CN103062131A - 柔性非轴对称机匣处理流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机扩稳的柔性非轴对称机匣处理流动控制方法。该方法是一种被动流动控制方法，通过将表面开槽的柔性材料以非轴对称的方式布置在压气机机匣固定位置，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失、提高压气机效率的作用。

Description

柔性非轴对称机匣处理流动控制方法

技术领域

本发明涉及流体输送技术领域，是一种叶片式流体机械中柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，用于航空、化工、电力、冶金、交通、纺织等行业。

背景技术

众所周知，在我国基础性工业领域(化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等)运行着大量以叶片形式(轴流、离心，及两者混合)为气动结构基元的流体输送机械，主要包括气体压缩机、通风机、鼓风机和压气机。这类气体输送装置的功率、压比、流量覆盖范围基本上囊括了整个工业应用领域，从计算机芯片风扇到大型炼钢企业的多级压气机群就是一个有力的佐证，而且大部分是直接依靠电力拖动的。因此在完成流体输送的同时，消耗了巨额的电力，据统计表明消耗着全国工业用电量的30-40％的比例。另一方面，从能源高效利用的角度出发，我国目前在工业界广泛运行叶片式流体压缩机械和现有的结构设计体系还存在很大的空间可以挖掘。

此外在航空领域，风扇、压气机是航空涡扇发动机的核心部件之一，提高航空涡扇发动机的推重比和稳定性必须提高风扇、压气机的级增压比、气动稳定裕度和效率。比如提高级增压比，就可以减少风扇、压气机的级数，从而增加发动机的推重比，但是随着压气机增压比的升高，压气机出口面积急剧减小，叶尖间隙与叶片高度之比相对增加，边界层影响、级间干扰和气流泄漏相对增强，使得压气机流动损失大大增加，严重地降低效率，并难以保证压气机的正常稳定工作，带来稳定性降低的问题。因此，提高发动机的推重比和使用稳定性，迫切需要采用新型的流动控制手段，来扩大风扇/压气机的稳定性，并提高其效率。现以某轴流压气机的特性曲线进行说明，如图1所示。

喘振线左端为原机组不能工作的区域，系统一旦进入这一区域会发生强烈的流体振荡，严重时会发生机毁人亡的灾难性事故。点划线为效率相等的工作点，而且随着椭圆封闭区域的减少，效率会增加。图1中的n1、n2、n3、n4、n5、n6曲线，为压气机在不同等转速下运行的特性线，以n5为设计转速，特性线表示了机组压比与流量的对应关系。在导叶和静叶固定安装角不变的情况下，在等转速线的条件下，压比随流量的降低而增加，实际运行时为了避免喘振，都留有一定的喘振裕度，一般为10-15％的范围，也就是运行工作点远离喘振边界线。这就是目前工业界实际运行流体压缩机普遍遵循的设计准则。当转速降低，也就是运行工况离开设计转速n5时，要保证相同的压比，就会出现如图2所示的现象。例如当转速在n4时，要保证与n5运行的相同压比，则机组必定要进入不可运行的区域，这就是工作点必须出现在喘振边界线的左端。以轴流压气机单排动叶的速度三角形变化为切入点，可以在机理上解释这一流动失稳现象。图3是公知的压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图。如图3所示，V_a是进气的轴向速度，V₁是进气的相对速度，V₂是出气的相对速度，U是叶片旋转在R半径处的切向速度，其中U＝2πnR/60，n为是压气机转速，α₁是进气角，β₁是叶片的安装角，一般情况下气体的入口攻角δ＝α₁-β₁＝2°-5°时，叶片通道内部的流动损失为最小。因此，在设计状态下，攻角都设置在2°-5°。依据吴仲华转焓恒定的原理，假使马赫数小于0.28，近似认为是不可压缩流动，则压比与相对转速的关系为：

$\mathrm{\Δp}=p_2-p_1=1/2\mathrm{\ρ}(V_1^2-V_2^2)-{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{losss}}$

可见，压比、流量和叶片通道流动损失是有严格的关系的。如果在恒定转速的条件下，要提高压比，流量必须降低，则V_a与V₁的夹角α₁必须加大，则δ＝α₁-β₁＞5°，叶片吸力面的分离必定加大，通道内部的流动分离就会加大，流动损失就会加大，另一方面，通道内部的分离团就会形成不稳定分离团，相对于叶片旋转的方向反向旋转，压气机进入喘振和旋转失速。这是在转速不变的情况下，压气机进入喘振左端区域的物理解释。

目前在工业界运行的叶片式通用流体压缩机械在实际运行中，依据流体输送系统的实际要求，压缩机机械经常在非设计状况下工作，在这种运行情况下，在满足压比不变的情况下，运行效率和运行稳定性均会大幅度的降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于一种压气机扩稳的柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，在压缩机械流动控制方面提供了一种有效的方法，采用本发明的方法一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失、提高压气机效率的作用。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供的一种压气机扩稳的柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，用于叶片式通用流体压缩机械系统。该系统包括：压气机机匣，为压气机导叶、静叶和开槽的柔性材料提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；压气机动叶，起到压缩空气的作用；表面开槽的柔性材料，起到流动控制的作用，达到使压气机扩稳的效果。该方法中，将多块开槽的柔性材料、以非轴对称方式布置在压气机机匣上。

