CN105298923B - 压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置。该装置包括：机匣，呈圆筒状；动叶片，设置于所述机匣内部，沿所述机匣中心轴可转动；其中，在动叶片上游至动叶片弦长中部区域的机匣内壁开设有多条沿周向均匀分布、离散的缝式结构，同时，在动叶片弦长中部至动叶片尾缘区域的机匣内壁开设有M条具有预设深宽比的周向槽。本发明“前缝后槽式”机匣结构能在获得较大扩稳裕度的同时对效率的负面影响达到最小。

Description

压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置

技术领域

本发明涉及流体机械压气机技术领域，尤其涉及一种压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置。

背景技术

轴流风扇/压气机作为一种广泛应用的流体机械，如何提高其工作稳定性一直是研究热点和难点。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，大小叶片等。机匣处理作为一种有效的被动扩稳措施，出现于上世纪60年代，因其结构简单，易于安装，扩稳效果良好，得到了广泛的研究与应用。多年来，机匣处理的扩稳机理及其设计方法一直是叶轮机匣领域的研究热点和难点问题。

图1为现有技术具有周向槽和轴向缝的机匣处理扩稳装置的机构和原理示意图。下面结合图1，对两种典型的机匣处理方式一周向槽(图1中(a))和缝式机匣处理(图1中(b-d))的相关研究结果进行回顾。对缝式机匣处理而言，对轴向缝(图1中(b))、轴向倾斜缝(图1中(c))、和叶片角向缝(图1(d))三种型式的机匣处理研究最多。其结构特点是缝的长度比缝的宽度大得多，开缝面积周向覆盖率约为2/3，齿厚和叶尖部基元叶片的最大厚度相当，齿间距约为齿厚的2倍，其缝深方向与压气机径向呈一定夹角。诸多文献较的实验结果表明，无论是针对亚音速转子还是跨音速转子，缝式处理机匣都能够获得20％左右的裕度改进量，但也伴随着高至10％左右的效率损失。从Moore公布的带缝式处理机匣的转子基元性能看，采用叶片角向短缝在提高扩稳裕度和减小效率损失两个方面都表现出了较好的潜力。在均匀来流情况下，失速裕度的增长仅次于轴向斜缝处理机匣的3％，对压气机效率带来的负面影响在各种缝结构中最小，仅次于周向槽处理机匣。

在此基础上，研究者们还调整了它们的结构型式，并对一些关键几何尺寸和结构型式进行了实验对比和分析。针对轴向倾斜缝式机匣处理，西北工业大学刘志伟等实验研究了缝沿径向倾斜程度(如图1(c)中缝的周向面与叶片径向方向的夹角θ)的影响，实验结果表明，合适的缝沿径向倾斜角度能改善机匣处理的扩稳效果。均匀来流下，不论径向倾角θ为45或60度，都能改善扩稳效果3％左右，径向畸变来流下，径向倾角为60度的缝式处理机匣，能获得更好的扩稳效果。

由上述实验结果看出，缝式处理机匣虽然能获得20％左右的失速裕度增量，但也严重恶化了压气机效率。研究者们试图在这两个关键的性能指标之间寻找平衡。刘志伟等借助亚音速压气机转子实验评定了倾斜缝式机匣处理的轴向放置位置。结果表明，当把倾斜缝式机匣处理前伸转子轴向投影的50％时，仍能保持机匣处理位于转子正上方时的扩稳效果，但峰值效率损失却减小了一半，即由10％下降到5％，失稳点效率亦有类似的变化。可见，缝的轴向位置不同会明显地影响稳定裕度和效率，可以根据对稳定性裕度的要求，适当变更轴向缝的轴向位置，使效率损失减小。但过分的前伸，以致轴向缝与转子顶部无重叠时，则将出现负的裕度改进量。

目前的周向槽处理机匣方案是在机匣内壁沿整个弦长方向布置一系列周向连续槽，实现5％～15％的扩稳裕度。周向槽处理机匣的扩稳效果虽然不如缝类，但是因其对效率的负面影响小，在跨音风扇/压气机中对效率甚至会带来正面提升作用，因而引发国内外研究者们对周向槽的尺寸设计与布置进行了大量研究。结果表明，对周向槽扩稳效果最重要的两个几何参数是槽深和槽位。随着槽深的增加，周向槽的扩稳效果会不断提高直至一个稳定值，但与此同时，槽越深对效率的负面影响越大。因此，需要根据对压气机稳定性和效率的实际需求确定槽深参数。对于周向槽的位置参数，目前具有代表性的是剑桥大学Day等人在两台低速压气机开展的周向单槽实验研究。研究发现位于叶片弦长中部附近的周向单槽扩稳效果最佳，而位于距离叶片前缘20％轴向弦长位置的周向单槽几乎没有任何扩稳效果。中国科学院工程热物理研究所在低速轴流压气机上的周向单槽实验也发现位于叶片弦长中部的周向单槽能产生最明显的扩稳效果。另外，工程热物理研究所进一步对周向多槽进行试验研究，发现布置在叶片弦长中后部的周向多槽与全弦长布满的周向槽方案扩稳效果几乎一致，并且带来的效率损失影响最小。这些研究结果给周向槽的几何参数设计提供了一定的参考准则。

