CN106870461A - 压气机机匣及应用其的轴流压气机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压气机机匣及应用其的轴流压气机。该压气机机匣包括：机匣本体和自循环机构；在机匣本体内壁动叶顶端沿动叶前缘到尾缘开设有至少两个周向槽‑靠近动叶前缘的前周向槽和靠近动叶尾缘的后周向槽；在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面分别开设通孔，自循环机构密封固接于前周向槽和后周向槽的槽底通孔之间，将两者连通。本发明可以实现压气机周向多槽中动叶前缘与动叶尾缘的周向槽优势互补，最大限度地拓宽压气机流动失稳裕度。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种压气机机匣及应用其的轴流压气机。
背景技术
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。叶顶喷气和机匣处理作为有效的扩稳措施在国际上受到了广泛的关注，并对其扩稳机理开展了相关的数值和实验研究。
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，易于改装，扩稳效果良好，得到了广泛的研究与应用。NASA的Hathaway总结了一系列典型的机匣处理方式，并指出了周向槽和轴向缝是两类典型的机匣处理方式。周向槽的扩稳效果虽然不如缝类，但是因其对效率的影响小，这使得研究者们对周向槽的尺寸设计与布置进行了大量研究。多数研究认为周向槽内流体的流入和流出会影响叶顶泄漏流并延缓其溢出，如西北工业大学的研究团队认为槽内流动改变了叶顶泄漏流的轨迹，使其更贴近于叶片吸力面。Wilke等人则认为周向槽能够延缓叶顶间隙泄漏涡的破碎从而达到扩稳的目的。德国学者Muller等人对此有类似看法，同时认为周向槽还可以减弱堵塞。
这些研究多建立在多槽基础之上，并认为靠近动叶前缘(以来流方向，气流先到达动叶的一侧被称为动叶前缘)的槽扩稳效果好。剑桥大学的IvorDay等人对周向单槽的研究发现50％轴向弦长位置扩稳效果仍存在一个峰值。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40％-70％轴向弦长位置单槽也有较好扩稳效果。这些均表明叶片中后部槽仍有较好扩稳效果，这也给周向槽的实际应用提供了一定的设计准则。
对于位于动叶叶顶前缘的周向槽，其槽内流动比较复杂，主要为对前缘的泄漏流与主流在动叶压力面进行抽吸，在动叶吸力面进行喷射，这样会影响动叶前缘吸力面局部位置的泄漏流轨迹，使得局部泄漏流出现前缘溢出。根据前国际上公认两种主要失速途径之一：泄漏流与主流交界面前缘溢出会诱发突尖型失速先兆，进而导致失速。因局部泄漏流溢出而造成压气机失速途径发生改变，而使得前槽的扩稳效果比较弱，甚至是没有效果。
动叶叶顶尾缘处的周向槽对叶片前端泄漏流的影响比较小，压力面和吸力面的压差比较小，使得槽内的高压气流无法流出，而只能沿周向运动。其主要影响后端的分离/堵塞，起到后端卸载的作用。这样，在靠近失速点时，周向槽虽然能够在一定程度上减弱后端泄漏流向前推进，但是无法阻止前端泄漏流轨迹的变化，这样也就限制了其扩稳能力。
图1为现有技术多级轴流压气机示意图。如图1所示，多级轴流压气机包括：动叶、静叶、轮毂和机匣。动叶、静叶和轮毂均置于机匣内。动叶固定在轮毂上，随轮毂一起转动；静叶沿固定在机匣上，始终静止不动。并且动叶和静叶在轴向(即轮毂轴向)方向交错间隔布置。在周向(即轮毂的圆周方向)上，一排动叶叶片和紧随其后的一排静叶叶片构成压气机的一个级。多级轴流压气机包括多个级。气流从压气机的入口处进入，经过各个级间的流动，压力逐级增加。通常由于在设计过程中，中间某些级的负载比较高，使得流动失稳裕度不足。周向多槽机匣处理是最常见的并且已经在实际航空发动机压气机动叶转子中得到应用的扩稳技术之一。
