，然后将两块金属板带槽的一面相互贴合后固定在一起，其两引气槽封闭形成通道，阀门被定位于通道中，其密封性能好，且气体在通道中的损失小。

所述的自引气喷气机构，其所述引气口，为渐扩的管道，使得流入通道内的气体增压减速，从而减小气体在管道中的流动损失，最大限度的利用引气口的压力。

所述的自引气喷气机构，其所述进气喷嘴，为出气口，采用拉伐尔喷管，使进入管道的气体实现增速减压的效果，使喷嘴出口的动量最大化，最大程度的扩宽稳定运行的裕度。

所述的自引气喷气机构，其所述引气口向通道延伸，直到超过气体流动的附面层厚度2倍，通过引入压气机出口气流的动能，使通道里的压力增加，从而使进气喷嘴喷射出的气流动量增加，使扩稳效果更加明显。

所述的自引气喷气机构，其所述拉伐尔喷管，其喷气角度为沿着机匣内壁向动叶叶顶前缘方向。

所述的自引气喷气机构，其所述阀门，位于通道中部，由数字信号处理器控制阀门的开度，实现不同流量和压比工作范围。

本发明的自引气喷气机构，优点在于：

1、取代外部引气所需要的增压设备，消除了外部引气所带来的困难，缩减了现场的占地空间。

2、通过压气机自身引气的方法，使整体的耗功减小，实现了节能的目的。

3、通过自引气机构的特殊结构，减小流动损失，使喷嘴出口的喷气动量最大化，从而最大限度的提高流动失稳裕度。

附图说明

图1a为喷气机构外部引气示意图；

图1b为喷气机构自引气示意图；

图2为本发明轴流风扇/压气机自引气喷气机构的通道三维结构示意图；

图3为本发明轴流风扇/压气机自引气喷气机构利用出口静压的自引气机构结构图；

图4为本发明轴流风扇/压气机自引气喷气机构利用出口静压和微量动压的自引气机构结构图。

具体实施方法

在均不考虑管道损失的前提下，从图1a中的外部引气可以得出压气机的轴功为：

Wc＝m₁c_p(T₀₂-T₀₁)+m₃c_p(T₀₂-T₀₃)                      (1)

而外部引气的耗功为：

Wp＝m₃c_p(T₀₃-T₀₁)                                    (2)

这样总的耗功为：

W＝m₁c_p(T₀₂-T₀₁)+m₃c_p(T₀₂-T₀₁)                       (3)

见图1b，对于自引气而言：

因此

其中Wc为压气机的轴功，m₁为压气机进口质量流量，m₂为压气机进口质量流量，m₃为引气的质量流量，c_p为定压比热容，T₀₁为压气机主流进口温度，T₀₂为压气机主流出口温度，T₀₃为外部引气喷嘴出口的温度，为自引气喷嘴出口温度，W_外部引气为外部引气的耗功。

从而得出，采用自引气的方法，使总的耗功要小，从而使整体的效率下降的小，这样即达到节能的效果，又能充分的实现扩稳。

本发明的轴流风扇/压气机自引气喷气机构的通道三维效果图如图2所示。所设计的结构是为了尽可能的减小沿程阻力损失和局部阻力损失，使喷嘴出口的喷气动量最大。在设计加工时，为了保证气体在引气机构中流动时的密封性以及减小铸造所带来的经济损失，首先在2块相同的金属板上各开一定深度的引气槽(如图2)，然后将两块带槽的金属板固定在一起，这样既方便加工，其密封性能又好，而且气体在引气机构中的损失能够尽量减小。

参见图3、图4所示，在多级轴流风扇/压气机的出口段或者中间级的机匣壁面上开孔，然后通过自引气机构将气体引回到前面级的动叶顶前缘进行喷射。

在轴流压缩系统设计过程中表面安装多个引气机构。而在实际运行过程中，根据不同的扩稳目的，以及对失速先兆的检测，采用DSP(数字信号处理器)来控制引气机构阀门的开度，来实现不同流量和压比工作范围。

机匣壁面只有静压使得空气流入到引气机构中，为了减小空气在自引气机构中流动所参数的沿程阻力损失。因此在后面级机匣壁面安装的引气段采用渐扩的喷管，使得流入引气机构的气体增压减速，尽可能的减小损失。

在轴流风扇/压气机的进口动叶前缘，机匣壁面的压力为负压，这样引气机构和进气喷嘴外面因为压差而产生流动，为了使得，进气喷嘴喷射出的气体的速度最大。因此，进气喷嘴结构设计成拉伐尔喷管，使得喷射出的空气达到增速减压的效果，从而使得喷射出的空气的动量最大化，最大限度的实现扩稳。

为了考虑到，某些压比比较低的轴流风扇/压气机，出口的壁面静压较小，虽然通过渐扩管道能够增压，但是效果不明显，使得拉伐尔喷嘴喷射出的气体的动量太小，扩稳效果不是很明显。基于此，本发明将引气嘴的后半段向通道里面延伸到超过气体流动的附面层厚度，通过引入压气机出口气流的动能，这样引气的机构的压力将会大大增加。从而使得进气喷嘴喷射出的气流动量会大大增加，使得扩稳效果更加明显。

Claims (5)

1.一种轴流风扇/压气机自引气喷气机构，其特征在于，包括外壳、通道，块状外壳固接于机匣外侧，外壳内设有弧形通道，通道内有阀门，通道两端分别为引气口、进气喷嘴；

在前面级和后面级的机匣壁上，分别开有通孔，后面级的通孔与引气口密封固接，前面级的通孔与进气喷嘴密封固接；

阀门与数字信号处理器电连接，通过检测失速先兆，由数字信号处理器控制阀门的开度；

工作流程是：将后面级的高压气体经引气口引入到前面级的动叶叶顶前缘，经进气喷嘴进行喷射，实现提高稳定裕度的目的；

其中，所述引气口，为渐扩的管道，使得流入通道内的气体增压减速，从而减小气体在管道中的流动损失，最大限度的利用引气口的压力；

所述进气喷嘴，为出气口，采用拉伐尔喷管，使进入管道的气体实现增速减压的效果，使喷嘴出口的动量最大化，最大程度的扩宽稳定运行的裕度。

2.如权利要求1所述的自引气喷气机构，其特点在于，所述外壳，包括二块相同的金属板，在二块金属板侧面上各开一引气槽，将阀门置于一引气槽中，然后将两块金属板带槽的一面相互贴合后固定在一起，其两引气槽封闭形成通道，阀门被定位于通道中，其密封性能好，且气体在通道中的损失小。

3.如权利要求1所述的自引气喷气机构，其特点在于，所述引气口向通道延伸，直到超过气体流动的附面层厚度2倍，通过引入压气机出口气流的动能，使通道里的压力和速度均增加，从而使进气喷嘴喷射出的气流动量增加，使扩稳效果更加明显。

4.如权利要求1所述的自引气喷气机构，其特点在于，所述拉伐尔喷管，其喷气角度为沿着机匣内壁向动叶叶顶前缘方向，并靠近叶尖前缘。

5.如权利要求1或2所述的自引气喷气机构，其特点在于，所述阀门，位于通道中部，通过对失速先兆的检测，由数字信号处理器控制阀门的开度，实现不同流量和压比工作范围。