CN104392018B - 基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法，通过对待处理转子叶片及其流道进行三维建模，通过数值模拟确定叶尖临界流动区域范围，进而得到圆弧斜缝机匣的外形参数。本发明根据高压压气机转子近失速状态下的叶尖流场结构以及叶尖基元级叶型的几何特征及对缝式机匣处理进行设计，在几乎不影响峰值效率的情况下拓宽先进高压压气机的稳定工作范围。

Description

基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械技术领域的方法，具体是一种基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法。
背景技术
航空发动机中高压压气机的负荷越高，对其稳定工作裕度条件的要求也越加苛刻，追求更高的级压比与提高压气机稳定工作裕度之间存在着矛盾。如果失速裕度过小，一旦压缩系统进入这类非稳定流动状态，将导致十分严重的后果。因而稳定工作裕度已成了高性能燃气轮机研制中必须确保的重要技术指标之一。认识压缩系统流动失稳的触发机理，并对其进行控制，从而拓宽压气机的稳定工作范围，推迟气流失速和喘振的发生，对于提高航空燃气轮机的性能和可靠性具有十分重要的意义。
在压气机设计中提高稳定裕度的方法可分为主动控制和被动控制两大类。相比主动控制技术，被动控制技术具有结构简单、在发动机上易于实现的优点，因此被动控制技术得以在压气机设计中被广泛应用。在诸多被动控制技术中，机匣处理技术是一项被较早研究和成功运用的压气机扩稳技术。它具有易于在结构上实现、制造成本低、改型方便、可靠性高以及扩稳效果好等优点，已经被广泛应用于众多发动机实际型号中。
其中，轴向缝类机匣处理是一种扩稳效果显著的机匣处理结构，其结构有轴向缝、轴向斜缝等多种几何形式，如图1‐图2所示，在高速及低速压气机实验台上能够获得20％左右的稳定裕度提升量。但与此同时，轴向缝类机匣处理会在拓宽稳定裕度的同时带来显著的峰值效率损失，效率损失量可达到5％左右。要在现代先进高压压气机上使用轴向缝类机匣处理，必须克服这一弊端，设计出在几乎不影响峰值效率的情况下达到扩稳效果的机匣处理结构。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102606529A公开(公告)日2012.07.25，公开了一种用于航空发动机压气机的处理机匣结构，由转子叶片和机匣外壳组成，机匣外壳内侧壁上设置有圆弧形缝处理槽，所述圆弧形缝处理槽采用顺转子叶片旋转方向倾斜的半圆弧型设计，所述圆弧形缝处理槽分为处理槽上游区域、处理槽下游区域，所述处理槽上游区域与处理槽下游区域的开口处具有不同的周向开放度和径向倾角。圆弧形缝处理槽采用半圆弧型设计，使处理槽内部流动更加顺畅，尽量减小处理槽槽道内流动产生的损失。该技术具有即实现了稳定工作裕度提升又不牺牲压气机效率、结构简单实用的优点。但该技术结构型式较为复杂，为机匣处理的实际使用带来了困难。
发明内容
本发明克服现有轴向缝类机匣处理对高压压气机峰值效率影响严重的弊端，提出一种基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法，根据高压压气机转子近失速状态下的叶尖流场结构以及叶尖基元级叶型的几何特征及对缝式机匣处理进行设计，在几乎不影响峰值效率的情况下拓宽先进高压压气机的稳定工作范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过对待处理转子叶片及其流道进行三维建模，通过数值模拟确定叶尖临界流动区域范围，进而得到圆弧斜缝机匣的外形参数。
所述的三维建模是指：根据转子叶片及流道的几何数据，利用网格划分软件生成数值模拟所需的叶片通道网格。
所述的数值模拟是指：通过改变压气机背压的方式找到近失速点，对其近失速点的叶尖流场结构及流动特征进行分析，确定叶尖附近易于导致压气机失速的临界流动区域在轴向方向上的占据范围，即叶尖临界流动区域范围；
所述的外形参数包括：处理缝的位置及形状参数，具体包括：处理缝的径向槽深、径向倾斜角、在轴向方向上的范围、处理缝圆弧型线弦长的长度、圆弧型线的半径以及单个处理缝在周向方向上的弧度范围，其中：
所述的处理缝在轴向方向上的起始位置位于叶尖前缘上游0.1‐0.3bax，其终止位置位于叶尖前缘下游0.2‐0.4bax，径向槽深H取0.2‐0.5bax；径向倾斜角α取30°‐60°；处理缝圆弧型线弦长的长度L＝0.3‐0.7bax，其中：bax为转子叶尖基元级叶型的轴向弦长。
所述的圆弧型线的半径r根据圆弧型线的弦切角θ以及圆弧型线弦长长度L确定，即r＝L/(2sinθ)其中：圆弧型线的弦切角取为转子叶尖基元叶型的安装角β的余角，即θ＝90°‐β，以使得叶尖压力面侧的高压流体更为顺利地进入处理缝。
所述的圆弧型线的弯曲方向与叶片的弯曲方向相反。
所述的单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360×Φ/N(°)，其中：N为处理缝数目，Φ为开孔率。
所述的处理缝数目N取转子叶片数的3‐5倍。
所述的轴向缝类机匣处理上处理缝的总面积与开孔区域总面积的比值，即开孔率Φ取40％‐70％。
技术效果
与现有技术相比，本发明创新的圆弧斜缝的设计方法考虑了近失速点的叶尖流场结构以及叶尖基元级几何特征，其针对高压压气机叶尖的临界流动区域进行控制，避免对流道内的正常流动产生作用，减少了不必要的损失；本发明圆弧型线根据转子叶尖基元级叶型的安装角确定，便于叶尖压力面侧高压流体顺利进入处理缝，内部圆弧几何能够更合理地对缝内流动进行组织，减少处理缝内的流动损失。
附图说明
图1为轴向缝机匣处理结构示意简图。
图2为轴向斜缝机匣处理结构示意简图。
图3为本发明实施在压气机转子上的子午面示意图。
图4为本发明的水平投影面示意图。
图5为本发明的垂直投影面示意图。
图6为本发明应用于某高压压气机转子所得的总压比特性线示意图。
图7为本发明应用于某高压压气机转子所得的等熵效率特性线示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例以某高压压气机第一级跨声速转子为例来说明本发明的具体实施方式，该压气机转子的部分设计参数见表1所示。
表1某跨声速转子部分设计参数。
根据发明内容中的设计方法进行如下设计：
1)对该转子叶片进行建模，对其内部流场进行数值模拟，得到其近失速点的叶尖流场结构及流动特征。
2)确定处理缝在轴向方向上的范围为叶尖前缘上游0.19bax至叶尖前缘下游0.3bax。
3)确定处理缝圆弧型线弦长的长度L＝0.49bax＝13.85mm。
4)确定圆弧型线的弦切角θ＝90‐β＝60.7°
5)确定圆弧型线的半径r＝L/(2sinθ)＝7.94mm。其弯曲方向与叶片的弯曲方向相反。
6)圆弧斜缝机匣处理的处理缝数目N取为转子数目的3倍。
7)机匣处理的开孔率Φ取为40％。
8)确定单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360*Φ/N＝1.263°。
9)处理缝的径向槽深H取为6mm。
10)处理缝的径向倾斜角α取为60°。
根据如上方法设计得到的圆弧斜缝机匣处理，能够使该高压压气机单转子裕度提高7％，同时其峰值效率几乎不下降。