图2为现有技术多级轴流压气机中动叶与周向多槽机匣的剖面图。如图2所示，通过精心设计多槽中每一个槽的深宽比以达到兼顾稳定性改善而不损失效率的目的。前期在对周向多槽以及单槽研究过程中，发现靠近动叶前缘处周向单槽的扩稳效果非常差，甚至是会影响周向多槽的整体扩稳能力。在对其原因进行分析之后，发现在槽内的流动主要沿周向在压力面和吸力面之间的吸入-喷出流动，如图3所示，这种吸入-喷出流动会影响靠近动叶叶尖前缘的局部泄漏流轨迹，使得局部泄漏流与主流交界面出现前缘溢出，改变压气机的失速途径，使得整个周向多槽的扩稳效果变差。另外，在对靠近动叶叶顶尾缘的周向多槽的扩稳原因进行分析时，发现由于尾缘处吸力面和压力面的压差比较小，槽内的高压气体只能不断积压，只能沿周向运动，如图4所示。这样尾缘处的周向槽只能略微起到扩稳的作用。而中间的槽由于远离动叶叶尖前缘，槽内吸入-喷出不仅不会使前缘的泄漏流出现溢出，还以此实现降低叶顶负载，达到扩稳的目的。然而，现有技术中通常只是简单的从前缘到尾缘设计周向多槽，虽然所设计的周向多槽也能取得不错的扩稳效果，但是无法发挥每一个周向单槽的作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种压气机机匣及应用其的轴流压气机，以实现压气机周向多槽中动叶前缘与动叶尾缘周向槽优势互补的目的，最大限度地拓宽压气机流动失稳裕度。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种压气机机匣。该压气机机匣包括：机匣本体和自循环机构。在机匣本体内壁动叶顶端沿动叶前缘到尾缘开设有至少两个周向槽-靠近动叶前缘的前周向槽和靠近动叶尾缘的后周向槽；在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面分别开设通孔，自循环机构密封固接于前周向槽和后周向槽的槽底通孔之间，将两者连通。
在本发明的一些实施例中，前周向槽的开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角大于90°；后周向槽开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角小于90°。
在本发明的一些实施例中，在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面开设的通孔沿机匣壁面均匀设置。
在本发明的一些实施例中，在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面开设数量相同的通孔，相互对应的前周向槽通孔和后周向槽通孔通过自循环机构连接起来，两者的连线与机匣轴向进气方向平行。
在本发明的一些实施例中，自循环机构为管件。
在本发明的一些实施例中，管件为圆管，圆管与前/后周向槽底通孔的连接部分的内壁与圆管内壁光滑过渡并无缝连接。
在本发明的一些实施例中，周向槽的个数为3个或以上；前周向槽是最靠近动叶前缘的周向槽，后周向槽是最靠近动叶后缘的周向槽，在前周向槽和后周向槽之间还具有至少一个周向槽。
在本发明的一些实施例中，前周向槽和后周向槽的深宽比介于1～2之间。
根据本发明的令一个方面，提供了一种轴流压气机。该轴流压气机包括：压气机机匣，为上述的压气机机匣；设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；沿机匣轴向固定于机匣内侧的N片静叶；沿机匣轴向固定于轮毂外侧的M片动叶；其中，M和N均为大于等于1的整数。
在本发明的一些实施例中，静叶和动叶交错排布。
(三)有益效果
本发明压气机机匣及应用其的轴流压气机至少具有以下有益效果其中之一：
(1)将动叶尾缘附近后周向槽的槽底积压的高压气体通过自循环机构引出，实现对动叶尾缘处积压气流的卸载，增强动叶尾缘处的后周向槽的扩稳能力；
(2)采用自循环机构将动叶尾缘附近的后周向槽内的高压气体回引到动叶前缘附近的前周向槽中，有效抑制了前周向槽内的吸入-喷出流动，提高了前周向槽的扩稳能力；
(3)前周向槽的槽深延伸方向与轴向进气方向夹角大于90°，能有效利用从动叶尾缘引回的高压气体进行径向和轴向喷气，达到抑制泄漏流波动和卸载的目的；
(4)后周向槽的槽深延伸方向与轴向进气方向夹角小于90°，有助于提高动叶尾缘处高压气体的引出量，进而增大前槽内喷射动量，进一步增强周向多槽的扩稳能力。
附图说明
图1为现有技术多级轴流压气机示意图。
图2为现有技术多级轴流压气机中动叶与周向多槽机匣的剖面图。
图3为图2所示多级轴流压气机中靠近动叶前缘的前周向槽槽内气流流动的示意图。