综上所述，无论是周向槽还是缝式机匣处理，槽与缝的位置对压气机性能都起到至关重要的作用。缝式机匣处理比周向槽扩稳裕度大，但也带来更大的效率损失。目前尚未找到一种机匣处理能够综合缝式机匣处理扩稳裕度大和周向槽机匣效率损失小的双重优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，以综合缝式机匣处理扩稳裕度大和周向槽机匣效率损失小的双重优点。

(二)技术方案

本发明压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置包括：机匣，呈圆筒状；动叶片，设置于所述机匣内部，沿所述机匣中心轴可转动；其中，在动叶片上游至动叶片弦长中部区域的机匣内壁开设有多条沿周向均匀分布、离散的缝式结构，同时，在动叶片弦长中部至动叶片尾缘区域的机匣内壁开设有M条具有预设深宽比的周向槽。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置具有以下有益效果：

(1)对压气机稳定性而言，“前缝后槽式”机匣处理中的前缝相比与直接覆盖在叶顶上方的缝，扩稳效果几乎一致；而位于叶片中后部的槽与全弦长范围布置周向槽相比，扩稳效果也几乎一致，因此，这种“前缝后槽式”机匣处理能够综合缝与槽的扩稳潜力，以获得最大的扩稳裕度。

(2)从效率特性来看，“前缝后槽式”机匣处理中的前缝相比直接全部覆盖在叶顶上方的缝，带来的效率损失会减小一半；位于叶片中后部的槽对效率影响几乎为零，而沿全弦长布置的周向槽会使效率降低，因此，这种“前缝后槽式”机匣结构能在获得较大扩稳裕度的同时对效率的负面影响达到最小。

附图说明

图1为现有技术具有周向槽和轴向缝的机匣处理扩稳装置的机构和原理示意图；

图2A和图2B分别为根据本发明实施例压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置局部的立体图和剖面图；

图3为机匣中轴向缝抑制泄漏流在叶片前缘发生溢出的原理图；

图4为机匣中周向槽改变大逆压梯度下发生倒流的泄漏流的运行轨迹的原理图；

图5为图2A和图2B所示压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置中轴向缝和周向槽几何造型与参数的示意图。

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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，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相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置中，将风扇/压气机机匣加工成为动叶前缘附近布置轴向缝，弦长中部到尾缘部分布置周向槽的形式，能够充分利用周向槽和轴向缝的扩稳特征，达到最大程度改善失速裕度并减小效率损失的目的，使轴流风扇/压气机能够在高压比、宽失速裕度、高效率的工况下运行。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置。图2A和图2B分别为根据本发明实施例压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置局部的立体图和剖面图。

如图2A和图2B所示，本实施例压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置包括：机匣，呈圆筒状；动叶片，设置于机匣内部，沿所述机匣中心轴转动；其中，在动叶片上游10％～50％轴向弦长位置至弦长中部区域的机匣内壁开多条沿周向均匀分布、离散的轴向缝，在动叶片弦长中部至尾缘区域的机匣内壁开设M条具有预设深宽比的周向槽，通过抑制泄漏流在动叶片前缘的溢出和在动叶片尾缘区域的倒流，实现扩稳。

本实施例压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置的工作流程是：在风扇/压气机的节流过程中，压气机的流量减小，压比升高，沿轴向的逆压梯度增大，叶顶间隙泄漏流容易在动叶片前缘发生溢出，并在尾缘发生倒流。泄漏流在前缘溢出和在尾缘倒流是导致现代高负荷压气机失稳的主要因素。在较大的逆压梯度下，轴向缝能够从缝的下游边界吸入泄漏流体并从轴向缝的上游边界喷出，对主流动量进行补给，将泄漏流与主流之间的交界往下游推，进而抑制泄漏流在动叶片前缘发生溢出，如图3所示。与此同时，位于弦长中后端的周向槽能够改变大逆压梯度下发生倒流的泄漏流的运行轨迹，如图4所示，使其折转并顺利流出通道，抑制由泄漏流倒流引起的压气机内部不稳定性扰动。

本实施例压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置中的轴向缝和周向槽，既能保证轴向缝位于其扩稳效果的最佳位置，又能保证周向槽位于其扩稳效果的最佳位置。由于轴向缝的作用是增强主流动量，因此，将轴向缝的上游边界布置在动叶片上游对抑制泄漏流效果最佳。此外，实验和数值结果表明当周向槽位于动叶片前缘下游20％轴向弦长位置处，周向槽对扩稳会带来负面影响；而在动叶片弦长中部至尾缘区域布置的周向槽能够获得约6.29％的扩稳裕度(沿着整个动叶片弦长布满周向槽的机匣处理方案扩稳裕度也只有6.46％)，因此，该方案中将周向槽布置在弦长中部至尾缘区域为周向槽对扩稳的最佳位置。