Claims (8)

1.一种基于叶尖流场及几何定制的圆弧斜缝机匣的实现方法，其特征在于，通过对待处理转子叶片及其流道进行三维建模，通过数值模拟确定叶尖临界流动区域范围，进而得到圆弧斜缝机匣的外形参数；
所述的建模是指：根据转子叶片及流道的几何数据，利用网格划分软件生成数值模拟所需的叶片通道网格；
所述的外形参数包括：轴向缝类机匣处理的处理缝的位置及形状参数；
所述的外形参数具体包括：处理缝的径向槽深、径向倾斜角、在轴向方向上的范围、处理缝圆弧型线弦长的长度、圆弧型线的半径以及单个处理缝在周向方向上的弧度范围。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数值模拟是指：通过改变压气机背压的方式找到近失速点，对其近失速点的叶尖流场结构及流动特征进行分析，确定叶尖附近易于导致压气机失速的临界流动区域在轴向方向上的占据范围，即叶尖临界流动区域范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的处理缝在轴向方向上的起始位置位于叶尖前缘上游0.1-0.3bax，其终止位置位于叶尖前缘下游0.2-0.4bax，径向槽深H取0.2-0.5bax；径向倾斜角α取30°-60°；处理缝圆弧型线弦长的长度L＝0.3-0.7bax，其中：bax为转子叶尖基元级叶型的轴向弦长。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的圆弧型线的半径r根据圆弧型线的弦切角θ以及圆弧型线弦长长度L确定，即r＝L/(2sinθ)其中：圆弧型线的弦切角取为转子叶尖基元叶型的安装角β的余角，即θ＝90°-β。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的圆弧型线的弯曲方向与叶片的弯曲方向相反。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360×Φ/N(°)，其中：N为处理缝数目，Φ为开孔率。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的处理缝数目N取转子叶片数的3-5倍。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的轴向缝类机匣处理上处理缝的总面积与开孔区域总面积的比值，即开孔率Φ取40％-70％。
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