CN104373388A - 一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法 - Google Patents

一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理方法，属于叶轮机械领域。该方法首先在压气机叶顶机匣开设周向槽，然后在周向槽底部开设离散缝，通过离散缝将各个周向槽相连通。该机匣处理控制方法能够能有效地利用叶片通道内的压差，不仅能通过周向槽将压力面附近的流体输运至吸力面附近，还能通过周向槽底部的缝将叶片通道下游的流体输运至上游。这有利于促进机匣处理结构内流体和主流之间的质量和动量交换，能够有效地减小叶顶泄漏涡造成的低速区，推迟叶顶前缘附近泄漏流溢流的发生，从而可以提高压气机的稳定工作范围。

Description

一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法
技术领域
本发明涉及一种带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法，属于叶轮机械领域，适用于航空、能源和化工等行业。可用于提高压气机的稳定工作范围，特别是针对高负荷跨音压气机。
背景技术
压气机作为燃气轮机的核心部件之一，广泛的应用于航空发动机、船舶发动机和能源工业等领域。气体在流经压气机的过程中，旋转的叶轮对气流做功，因此气体的压力得以升高。在一定的转速条件下，当流经压气机的气体流量降低到一定程度时，会发生旋转失速等流动不稳定现象，影响压气机的稳定工作范围。压气机进入不稳定工况时，性能会明显恶化，严重时会发生强烈的振动，对机件造成严重的损坏。
为了提高压气机的稳定工作范围，推迟失速的发生，研究人员提出了多种压气机失稳控制方法，包括叶顶喷气、中间级放气、采用掠叶片和机匣处理等。其中机匣处理是一种被广泛采用的流动控制方法。作为一种被动流动控制方法，机匣处理方法不需要其他的复杂控制系统，具有可靠性高、结构上容易实现和扩稳效果好等优点，已经在许多相关领域得到了实际的应用。
目前常见的机匣处理结构包括周向槽机匣处理、轴向缝机匣处理和自适应流通机匣处理等。大量的研究表明，压气机叶顶区域流动和失速的发生具有密切的关系。对于跨音压气机，叶顶区域存在泄漏涡、激波和边界层等复杂流动结构及其相互作用，会造成叶顶区域的流动损失和堵塞，是引起压气机失速的重要原因。机匣处理通过改变压气机机匣的几何结构，可以对叶顶泄漏涡和边界层分离起到抑制作用，缓解叶顶区域的堵塞，从而能够提高压气机的稳定工作范围。
采用怎样的机匣处理结构能够有效地推迟压气机失速的发生，是研究人员致力于解决的关键问题之一。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法，对叶顶区域的流体进行大范围的周向和轴向的输运，以有效地推迟压气机失速的发生，提高压气机的稳定工作范围。
本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案为：一种压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法，所述压气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，其特征在于，所述流动控制方法包括：
SS1.在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面开设若干平行设置的互不连通的周向槽，在压气机动叶叶顶压力面和吸力面之间压差的驱动下，叶顶压力面附近的高压流体能够进入周向槽，周向槽对进入槽内的流体进行周向输运，并将其从叶顶吸力面附近的低压区域重新射入主流；
SS2.在所述若干平行设置的周向槽的底部开设若干离散缝，各所述离散缝之间具有一定的间隙并沿周向均匀分布在所述压气机处理机匣壁面上，所述离散缝将各所述周向槽相连通，为各所述周向槽提供流体交换的通道，在叶片通道的下游高压区域，进入周向槽内的流体能够进入离散缝内，离散缝将流体向上游输运，流体从离散缝内流出后再经过周向槽从叶片通道上游的低压区域重新射入主流。流入与流出周向槽和主流交界面的流体和泄漏流相互作用，能够对泄漏涡起到抑制作用，从而缓解了泄漏涡引起的堵塞，并使泄漏流和主流的交界面向叶片通道下游移动，推迟叶顶前缘附近泄漏流溢出的发生。随着压气机流量的减小、载荷的提高，周向槽和离散缝对流体的输运能力增强，可以有效地提高压气机的稳定工作范围。
优选地，各所述周向槽位于压气机动叶叶顶轴向弦长范围内，各所述周向槽所在轴向范围为0.5～1倍压气机动叶叶顶轴向弦长。
优选地，所述的周向槽的数目为2-10个。
优选地，各所述离散缝轴向长度为1～1.5倍的周向槽所在范围的轴向长度，且各所述离散缝和所述压气机轴向/径向的夹角均为0-89度。
优选地，所述的位于周向槽底部的缝的截面形状可以是矩形、半圆形、椭圆形和三角形。
优选地，所述单个叶片通道对应的周向范围内周向槽底部缝的个数为1-10个。
本发明的压气机带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法，通过压气机处理机匣和叶片通道之间的流体进行大范围的周向和轴向的输运，通过叶顶区域的流体质量和动量交换来改善叶顶流场，大大提高了压气机失速裕度，起到提高压气机稳定工作范围的作用。
本发明所提出的用于压气机扩稳的带离散缝式周向槽机匣处理方法和现有方法相比，具有的优势为：
该机匣处理结构不仅能通过周向槽对进入机匣处理结构内的流体进行输运，还能通过与周向槽相连接的离散缝对机匣处理结构内的流体进行输运。该机匣处理结构能够将压力面附近和叶片通道下游的流体输运至吸力面附近和叶片通道上游。该机匣处理结构能够有效地利用叶片通道内的压差，促进机匣处理和主流之间的流体交换，因此能够有效地提高压气机的稳定工作范围。此外，带背腔开孔式机匣处理结构紧凑，能够满足实际工程应用中对压气机机匣几何尺寸的具体要求。
附图说明
图1a、图1b、图1c分别是带离散缝式周向槽机匣处理结构的正视图、俯视图、横截面示意图。
