CN106089788B - 一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置，喷气装置安装在叶片尾缘处，喷气流的流动方向与转子旋转方向一致；喷气装置由吸力面和压力面组成，吸力面沿轴向逆时针旋转1.48°。喷气装置的底部安装在转子叶顶尾缘下游10％轴向弦长处的机匣上,喷气装置出口与转子叶顶机匣面相切，喷气装置周向跨度1.48°，轴向距离为1.5mm,喷气装置出口与圆周方向夹角为0°。喷气装置进口与外部气源相连通，喷气装置与机匣壁螺纹连接。通过喷气装置对叶片尾缘周向喷气，借助高速流体抑制叶片尾缘反流，扩大了压气机的流道面积，主流能够更加顺畅的向下游流动，从而延迟失速的发生，扩大压气机的稳定裕度，并且提高了压气机的工作效率。

Description

一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置
技术领域
本发明涉及轴流压气机扩稳技术，具体地说，涉及一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置。
背景技术
叶尖喷气借助于高速气流的强大冲击作用使叶尖区域的低能区范围迅速缩小，以此来实现压气机稳定裕度的增加。叶尖喷气分为主动喷气与被动喷气。无论采取何种喷气方式，其对压气机稳定裕度的提高是显而易见的。
近年来，叶尖喷气已取得了许多重要的研究成果，这足以说明叶尖喷气技术在未来航空发动机扩稳领域有着广泛的应用前景。文献“Compressor Stability EnhancementUsing Discrete Tip Injection Proceedings of ASME Turbo expo 2000,May 8-11,2000,Munich Germany,2000-GT-650”公开了一种叶尖喷气的多种方案，文献在轴流压气机上，通过优化喷嘴参数，确定了影响扩稳效果的几个关键因素，取得了良好的扩稳效果，但是文献研究仅仅是在叶片的前缘轴向喷气。研究表明，判断轴流压气机失速先兆的两个准则是:1)前缘溢流，叶顶泄漏涡从相邻叶片前缘溢出；2)尾缘反流，尾缘的叶顶泄漏涡发生反流，并撞击到相邻叶片压力面上。以上两个条件发生时，失速发生。这一判据的正确性已经被众多研究证实。现有的研究更多的关注于解决前缘溢流的问题，研究叶片前缘喷气方案和影响而很少关注叶片尾缘反流的问题，本发明是在叶片尾缘处周向喷气，能有效地解决尾缘反流的问题。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置；通过在叶片尾缘处安装喷气装置，对叶片尾缘周向喷气，借助高速流体抑制叶片尾缘反流，使叶片尾缘的阻塞区域减小，从而扩大压气机的稳定裕度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:包括喷气装置、压力面、吸力面、喷气装置进口、喷气装置出口，喷气装置位于叶片尾缘处，喷气流的流动方向与转子旋转方向一致，其特征在于所述喷气装置由吸力面和压力面组成，吸力面沿轴向逆时针旋转1.48°；喷气装置的底部安装在转子叶顶尾缘下游10％轴向弦长处的机匣上,喷气装置出口与转子叶顶机匣面相切，喷气装置出口距离转子叶片尾缘轴向为2mm，喷气装置周向跨度为1.48°，喷气装置轴向距离为1.5mm，喷气装置出口与圆周方向夹角为0°；喷气装置进口与外部气源相连通，喷气装置与机匣壁螺纹连接。
所述喷气装置为多个，每个喷气装置周向中心线夹角为60°。
有益效果
本发明提出的一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置，喷气装置位于叶片尾缘处，喷气流的流动方向与转子旋转方向一致；喷气装置由吸力面和压力面组成，吸力面沿轴向逆时针旋转1.48°。喷气装置的底部安装在转子叶顶尾缘下游10％轴向弦长处的机匣上,喷气装置出口与转子叶顶机匣面相切，喷气装置周向跨度1.48°，喷气装置轴向距离为1.5mm,喷气装置出口与圆周方向夹角为0°；喷气装置进口与外部气源相连通，喷气装置与机匣壁螺纹连接。通过喷气装置对叶片尾缘周向喷气，借助高速流体抑制叶片尾缘反流，使叶片尾缘的阻塞区域减小，进而扩大了压气机的流道面积，主流能更加顺畅的向下游流动，从而延迟失速的发生，扩大压气机的稳定裕度。使压气机扩稳能力提高，并仍能提高压气机效率。
通过轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置，在亚音速轴流压气机转子上开展了叶片尾缘周向喷气，扩大压气机的稳定裕度的实验研究。研究结果表明，未安装喷气装置的压气机转子失速流量为3.0373kg/s，在叶片尾缘安装喷气装置获得的失速流量为2.785kg/s，稳定裕度改进量为8.31％；使压气机扩稳能力提高，并能提高压气机效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置作进一步的详细说明。
图1为本发明尾缘周向喷气扩稳装置示意图。
图2为本发明尾缘周向喷气扩稳装置在机匣上安装部位示意图。
图3为本发明尾缘周向喷气扩稳装置应用在转子叶顶示意图。
图4为本发明尾缘周向喷气扩稳装置在转子叶片机匣上的轮廓示意图。
