CN103994101B - 基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，该装置是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。本发明能够充分利用多级轴流压气机后面级轮毂区域的高压涡流体，在动叶叶顶进行径向喷射，减小叶顶区域泄漏流的强度，从而达到改善失速裕度和效率的双重目的，使轴流压气机能够在高压比、宽失速裕度的工况下运行。

Description

基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法。

背景技术

轴流压气机作为燃气轮机/航空发动机的关键部件之一，如何提高其工作稳定性一直是叶轮机械领域研究的热点和难点。目前国际上对提高稳定性裕度的扩稳措施进行了各种探索，主要包括可调叶片，机匣处理(周向槽和轴向缝)，叶顶喷气，大小叶片以及中间级放气等。

叶顶喷气作为一种有效的控制手段在国际引起了广泛的关注，并对其扩稳机制以及与压气机流动失稳的关联性进行了大量的研究。剑桥大学的Day等人采用叶顶喷气抑制失速先兆的起始来实现扩稳的目的。MIT的Weigl等人则利用叶顶喷气产生与失速先兆相位相反的控制波来抑制扰动的发展，达到扩稳的目的。聂超群等人在低速轴流压气机上采用叶顶微喷气成功的拓宽了其稳定工作范围，并得出了叶顶微喷气具有非定常的响应机制。童志庭和耿少娟分别从实验和数值计算的角度对叶顶微喷气与叶顶间隙泄漏流非定常性及失速之间的关联性进行了分析研究，得出了叶顶微喷气能够作用于叶顶间隙泄漏涡，通过改变叶顶间隙泄漏流轨迹来提高压气机的稳定裕度。本发明人也从实验上进一步证明了叶顶喷气与压气机进出口气动参数、叶顶间隙泄漏流非定常性的关系，并得出了喷气动量比分界点前后对应的扩稳机制的区别和联系。这些结论都证实了：对于一定叶顶间隙的轴流压气机而言，叶顶喷气均能够通过影响叶顶间隙泄漏流轨迹来达到扩稳的目的，在低速轴流压气机上也证实了叶顶间隙泄漏流非定常性向旋转失速的过渡。

另一方面，杜娟等人在跨音压气机上证实了主流与泄漏流交界面前缘溢出会诱发突尖型失速先兆的产生。林峰等人通过对国内外学者对失速研究的总结，得出了目前轴流压气机失速的两条主要基本途径：1.叶片通道分离堵塞；2.主流与泄漏流交界面前缘溢出；而且存在一个临界间隙，使得这两种基本途径之间可以相互转化。基于此，对于存在一定叶顶间隙的轴流压气机而言，叶顶间隙泄漏必然会发生，这也会影响压气机的稳定工作范围。因此，有必要采取一定的措施来控制叶顶间隙的大小，减小叶顶间隙泄漏，就会推迟主流与泄漏流交界面前缘溢出，实现扩稳的目的。

但是，由于目前采用叶顶喷气大多数是外部引气，这在实际的燃气轮机/航空发动机上应用会受到限制。虽然发明人前期在低速和跨音压气机对外部引气进行改进，采用自循环喷气进行了实验研究，也取得了不错的扩稳效果，但是在多级轴流压气机上后面级向前面级引气时需要布置很复杂的管道，在管道设计和布置上会带来很大的难度，显然需要设计更加合理可靠的自循环喷气方法。

另外，随着压气机性能的不断提高，如何更好地减小流动损失变得更加具有挑战性。众所周知，由于压气机通道内部流动是一种具有粘性、逆压梯度、非定常流动等特点的三维流动，大量的实验和数值计算研究表明，在出口背压较高的小流量工况下，轮毂-角区失速的出现是压气机静子内部流动堵塞和损失增加的主要原因，其限制了压气机压升能力并使得效率降低。美国麻省理工学院的Lei在研究时发现在压气机出口静压提高到一定程度时，端壁和吸力面会同时发生回流的严重分离现象。轮毂-角区分离涡会向上卷起和吸力面的脱落涡掺混，造成通道堵塞并增加总压损失。美国麻省理工学院的Kerrebrock等利用附面层抽吸控制叶片和端壁的气流分离，使叶片负荷大大增加。

北京航空航天大学周海等人的数值模拟研究表明，附面层抽吸使跨声速压气机转子ATS-2的压比和效率明显上升。哈尔滨工业大学王松涛等人的研究表明附面层抽吸技术是解决大折转角叶栅分离与失速的有效手段。西北工业大学的王掩刚等人针对端壁抽吸进行了很多研究，主要关注的是平面叶栅动叶表面或者静叶表面的抽吸。而哈尔滨工业大学则针对实际压气机的轮毂-角区涡引发分离堵塞的原因设计了相应的弯掠叶片进行控制，并能够有效减小叶片吸力面的分离损失，提高压气机的效率，拓宽压气机的稳定工作裕度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为了能够同时抑制后面级潜流、角区涡等引起损失的二次流动现象发生，以及对多级轴流压气机前面级动叶采取叶顶间隙控制提高压气机的稳定性，将后面级轮毂端壁抽吸与前面级动叶转子的叶顶喷气相结合，本发明的目的是提供一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，该装置是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