图2a、图2b分别给出了采用光壁机匣和带离散缝式周向槽机匣处理的压气机的特性曲线。
图3a和图3b是光壁机匣近失速点和采用带离散缝式周向槽机匣处理后相同流量工况98％叶高的相对马赫数分布。
图4a和图4b是光壁机匣近失速点和采用带离散缝式周向槽机匣处理后相同流量工况98％叶高的熵分布。
图5给出了98％叶高静压分布及带离散缝式周向槽机匣处理对叶顶流体的输运情况。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明所针对的压气机装置由压气机动叶1，压气机机匣2，周向槽3和离散缝4组成，如图1a～1c所示。旋转的动叶对流经压气机的气流加功，提高气流的压力。在特定转速条件下，当流经压气机的气体流量降低到一定程度时，压气机会出现失稳现象。带离散缝式周向槽机匣处理通过对压气机叶顶流场进行控制来提高压气机的稳定工作范围。
带离散缝式周向槽机匣处理结构由周向槽3和位于周向槽底部的离散缝4组成。周向槽的数目为2-10个。周向槽分布于叶片顶部区域，位于周向槽底部的离散缝和周向槽相连接，离散缝为各周向槽提供了流体交换的通道。周向槽位于叶顶轴向弦长范围内，周向槽所在轴向范围为0.5-1倍叶顶轴向弦长。周向槽的轴向宽度、径向深度、周向槽之间的间隙宽度可以各不相同。在单个叶片通道对应的周向范围内，周向槽底部的缝的数目为1-10个。周向槽底部的缝的截面形状可以是矩形、半圆形、椭圆形和三角形。周向槽底部的缝的轴向长度为1-1.5倍的周向槽所在范围的轴向长度。周向槽底部的缝和轴向的夹角为0-89度。周向槽底部的缝和径向的夹角为0-89度。周向槽底部的缝的轴向长度、径向深度、缝的周向间距、缝和轴向和径向的夹角可以各不相同。
周向槽和离散缝的几何尺寸可以根据具体的应用条件进行选取和优化，以取得较好的扩稳效果，同时尽量减小压气机的效率和压比损失。针对本发明所提出的带离散缝式周向槽机匣处理结构，以特定的压气机为对象，通过数值模拟进行了验证。所选取的压气机为跨音压气机，该压气机的主要设计参数如下表1所示。所采用的带离散缝式周向槽机匣处理结构具体几何参数如下。周向槽布置在11.5％到88.5％轴向弦长范围内，周向槽的个数为4。周向槽的轴向宽度等于周向槽之间的间隙的轴向宽度，并且等于周向槽的径向深度。周向槽底部的缝的轴向长度等于周向槽所在范围的轴向长度。周向槽底部的缝的径向深度等于两倍的周向槽的径向深度。在单个叶片通道对应的周向范围内，周向槽底部的缝的数目为4个。周向槽底部的缝的截面形状是矩形。周向槽底部的缝和轴向的夹角为0度。周向槽底部的缝和径向的夹角为0度。
表1跨音压气机主要设计参数
设计转速(rpm) 16042.8
叶片数 22
设计流量(kg/s) 33.25
绝热效率 0.896
总压比 1.629
叶尖相对马赫数 1.379
叶顶间隙(mm) 1.016
叶尖切向速度(m/s) 429
图2a和2b分别给出了采用光壁机匣和带离散缝式周向槽机匣处理的压气机的特性曲线。带离散缝式周向槽机匣处理使压气机的失速裕度由12.3％提高到26.6％。同时，带离散缝式周向槽机匣处理也造成了一定的效率和压比损失。其中，光壁机匣近失速工况和采用带离散缝式周向槽机匣处理后相同流量工况相比，压气机的效率和压比基本上没有发生变化。
在叶顶压力面和吸力面之间压差的驱动下，流体通过叶顶间隙形成泄漏流，泄漏流与主流相互作用会导致泄漏涡的形成。图3a和3b对比了光壁机匣近失速点和采用带离散缝式周向槽机匣处理后相同流量工况下叶顶区域的相对马赫数分布。图4a和4b给出了光壁机匣近失速点和采用带离散缝式周向槽机匣处理后相同流量工况下叶顶区域的熵分布。如图3a所示，在光壁机匣条件下压气机的近失速工况，泄漏涡经过激波后在叶顶压力面附近引起了大面积低速区，对叶顶区域流动造成了较强的堵塞效应。图4中高熵区域和低熵区域的交界面可以看成是泄漏流和主流的交界面。如图4a所示，在光壁机匣条件下压气机的近失速工况，泄漏流和主流的交界面位于叶顶前缘上游位置，泄漏流能够从叶顶前缘溢出进相邻叶片通道，从而引起了压气机的失速。如图3b和图4b所示，采用本发明所提出的机匣处理结构能够有效地减小叶顶泄漏涡所造成的低速区，使泄漏流和主流的交界面向叶片通道下游移动，推迟泄漏流从叶顶前缘溢出进相邻叶片通道，从而起到提高压气机稳定工作范围的作用。
机匣处理和叶片通道之间的质量和动量交换是改善叶顶区域流动，提高压气机失速裕度的重要原因。如图5中98％叶高静压分布以及周向槽和周向槽底部缝内的流动所示。一方面，在叶顶压力面和吸力面之间压差的驱动下，叶顶压力面附近的高压流体能够进入周向槽，周向槽对进入槽内的流体进行输运，并将其从叶顶吸力面附近的低压区域重新射入主流。另一方面，在叶片通道的下游高压区域，进入周向槽内的流体能够进入周向槽底部的缝内。周向槽底部的缝将流体向上游输运，流体从缝内流出后再经过周向槽从叶片通道上游的低压区域重新射入主流。流入与流出周向槽和主流交界面的流体和泄漏流相互作用，能够对泄漏涡起到抑制作用，从而缓解了泄漏涡引起的堵塞，并使泄漏流和主流的交界面向叶片通道下游移动，推迟叶顶前缘附近泄漏流溢出的发生。随着压气机流量的减小、载荷的提高，周向槽和离散缝对流体的输运能力增强，可以有效地提高压气机的稳定工作范围。
带离散缝式周向槽机匣处理能够有效地利用叶顶压力面和吸力面之间以及叶片通道上游和下游之间的压差，并且为机匣处理内的流体提供了沿轴向和周向的输运通道。对于周向槽底部不带离散缝的机匣处理结构，由于单个周向槽所在轴向范围有限，并且各周向槽互不连通，周向槽不能对流体进行大范围的轴向输运。与周向槽底部不带离散缝的机匣处理相比，带离散缝式周向槽机匣处理不仅能通过周向槽对流体进行输运，还能通过周向槽底部的缝将下游的流体输运至上游。这促进了机匣处理内流体和通道主流之间的质量和动量交换，从而有利于抑制叶顶区域低能流体的产生，推迟泄漏流从叶片前缘溢出进相邻叶片通道，提高机匣处理的扩稳效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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范围之内。

