CN105927589A - 低掺混损失的轴向缝机匣实现方法 - Google Patents

低掺混损失的轴向缝机匣实现方法 Download PDF

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    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps

Abstract

一种低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，首先在叶尖临界流动区域范围内确定处理缝在轴向上的处理范围及其轴向长度，在确定出处理缝的前端圆半径与后端圆半径之后，构造该两圆的内、外公切圆弧，得到的四段圆弧组成的完整轴向处理缝，本发明考虑了近失速点的叶尖流场结构以及叶尖基元几何特征，提高了处理缝的前端射流速度，减少了掺混损失，增强了对叶尖流动堵塞的抽吸效果，处理缝由四段圆弧组成，减少了流体在处理缝内产生的摩擦损失。

Description

低掺混损失的轴向缝机匣实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种叶轮机械领域的技术，具体是一种低掺混损失的轴向缝机匣实现方法。
背景技术
航空发动机中的压气机负荷越高，对其稳定工作范围的要求也越加苛刻。在压气机设计中提高稳定裕度的方法包括主动控制和被动控制两大类。相比主动控制，被动控制技术结构简单、易于实现。在诸多被动控制技术中，机匣处理技术易于在结构上实现、制造成本低、改型方便，被广泛运用。如图1、2所示，轴向缝类机匣处理是一种扩稳效果显著的机匣处理结构，包括轴向缝以及轴向斜缝，其能够获得较大的稳定裕度提升量。但是，现有的轴向缝类机匣处理会在拓展稳定裕度的同时带来显著的峰值效率损失。
发明内容
本发明针对现有技术针对处理缝未考虑掺混损失机理，处理缝开口前后端的宽度相同，且内部面没有光滑连接等等不足，提出一种低掺混损失的轴向缝机匣实现方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明首先在叶尖临界流动区域范围内确定处理缝在轴向上的处理范围及其轴向长度，在确定出处理缝的前端圆半径与后端圆半径之后，构造该两圆的内、外公切圆弧，得到的四段圆弧组成的完整轴向处理缝。
所述的前端圆半径r1取值范围为：后端圆半径r2的取值范围为：其中：D1为处理缝前端起始位置处的机匣直径，D2为处理缝后端终止位置处的机匣直径，N为处理缝数目，L为处理缝轴向长度。
所述的外公切圆弧的半径内公切圆弧的半径其中：l＝L-r1-r2，θ为外公切圆弧与前端圆的公切线和轴向方向的夹角。
所述的内公切圆弧和外公切圆弧的弯曲方向均与叶片的弯曲方向相反。
所述的处理缝前端起始位置位于叶尖前缘上游(0.2～0.5)bax范围内，处理缝后端终止位置位于叶尖前缘下游(0.2～0.5)bax范围内，其中：bax为转子叶尖基元叶型的轴向弦长。
所述的轴向缝轴向长度L的范围为0.4bax≤L≤bax。
所述的处理缝数目N为转子叶片数的3～5倍。
所述的处理缝的前端面与机匣壁面的夹角γ为40°～60°，后端面与前端面平行。
所述的处理缝径向倾斜角α为30°～60°。
所述的处理缝的径向槽深H为0.2-0.5bax。
技术效果
与现有技术相比，本发明考虑了近失速点的叶尖流场结构以及叶尖基元几何特征，提高了处理缝的前端射流速度，减少了掺混损失，增强了对叶尖流动堵塞的抽吸效果，处理缝由四段圆弧组成，减少了流体在处理缝内产生的摩擦损失。
附图说明
图1为现有轴向缝机匣结构示意图；
图2为现有轴向斜缝机匣处理结构示意图；
图3为处理缝在压气机转子上的水平投影示意图；
图4为子午面示意图；
图5为垂直投影面示意图；
图6为压气机效率特性线示意图。
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
本实施例中压气机转子的部分设计参数如表1所示。
表1转子的部分设计参数
首先在叶尖临界流动区域范围内确定处理缝在轴向上的处理范围及其轴向长度，在确定出处理缝的前端圆半径与后端圆半径之后，构造该两圆的内、外公切圆弧，得到的四段圆弧组成完整的轴向处理缝。实现低掺混损失的轴向缝机匣的步骤包括：
1)对转子叶片进行建模，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，确定叶尖临界流动区域范围。
2)如图3所示，确定处理缝在轴向方向上的范围，该范围为叶尖前缘上游0.5bax至叶尖前缘下游0.5bax，则处理缝的轴向长度L＝bax＝42mm。所述的处理缝前端起始位置位于叶尖前缘上游(0.2～0.5)bax范围内，处理缝后端终止位置位于叶尖前缘下游(0.2～0.5)bax范围内，其中：bax为转子叶尖基元叶型的轴向弦长。该轴向缝轴向长度L的范围为0.4bax≤L≤bax。
3)确定处理缝前端起始位置处的机匣直径D1以及处理缝后端终止位置处的机匣直径D2均为380mm。
4)确定处理缝数目，该处理缝数目N为转子叶片数的3～5倍，N取为转子叶片数的4倍即N＝64。
5)通过公式：确定处理缝前端圆O1的半径r1的取值范围，即2.8mm≤r1＜6.5mm，取r1＝3mm，O1圆心位置位于处理缝轴向起始位置下游3mm处。
6)通过公式：确定处理缝的后端圆O2的半径r2的取值范围，即3mm＜r2＜6.5mm，取r2＝6mm，O2圆心位置位于处理缝轴向终止位置上游6mm处。
7)所述的前端圆和后端圆的圆弧都内切于外公切圆弧A。外公切圆弧A和圆O1的公切线与轴向方向的夹角θ＝β＝30°。
8)所述的前端圆O1半径r1＝3mm，O2半径r2＝6mm，两圆圆心距l＝L-r1-r2＝33mm，θ＝30°，根据公式确定外公切圆弧A的半径rA，即
9)所述的前端圆和后端圆的圆弧都内切于内公切圆弧B。圆弧B和圆O2的公切线与轴向方向的夹角θ＝β＝30°。
10)所述的前端圆O1半径r1＝3mm，O2半径r2＝6mm，两圆圆心距l＝L-r1-r2＝33mm，θ＝30°，内公切圆弧B的半径所述的内公切圆弧和外公切圆弧的弯曲方向均与叶片的弯曲方向相反。
11)如图4所示，所述的，处理缝的前端面与机匣壁面的夹角γ为40°～60°，取γ＝45°。如图5所示，所述的处理缝径向倾斜角α为30°～60°，取α＝45°。
12)确定处理缝的径向槽深H，其范围为0.2-0.5bax，这里取0.24bax＝10mm。
与现有技术相比，本发明提高了处理缝的前端射流速度，减少了掺混损失，增强了对叶尖流动堵塞的抽吸效果，处理缝由四段圆弧组成，减少了流体在处理缝内产生的摩擦损失。对原型光壁压气机、普通轴向缝机匣处理及新型低损失轴向缝机匣处理计算得到的压气机效率特性线如图6所示。图中可以看到，普通轴向缝机匣处理与低损失轴向缝均能有效提高压气机稳定裕度，但低损失轴向缝使最高效率点的效率损失降低了超过0.5％。