上述方案中，该自循环机构包括在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，以及对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道。

上述方案中，所述在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，是在轮毂壁面至轮毂内部加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出。

上述方案中，所述在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，是在实际加工动叶叶片时，在叶片内部开设的通孔中内嵌管道，然后再加工成型。

上述方案中，所述对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道，是采用圆管将后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔对应无缝固接。

上述方案中，在该多级轴流压气机处于变工况运行并向小流量工况推进时，该自循环机构的引气量会随设置于该多级轴流压气机或者燃气轮机出口节流阀的关闭而逐渐升高，使得动叶叶顶的喷气量逐渐变大，这样既能够减小后面级的轮毂区域吸力面分离堵塞，又能有效控制前面级叶顶间隙大小。

为达到上述目的，本发明还提供了一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气方法，该方法是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

上述方案中，该自循环机构包括在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，以及对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道。

上述方案中，所述在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，是在轮毂壁面至轮毂内部加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出。

上述方案中，所述在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，是在实际加工动叶叶片时，在叶片内部开设的通孔中内嵌管道，然后再加工成型。

上述方案中，所述对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道，是采用圆管将后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔对应无缝固接。

上述方案中，该方法在变工况运行时关闭设置于该多级轴流压气机或者燃气轮机出口的节流阀，该自循环机构的引气量会随该节流阀的关闭而逐渐升高，使得动叶叶顶的喷气量逐渐变大，这样既能够减小后面级的轮毂区域吸力面分离堵塞，又能有效控制前面级叶顶间隙大小。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，通过在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气，达到稳定性裕度提高和效率改善的目的。

2、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，通过在多级轴流压气机的后面级动叶通道内部轮毂壁面进行开孔，然后将动叶通道内部轮毂区域的气流从轮毂内部引出，会减小动叶通道的分离损失和抑制动叶根部的分离涡、角区涡等二次流的发展，达到改善效率的目的。

3、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，其采用的自循环机构主要是使用一段圆管，该圆管与前面级的动叶根部和后面级的轮毂内壁固接的连接部分，保证圆管内壁和连接部分的内壁尽可能光滑过渡和无缝连接，这样尽可能保证气流在圆管内流动时，密封性性能好，以及损失尽可能小。

4、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，前期根据大量的数值计算和实验研究，对于一定叶顶间隙的轴流压气机而言，失速的原因主要表现在叶顶间隙泄漏流与主流交界面前缘溢出诱发突尖型失速先兆。因此，考虑到对叶顶间隙泄漏流的抑制，在动叶顶部进行喷射，可以通过高速气流改变叶顶间隙的大小，从而减小叶顶间隙泄漏的强度，进一步抑制叶顶间隙泄漏流与主流交界面前缘溢出，动叶叶顶喷气可以改变动叶叶顶间隙，直接作用于叶顶间隙泄漏流，推迟泄漏流与主流交界面前缘溢出，实现扩稳的目的。

5、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，是在轮毂壁面加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体会在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出(如图3)，可以减小叶片通道内的涡能量以及抑制叶片吸力面的分离损失，有助于改善后面级以及整个压气机的效率。

6、本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，轮毂内部自循环喷气装置充分利用轮毂内部空间，管道布置不占用轴流压气机的其它空间，基本不影响整个燃气轮机/航空发动机的整体布局。

附图说明

图1是现有技术中多级轴流压气机的结构示意图；

图2为轮毂端壁自循环抽吸喷气的结构示意图；

图3为动叶通道分离泄漏损失示意图；

图4为轮毂端壁抽吸示意图；

图5为多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气的结构示意图。

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。

如图1所示，图1是现有技术中多级轴流压气机的结构示意图，该多级轴流压气机包括：动叶、静叶、机匣和轮毂，其中动叶安装在轮毂上，静叶安装在机匣上。在该多级轴流压气机旋转过程中，动叶随着轮毂一起旋转，进而对来流做功，实现提高进气的压力和速度，当气体通过静叶之后，由于静叶起到提高静压的功能，根据能量守恒定律，压力增加，速度就会减小。这样整个多级轴流压气机就会实现扩压的功能。

如图2所示，本发明提供了一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

首先通过数值计算和实验研究，对叶片通道的损失分布进行详细的分析。动叶通道轮毂区域的分离涡、角区涡、通道涡等主要发生动叶叶根弦长中部，并靠近叶片的吸力面，如图3所示，具体详细的位置需要通过数值计算给出定性的判断。在此基础上，在轮毂壁面加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体会在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出(如图4)，可以减小叶片通道内的涡能量以及抑制叶片吸力面的分离损失，有助于改善后面级以及整个压气机的效率。