(三)有益效果

本发明压气机扩稳的柔性非轴对称机匣处理流动控制方法具有下列有益效果：

(1)采用开槽的柔性材料，具有便于加工和安装等优点；

(2)开槽的柔性材料采用非轴对称的布置方法，有可能达到比全周向布置起到更好的压气机扩稳作用。

附图说明

图1是现有技术的轴流压气机特性曲线；

图2是现有技术的变转速，恒定压比系统进入喘振的示意图；

图3是现有技术的压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图；

图4是本发明实施例在机匣上布置开槽柔性材料的单转子轴流压气机示意图；

图5是本发明实施例柔性材料开槽的示意图，其中图5a为周向槽；图5b为轴向槽，图5c为曲折槽；

图6是本发明实施例实物照片；

图7是验证本发明扩稳效果的实验台照片；

图8是本发明实施例实现压气机扩稳作用的实验结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于所述值。

本发明从流体机械气动热力学角度出发，采用适用于压气机叶尖泄露流控制的柔性非轴对称机匣处理方法，使叶尖泄露流损失和掺混损失一直处在较低水平。本发明的柔性非轴对称机匣处理方法，适用于叶片式通用流体压缩机械系统，通过在压气机机匣固定位置开槽的柔性非轴对称材料，一方面可以起到拓宽压气机的稳定运行区域的作用，另一方面可以改善叶尖区域的流动状态，起到减小流动损失的作用。

本发明是一种被动流动控制方法，其优点是：在压气机运行过程中，柔性材料上不同形状的沟槽一直对叶片叶尖区域的流动起到调控作用，不需要额外的控制系统来开启或关闭流动控制装置。

本发明是在满足压比恒定不变的条件下，改善和提高非设计工况的运行效率和稳定性的背景下提出的。图4是非轴对称柔性机匣处理方法示意图，本发明系统的控制装置包括：1-压气机机匣，2-动叶，3-开槽的柔性材料，其中：压气机机匣1，为压气机导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；压气机动叶2，起到压缩空气的作用；开槽的柔性材料3，通过调控叶尖区域的流动起到压气机扩稳的作用。

由图4可见柔性开槽材料布置在压气机动叶上方的机匣上，柔性材料上开槽的区域覆盖了从动叶前缘到动叶尾缘的全部区域；柔性材料可以是聚四氟乙烯或者橡胶；柔性材料沿机匣周向布置，个数为2-1000个；柔性材料上沟槽的加工方法是：将柔性材料平铺在铣床上加工，这样可以大大降低加工难度，一些直接在压气机机匣上无法加工的复杂形状，采用这样的方式也可以加工出来，如周向槽(如图5a所示)、轴向槽(如图5b所示)、曲折槽(如图5c所示)，或者是这些方式的组合，其中曲折槽可以有多个转折，而且在槽的纵深方向可以是直的、倾斜的或弯曲的；槽的宽度为1-100mm、槽的深度为1-50mm、槽的数目为1-1000个；开槽部分在圆周方向的长度占机匣圆周方向长度的比例为1％-99.9％。

本发明在提高流体压缩机械效率和拓宽稳定性方面与现有技术有很大的区别：采用非轴对称柔性材料布置在压气机机匣上，这样可以将柔性材料和压气机机匣分开加工，而且在柔性材料上开槽时可以将柔性材料平铺在铣床上加工，加工好后再将柔性材料卷曲布置在机匣表面上，这样大大降低了开槽的难度，可以方便的加工出各种形状复杂的槽。

图6是本发明的柔性材料在压气机机匣上的布置实物图。在图6上可以看到布置在动叶上方白色的表面开槽聚四氟乙烯材料，开槽方式为圆周方向槽，数目为4个，覆盖了从整个叶片顶部区域。

本发明系统在压气机实验台上进行了实验验证，图7是本发明验证效果的压气机实验台。由图7可以看到压气机转子、柔性材料的支撑和压气机机匣等，其中使用的柔性材料的数目为4个。该实验台的基本参数如表1所示。

表1压气机实验台的设计参数

转子设计转速/(r/min)	2400
		通道外径/mm	500
轮毂比	0.75
		转子叶片数量	58
级反动度/％	68
		动叶展弦比	1.86
动叶顶部安装角/°	39
		动叶顶部弦长/mm	36.3
设计流量/(kg/s)	2.6

实验中通过逐步调整压气机出口的节流阀，降低压气机流量直至压气机失速，采集压气机进出口的壁面静压，计算压气机的压升系数ψ和流量系数φ，比较光滑避免和铺设柔性开槽材料时的压气机性能和稳定性。

压气机转速为2400r/min时，压气机的压升系数-流量系数曲线如图8所示。由图8可见，施加铺设开槽的柔性材料后，压气机近失速流量系数φ_ns降低了2.3％，最大压升系数ψ_max基本保持不变，因此本发明的柔性非轴对称处理方法可以有效扩大压气机稳定性。其验证结果与本发明提出的设想一致。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，该方法将多块开槽的柔性材料、以非轴对称方式布置在压气机机匣上。

2.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述柔性材料是聚四氟乙烯或橡胶。

3.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述柔性材料的个数为2-1000个。

4.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述的柔性材料上沟槽的加工方法是：将柔性材料平铺在铣床上加工。

5.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述的开槽的形式是下列方式中的一种或多种的组合：周向槽、轴向槽和曲折槽。

6.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述槽的纵深方向是直的、倾斜的或弯曲的。

7.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述槽的宽度为1-100mm。

8.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述槽的深度为1-50mm。

9.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述的槽数目为1-1000个。

10.根据权利要求1所述的一种柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，其特征在于，所述的开槽部分在圆周方向的长度占机匣圆周方向长度的比例为1％-99.9％。

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