Claims (8)

1.一种带离散缝式周向槽机匣处理流动控制方法，所述压气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，其特征在于：所述流动控制方法包括：
SS1.在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面开设若干平行设置的互不连通的周向槽，在压气机动叶叶顶压力面和吸力面之间压差的驱动下，叶顶压力面附近的高压流体能够进入周向槽，周向槽对进入槽内的流体进行周向输运，并将其从叶顶吸力面附近的低压区域重新射入主流；
SS2.在所述若干平行设置的周向槽的底部开设若干离散缝，各所述离散缝之间具有一定的间隙并沿周向均匀分布在所述压气机处理机匣壁面上，所述离散缝将各所述周向槽相连通，为各所述周向槽提供流体交换的通道，在叶片通道的下游高压区域，进入周向槽内的流体能够进入离散缝内，离散缝将流体向上游输运，流体从离散缝内流出后再经过周向槽从叶片通道上游的低压区域重新射入主流。流入与流出周向槽和主流交界面的流体和泄漏流相互作用，能够对泄漏涡起到抑制作用，从而缓解了泄漏涡引起的堵塞，并使泄漏流和主流的交界面向叶片通道下游移动，推迟叶顶前缘附近泄漏流溢出的发生。随着压气机流量的减小、载荷的提高，周向槽和离散缝对流体的输运能力增强，可以有效地提高压气机的稳定工作范围。
2.根据权利要求1所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的周向槽位于叶顶轴向弦长范围内，周向槽所在范围的轴向长度为0.5-1倍叶顶轴向弦长。
3.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的周向槽的数目为2-10个。
4.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的位于周向槽底部的缝将各个周向槽相连通，缝的轴向长度为1-1.5倍的周向槽所在范围的轴向长度。
5.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的位于周向槽底部的缝和轴向的夹角为0-89度。
6.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的位于周向槽底部的缝和径向的夹角为0-89度。
7.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述的位于周向槽底部的缝的截面形状可以是矩形、半圆形、椭圆形和三角形。
8.根据上述权利要求所述的带离散缝式周向槽机匣处理方法，其特征在于：所述单个叶片通道对应的周向范围内周向槽底部缝的个数为1-10个。
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