Claims (8)

1.一种低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征在于，首先在叶尖临界流动区域范围内确定处理缝在轴向上的处理范围及其轴向长度，确定出处理缝的前端圆半径与后端圆半径之后，构造该两圆的内、外公切圆弧，得到的四段圆弧组成的完整轴向处理缝；
所述的前端圆半径r1取值范围为：后端圆半径r2的取值范围为：其中：D1为处理缝前端起始位置处的机匣直径，D2为处理缝后端终止位置处的机匣直径，N为处理缝数目，L为处理缝轴向长度；
所述的外公切圆弧的半径内公切圆弧的半径其中：l＝L-r1-r2，θ为外公切圆弧与前端圆的公切线和轴向方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的处理缝前端起始位置位于叶尖前缘上游(0.2～0.5)bax范围内，处理缝后端终止位置位于叶尖前缘下游(0.2～0.5)bax范围内，其中：bax为转子叶尖基元叶型的轴向弦长。
3.根据权利要求2所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的轴向缝轴向长度L的范围为0.4bax≤L≤bax。
4.根据权利要求3所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的处理缝的径向槽深H为0.2-0.5bax。
5.根据权利要求1所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的处理缝数目N为转子叶片数的3～5倍。
6.根据权利要求1所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的内公切圆弧和外公切圆弧的弯曲方向均与叶片的弯曲方向相反。
7.根据权利要求1所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的处理缝的前端面与机匣壁面的夹角γ为40°～60°，后端面与前端面平行。
8.根据权利要求1所述的低掺混损失的轴向缝机匣实现方法，其特征是，所述的处理缝径向倾斜角α为30°～60°。
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