目前采用的端壁抽吸虽然也能够起到改善分离和角区涡的形成，但是大多数在平面叶栅上进行，而对于实际的高速旋转的压气机而言，因气流无法从轮毂中引走，使得轮毂端壁抽吸难于实现。基于此，在轮毂内部布置相应的管道，将多级轴流压气机后面级轮毂端壁抽吸的气体充分利用，使其自循环到前面级的动叶叶顶进行喷射。在实际加工动叶叶片时，需要在叶片内部内嵌管道，然后在加工成型。待叶片在轮毂上安装完成之后，将叶片根部与后面级的轮毂通孔采用圆管进行无缝固接。这样所采用自循环机构只需固定在轮毂内部随压气机动叶转子一起旋转即可。

实际应用中，由于大多数是多级轴流压气机环境，如图5所示，此时就可以从后面的高压级引回高压气流在低压级动叶叶顶进行喷射，能够有效的改善后面高压级动叶通道内部损失以及提高前面级抑制叶顶间隙泄漏的能力，更加有利于提高压气机的稳定裕度和改善压气机以及整个燃气轮机/航空发动机的整体效率。

本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

其中，该自循环机构包括在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，以及对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道。所述在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，是在轮毂壁面至轮毂内部加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出。所述在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，是在实际加工动叶叶片时，在叶片内部开设的通孔中内嵌管道，然后再加工成型。所述对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道，是采用圆管将后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔对应无缝固接。

另外，本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，在该多级轴流压气机处于变工况运行并向小流量工况推进时，该自循环机构的引气量会随设置于该多级轴流压气机或者燃气轮机出口的节流阀的关闭而逐渐升高，使得动叶叶顶的喷气量逐渐变大，这样既能够减小后面级的轮毂区域吸力面分离堵塞，又能有效控制前面级叶顶间隙大小。

进一步地，基于本发明提供的这种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，本发明还提供了一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气方法，该方法是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

其中，该自循环机构包括在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，以及对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道。所述在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，是在轮毂壁面至轮毂内部加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出。所述在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，是在实际加工动叶叶片时，在叶片内部开设的通孔中内嵌管道，然后再加工成型。所述对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道，是采用圆管将后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔对应无缝固接。

另外，该方法在变工况运行时关闭设置于该多级轴流压气机或者燃气轮机出口的节流阀，该自循环机构的引气量会随着压气机或者燃气轮机出口的该节流阀的关闭而逐渐升高，使得动叶叶顶的喷气量逐渐变大，这样既能够减小后面级的轮毂区域吸力面分离堵塞，又能有效控制前面级叶顶间隙大小。

本发明提供的是一种新型轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法，涉及燃气轮机技术，其采用自循环方式，将多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂端壁区域的气体引回到动叶叶顶进行喷射。这种装置及方法能够充分利用多级轴流压气机后面级轮毂区域的高压涡流体，在动叶叶顶进行径向喷射，减小叶顶区域泄漏流的强度，从而达到改善失速裕度和效率的双重目的，使轴流压气机能够在高压比、宽失速裕度的工况下运行。

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 (7)

1.一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，该装置是在多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂与前面级动叶叶顶之间设置自循环机构，利用多级轴流压气机后面级叶片通道内部轮毂壁面与前面级动叶叶顶之间的静压差，将后面级叶片通道内部轮毂区域的气体通过该自循环机构引回到前面级动叶叶顶进行径向喷气。

2.根据权利要求1所述的基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，该自循环机构包括在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，以及对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道。

3.根据权利要求2所述的基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，所述在多级轴流压气机后面级动叶通道轮毂内部开设的多个通孔，是在轮毂壁面至轮毂内部加工一定数量的通孔，叶片通道的涡流体在静压的推动下从轮毂壁面的通孔中引出。

4.根据权利要求3所述的基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，所述在多级轴流压气机前面级的动叶内部开设的多个通孔，是在实际加工动叶叶片时，在叶片内部开设的通孔中内嵌管道，然后再加工成型。

5.根据权利要求4所述的基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，所述对应密封连接后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔的通道，是采用圆管将后面级动叶通道轮毂内部多个通孔与前面级动叶内部多个通孔对应无缝固接。

6.根据权利要求1所述的基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置，其特征在于，在该多级轴流压气机处于变工况运行并向小流量工况推进时，该自循环机构的引气量会随设置于该多级轴流压气机或者燃气轮机出口的节流阀的关闭而逐渐升高，使得动叶叶顶的喷气量逐渐变大，这样既能够减小后面级的轮毂区域吸力面分离堵塞，又能有效控制前面级叶顶间隙大小。

7.一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气方法，应用于权利要求1至6中任一项所述的装置。