轴向缝上游边界与机匣面的夹角可在45°～90°内变化，在加工强度允许的情况下尽可能保证减小轴向缝上下游边界与机匣的夹角，使喷射气流更加贴近机匣壁面，具有更高的轴向速度，对具有负轴向速度的泄漏流的抑制作用越强，扩稳效果越好。此外，应保证缝沿径向倾斜角度(即轴向缝的周向面与动叶片径向方向的夹角，如图1中(c)所示)为45°～60°，以获得最佳的扩稳效果。

本实施例中，“前缝后槽式”机匣处理的几何造型如图5所示，其几何参数参考值如表1所示。第一步是确定轴向缝的几何参数。首先，根据前期研究结果按照叶顶基元动叶片的最大厚度确定采用的轴向缝的宽度，缝间距约为缝宽的0.5～2倍，缝的周向边界与动叶片径向夹角为45°～60°，轴向缝的上游边界位于动叶片前缘上游10％～50％轴向弦长位置，轴向缝的下游边界位于动叶叶顶弦长中部。第二步是确定周向槽的几何参数。针对需要施加机匣处理以拓宽稳定性的某轴流风扇/压气机，在距离动叶片前缘55％～80％轴向弦长区间的位置设置周向槽，按照槽宽2mmv3mm，槽间距为槽宽的1/3至1/2，计算槽的个数。根据实际对扩稳裕度的需求(扩稳需求越大，槽的深宽比建议在小于3的范围内取值越大)，确定槽的深宽比并进一步计算槽的深度。按照计算好的周向槽几何参数在机匣上加工周向槽。位于叶顶弦长中后部的周向槽能够有效抑制泄漏流在动叶片尾缘的倒流，实现周向槽扩稳。一般情况下，轴向缝的穿孔率在50％以上。周向槽的个数M介于3～5之间。

表1“前缝后槽式”机匣处理几何参数

对照图5，表1中，Cax表示动叶片轴向弦长，Wc表示周向槽的宽度。Ws表示轴向缝的宽度。

本实施例中，位于动叶片上游至动叶片弦长中部的轴向缝能够在通道内部轴向逆压梯度的作用下，将叶顶低能流体从轴向缝下游边界吸入，并在轴向缝上游边界喷出，喷气的气流和主流相互作用之后能够尽可能沿着机匣壁面流动，增强主流在叶顶区域的轴向动量，起到抑制泄漏涡强度和将泄漏流轨迹向动叶片通道下游推进的作用，推迟泄漏流与主流交界面的溢出，实现扩稳目的。

本实施例中，位于动叶片弦长中部至尾缘的周向槽能够有效抑制泄漏流在动叶片尾缘出现的倒流现象，从而推迟泄漏流与主流交界面在动叶片前缘的溢出，减弱压缩系统内部失稳扰动，达到拓宽压气机失稳裕度的目的。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)其中轴向缝还可以用各种类型的缝式结构如角向缝、折线缝等形式；

(2)如果采用轴向缝，缝的等周向截面形状可以是矩形、平行四边形、椭圆形等各种形状。

(3)周向槽的截面形状可以是矩形、平行四边形、梯形、椭圆形等各种形状。

综上所述，本发明压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置能够充分利用轴向缝和周向槽的扩稳特征和能力，达到改善失速裕度的目的，使轴流风扇/压气机能够在高压比、宽失速裕度的工况下运行，具有广阔的应用前景。

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 (8)

1.一种压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，包括：

机匣，呈圆筒状；

动叶片，设置于所述机匣内部，沿所述机匣中心轴可转动；

其中，在动叶片上游预设位置至动叶片弦长中部区域的机匣内壁开设有多条沿周向均匀分布、离散的缝式结构，该预设位置选自于距离动叶片前缘10％～50％轴向弦长位置；同时，在动叶片弦长中部至动叶片尾缘区域的机匣内壁开设有M条具有预设深宽比的周向槽，该周向槽设置于距离动叶片前缘55％～80％轴向弦长区间内，且M介于3～5之间。

2.根据权利要求1所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述轴向缝的上游边界位于动叶片前缘上游50％轴向弦长位置，下游边界位于动叶片前缘下游40％轴向弦长位置。

3.根据权利要求1所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述缝式结构为轴向缝、角向缝或折线缝。

4.根据权利要求3所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述缝式结构为轴向缝，该轴向缝的周向截面形状为矩形、平行四边形或椭圆形。

5.根据权利要求3所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述轴向缝沿径向倾斜角度介于45°～60°之间，所述轴向缝上游边界与机匣面的夹角介于45°～90°之间。

6.根据权利要求1所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述周向槽的宽度介于2mm～3mm之间，槽间距为槽宽的1/3至1/2，所述周向槽的深宽比小于3。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述周向槽的周向截面形状为矩形、平行四边形、梯形或椭圆形。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的压气机前缝后槽式机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述缝式结构的穿孔率在50％以上；缝间距为缝宽的0.5～2倍。