CN104454656A - 一种带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，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通流孔，并在通流孔上加入环形背腔。该机匣处理控制方法能够在提高压气机稳定工作范围的同时不明显降低压气机的效率。周向槽底部带有背腔和通流孔的结构与周向槽底部不带背腔和通流孔的结构相比，不仅能对机匣处理结构内的流体进行周向输运，还能对流体进行轴向输运，能更有效地利用叶片通道内的压差。这增强了周向槽和主流交界面上的径向流动强度，能更有效地抑制叶顶区域由泄漏涡引起的低速区，提高压气机的稳定工作范围。

Description

一种带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法

技术领域

本发明涉及一种带背腔开孔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背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，以更大程度地提高压气机的稳定工作范围，同时不明显降低压气机的效率和压比。

本发明的技术解决方案为：一种压气机带背腔开孔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.在各所述周向槽底部开设若干沿周向均匀分布的通流孔，并在通流孔上部设置环形背腔，通过所述环形背腔和通流孔将各个周向槽连通，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通过所述通流孔进入所述环形背腔内，所述环形背腔将流体向上游输运，流体从环形背腔经各所述通流孔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，周向槽和环形背腔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，所述的周向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围，各所述周向槽的轴向宽度、深度和/或周向槽之间的间隙宽度可以相同或不同。

优选地，所述的周向槽的数目为2-10个。

优选地，所述的通流孔的形状为矩形孔、圆形孔或这些孔形之间的组合。

优选地，各所述周向槽底部的通流孔的数目为1-10个。优选地，分布于同一周向槽底部的通流孔，其轴向位置可以不同。

优选地，所述环形背腔所在的轴向范围大于或等于周向槽所在的轴向范围。优选地，周向槽的轴向宽度等于周向槽之间间隙的轴向宽度，并且等于周向槽的深度。优选地，环形背腔的轴向宽度等于周向槽所在范围的轴向宽度，环形背腔的深度等于周向槽的深度。优选地，通流孔的宽度和深度均等于0.4倍的周向槽宽度，并且通流孔的周向张开角度为1度。

本发明所提出的压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制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周向输运，还能通过与周向槽相连接的通流孔和背腔对机匣处理结构内的流体进行轴向输运。与周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理相比，该机匣处理结构能更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，因此能更有效地提高压气机的稳定工作范围，同时不会造成较大的效率和压比损失。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是带背腔周向槽机匣处理结构示意图，图1b为B-B向剖面图。

图2a和图2b分别给出了采用光壁机匣、带背腔开孔式周向槽机匣处理、周向槽底部不带背腔和通流孔的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背腔开孔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背腔开孔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％叶高静压分布及带背腔开孔式周向槽机匣处理对叶顶流体的输运情况。

图6是采用周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理后近失速点和采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流量工况通过周向槽与主流交界面的面积平均流量密度。

图7a和图7b是采用周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理后近失速点和采用带背腔开孔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。

具体实施方式

为使本发明本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明本发明进一步详细说明。

图1a、1b所示，本发明本发明所针对的压气机装置包括压气机动叶1，压气机机匣2，环形背腔3，通流孔4和周向槽5组成。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。带背腔开孔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。

带背腔开孔式周向槽机匣处理结构由环形背腔3，通流孔4和周向槽5组成。周向槽的数目为2-10个。周向槽分布于叶片顶部区域，位于周向槽底部的通流孔和周向槽相连接，并且环形背腔能够将各个离散的通流孔连接起来。通流孔和背腔为各周向槽提供了流体交换的通道。周向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围，各周向槽的轴向宽度、深度和周向槽之间的间隙宽度可以不同。在单个叶片通道对应的周向范围内，每个周向槽底部的通流孔的数目为1-10个。通流孔的形状可以是矩形孔、圆形孔或这些孔形的组合，每个周向槽底部各通流孔之间的周向间距，各通流孔的轴向位置可以不同。环形背腔位于各通流孔上部，并且要能够覆盖所有通流孔。环形背腔所在的轴向范围大于或等于周向槽所在的轴向范围。

周向槽和通流孔的个数和几何尺寸以及背腔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，同时减小压气机的效率损失。图1给出了一个具体的实施例，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间隙的轴向宽度，并且等于周向槽的深度。环形背腔的轴向宽度等于周向槽所在范围的轴向宽度，环形背腔的深度等于周向槽的深度。在单个叶片通道对应的周向范围内，每个周向槽底部开设四个矩形孔。通流孔的宽度和深度均等于0.4倍的周向槽宽度，并且通流孔的周向张开角度为1度。