图5为本发明尾缘周向喷气扩稳装置圆周方向的轮廓示意图。
图6为喷气前后转子总压比特性曲线。
图中:
1.坐标原点2.压力面3.吸力面4.喷气装置进口5.喷气装置出口6.机匣壁7.叶片尾缘8.转子9.喷气装置10.轮毂11.叶顶12.喷气装置在机匣壁上投影
具体实施方式
本实施例是一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置。
参阅图1～图5。本实施例压气机尾缘周向喷气的扩稳装置，特点是设计适用的喷气装置并优化主要参数，使喷气效果达到最优。喷气装置由吸力面和压力面组成；
吸力面型线轴流二维坐标为0,0；-3.0229,1.0806；-4.1305,2.0129；-4.7016,2.9021；-4.9289,3.7635；-4.9034,4.6598；-4.7249,5.5002；-4.3811,6.3406；-3.7778,7.2411；-2.9486,8.0215；0,9；
压力面型线二维坐标为0,0；-1.8099,1.0248；-2.9042,2.1635；-3.4826,3.3022；-3.6766,4.6687；-3.6059,5.5797；-3.3309,6.7184；-2.8249,7.8571；-2.027,8.9958；-0.7886,10.134；0.73215,10.972；1.8957,11.338；2.4775,11.4；其它点由样条插值所得，形成样条曲线。根据压力面型线和吸力面型线的二维坐标样条插值成样条曲线，吸力面3沿轴向逆时针旋转1.48°，吸力面3和压力面2组成喷气装置9。
本实施例中，喷气装置9的底部安装在转子叶顶尾缘下游10％轴向弦长处的机匣上,喷气装置出口5与转子叶顶11机匣面相切，喷气装置出口距离转子叶片尾缘轴向为2mm,喷气装置9周向跨度1.48°，喷气装置轴向距离为1.5mm,喷气装置出口5与圆周方向夹角为0°；喷气装置进口4与外部气源相连通，喷气装置9与机匣壁螺纹连接。
本实施例中，在全通道安装有六个喷气装置9，每个喷气装置9周向中心线夹角为60°。
本实施例应用在亚音速轴流压气机实验室的孤立转子上，其主要设计参数见表1。
表1
叶片数 30
设计转速(rpm) 15200
设计等熵绝热效率 0.905
设计流量(kg/s) 5.6
设计总压比 1.245
叶片展弦比 1.94
轮毂比 0.61
顶部径向间隙(mm) 0.35
叶尖稠度 0.96
在亚音速单级轴流压气机实验室的孤立转子上开展叶片尾缘周向喷气的数值模拟实验，其实施过程如下:
使用Numeca软件Autogrid模块生成压气机转子、IGG模块生成周向喷嘴的计算网格；
本实施例中，转子进口段为沿轴向发展的H型网格结构，与叶片通道相关的网格采用O4H型网格结构。O4H型网格结构叶片通道由5个block组成，贴在叶片表面的为O型网格，其余4部分为H型网格，而叶顶间隙则采用蝶型网格结构，靠近实壁处的网格进行加密处理。喷嘴采用蝶型网格拓扑结构以实现良好的正交性。
使用Numeca软件Fine模块对生成的计算网格进行全三维数值模拟计算；
本实施例中，数值计算应用NUMECA软件包中的Euranus求解器。定常计算采用四阶显式龙格-库塔时间推进方法，计算空间离散格式采用基于通量差分离散法的二阶迎风格式，并采用Van albada限制器限制解的振荡，并结合spalart-allmaras湍流模型对三维雷诺时均Navier-Stokes方程进行求解，压气机转子转速N＝8130r/min；
对数值计算结果进行处理，获得叶片尾缘周向喷气的失速裕度改进量；
本实施例中，采用流量裕度改进量这一参数衡量叶片尾缘周向喷气对压气机扩稳效果的改善作用；其定义为:
式中，mwith为喷气前转子近失速点流量，mwithout为喷气后转子近失速点流量。
图6为本实施例在喷气前后转子总压比特性曲线。从图中可以看出叶片尾缘周向喷气后，压气机的稳定工作范围明显增大，压气机的最小流量由原来的3.0373kg/s降为2.785kg/s，根据公式(1)可计算出，叶片尾缘周向喷气使压气机的稳定裕度提高约8.31％。
实验研究结果表明:叶片尾缘周向喷气提高压气机失速裕度为8.31％。

Claims (2)

1.一种轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置，包括喷气装置、压力面、吸力面、喷气装置进口、喷气装置出口，喷气装置位于叶片尾缘处，喷气流的流动方向与转子旋转方向一致，其特征在于:所述喷气装置由吸力面和压力面组成，吸力面沿轴向逆时针旋转1.48°；喷气装置的底部安装在转子叶顶尾缘下游10％轴向弦长处的机匣上,喷气装置出口与转子叶顶机匣面相切，喷气装置出口距离转子叶片尾缘轴向为2mm，喷气装置周向跨度为1.48°，喷气装置轴向距离为1.5mm，喷气装置出口与圆周方向夹角为0°；喷气装置进口与外部气源相连通，喷气装置与机匣壁螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的轴流压气机尾缘周向喷气扩稳装置，其特征在于:所述喷气装置为多个，每个喷气装置周向中心线夹角为60°。
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