该发明所提出的带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，以特定的压气机为对象，通过数值计算进行了验证。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所示。所采用的带背腔开孔式周向槽机匣处理结构尺寸和上述图1中所示相同。

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、带背腔开孔式周向槽机匣处理、周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理的压气机的特性曲线。两种机匣处理结构的周向槽结构尺寸完全相同。带背腔开孔式周向槽机匣处理和周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理分别使压气机的失速裕度提高了15％和10.8％。与周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理相比，带背腔开孔式周向槽机匣处理使压气机的稳定工作范围获得了更大的提高。同时，带背腔开孔式周向槽机匣处理和周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理分别使压气机的峰值效率降低了0.52％和0.29％。与周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理相比，带背腔开孔式周向槽机匣处理使压气机的效率损失略有增加。此外，两种机匣处理结构均提高了小流量工况下压气机的效率和压比。

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。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，从而导致了压气机的失速。

图3a和3b对比了光壁机匣近失速点和采用带背腔开孔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背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流量工况下叶顶区域的熵分布。其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。可以看出，采用本发明本发明所提出的机匣处理结构能够有效地抑制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，从而可以起到提高压气机稳定工作范围的作用。同时，在小流量工况下，由于带背腔开孔式周向槽机匣处理对泄漏涡起到了抑制作用，由泄漏涡引起的高流动损失区域减小，压气机的效率提高。

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、通流孔和背腔内的流动所示。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被吸入周向槽，周向槽将进入槽内的流体沿周向输运，并将其从叶顶吸力面附近的低压区域重新射入主流。另一方面，在叶片通道内压力面附近和下游的高压区域，进入周向槽内的流体能够通过槽底部的通流孔进入背腔。背腔将流体向上游输运，流体再经过通流孔和周向槽从叶片通道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。

带背腔开孔式周向槽机匣处理能够有效地利用叶片通道内的压差，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。与周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理相比，带背腔开孔式机匣处理不仅能对机匣处理内的流体进行周向输运，还能对流体进行轴向输运。这有利于机匣处理内流体和通道主流之间的质量和动量交换，抑制叶顶区域低能流体的产生，提高机匣处理的扩稳效果。

为了定量地分析机匣处理内流体和通道主流之间流动交换，图6给出了采用周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理后近失速点和采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流量工况下，通过周向槽和主流交界面的面积平均流量密度。其中面积平均流量密度H的计算公式为：

$H=\frac{\∫\∫\mathrm{\ρ}{V}_r\mathrm{dA}}{A}$

其中，ρ为流体的密度，V_r为流体的径向速度，A为周向槽和叶片通道交界面的面积。带背腔开孔式机匣处理和相应的周向槽机匣处理相比，周向槽和叶片通道交界面上的径向流动强度较大。这有利于提高带背腔开孔式周向槽机匣处理的扩稳效果。

图7a为采用周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理后压气机近失速点98％叶高的相对马赫数分布。图7b为采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后与图7a相同流量工况下98％叶高的相对马赫数分布。与周向槽底部不带背腔和通流孔的机匣处理相比，采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后叶顶区域由泄漏涡引起的低速区的范围较小。带背腔开孔式周向槽机匣处理能更有效地抑制叶顶区域由泄漏涡造成的堵塞，使压气机的稳定工作范围获得了更大的提高。

以上所述仅为本发明本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明本发明，凡在本发明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，均应包含在本发明本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种压气机带背腔开孔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.在各所述周向槽底部开设若干沿周向均匀分布的通流孔，并在通流孔上部设置环形背腔，通过所述环形背腔和通流孔将各个周向槽连通，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通过所述通流孔进入所述环形背腔内，所述环形背腔将流体向上游输运，流体从环形背腔经各所述通流孔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，周向槽和环形背腔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所述的压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的周向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围，各所述周向槽的轴向宽度、深度和/或周向槽之间的间隙宽度可以相同或不同。

3.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的周向槽的数目为2-10个。

4.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述的通流孔的形状为矩形孔、圆形孔或这些孔形之间的组合。

5.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：各所述周向槽底部的通流孔的数目为1-10个。

6.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：所述环形背腔所在的轴向范围大于或等于周向槽所在的轴向范围。

7.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：分布于同一周向槽底部的通流孔，其轴向位置可以不同。

8.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：周向槽的轴向宽度等于周向槽之间间隙的轴向宽度，并且等于周向槽的深度。

9.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：环形背腔的轴向宽度等于周向槽所在范围的轴向宽度，环形背腔的深度等于周向槽的深度。

10.根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理流动控制方法，其特征在于：通流孔的宽度和深度均等于0.4倍的周向槽宽度，并且通流孔的周向张开角度为1度。