图4为图2所示多级轴流压气机中靠近动叶尾缘的后周向槽槽内气流流动的示意图。
图5为根据本发明实施例压气机机匣局部及对应位置动叶的示意图。
具体实施方式
本发明在现有技术中周向多槽机匣处理基础上，充分考虑靠近动叶叶顶前缘的前周向槽与靠近尾缘周向槽的扩稳能力比较差的因素，采用自循环方式，将靠近动叶叶顶尾缘的尾缘周向槽槽内高压气体引回到靠近动叶叶顶前缘的前缘周向槽槽内，并通过精心设计前后槽的开槽方向，有利于后槽抽吸和前槽喷射的效果，能够在原周向多槽扩稳效果的基础上，充分改善前后槽的扩稳能力，并利用后槽抽吸前槽喷射的效果，达到改善失速裕度的目的，使压气机能够在高压比、宽失速裕度工况下运行。
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，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种压气机机匣。
图5为根据本发明实施例压气机匣的结构示意图。如图5所示，该压气机机匣包括：机匣本体和自循环机构。其中，在机匣本体的内壁动叶顶端沿动叶前缘到尾缘开设有至少两个周向槽-靠近动叶前缘的前周向槽和靠近动叶尾缘的后周向槽，在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面分别开设通孔。自循环机构密封固接于前周向槽和后周向槽的槽底通孔之间。
本实施例中，采用自循环方式，将后周向槽槽内高压气体引回到前周向槽槽内，有利于达到后槽抽吸和前槽喷射的效果。
此外，在现有技术中，前周向槽和后周向槽，有槽内流动受到转子旋转速度的牵引，前周向槽的槽内气流的吸入-喷气和后槽槽内气流的周向运动只涵盖了周向槽的部分深度，在槽底会形成大量的涡，影响压气机效率。而前后槽槽内气流在压差推动下，可将后周向槽底的滞止涡系结构抽吸，并将前周向槽槽底的涡系结构吹除，达到改善压气机效率的目的。
由于对于不同的轴流风扇/压气机，最优槽的结构和轴向位置有所不同。经过对不同压气机转子进行实验和数值研究，槽的深宽比介于1～2之间时，其在达到一定扩稳效果的同时对压气机效率的负面影响小。
关于周向槽的个数，其可以为2个，也可以是如图5所示的多个。在具有多个周向槽的情况下，前周向槽可以是最靠近动叶前缘的一个，也可以是相对于后周向槽来说靠近动叶前缘的一个；同理，后周向槽可以是最靠近动叶后缘的一个，也可以是相对于前周向槽来说靠近动叶后缘的一个。在本发明优选地实施例中，周向槽的个数为3个或以上，前周向槽是最靠近动叶前缘的一个，后周向槽是最靠近动叶后缘的一个，在前周向槽和后周向槽之间还具有至少一个周向槽。
请继续参照图5，前周向槽的开槽方向与机匣径向的夹角为60°，与机匣轴向进气方向的夹角为120°。后周向槽的开槽方向与机匣径向的夹角为60°，与机匣轴向进气方向的夹角为30°。
本领域技术人员应当能够理解，上述的开槽方向仅为优选实施例，本发明并不以此为限。在本发明其他实施例中，前周向槽的开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角大于90°；后周向槽开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角小于90°。
对于靠近前周向槽和靠近后周向槽的开槽方向，需要实际压气机进行优化。靠近动叶叶顶前缘的前周向槽，其开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角大于90°。这样从后槽引回的高压气体回在前槽内形成喷射，且喷射方向与轴向进气方向夹角会小于90°。由于喷射角度越小，喷射气体会越靠近动叶转子间隙内部，对叶顶间隙泄漏流的作用会更强。具体的角度可根据实际压气机具体参数以及加工工艺进行优化。靠近动叶叶顶尾缘的后周向槽，其开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角小于90°，其目的是为了保证能抽吸更多的高压气体，使得前槽的喷射效果更佳，且开槽方向与机匣轴向进气方向的夹角在30°左右最优，根据实际压气机具体参数及加工难度进行优化设计。
在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面上开设有通孔。其中，前周向槽对应的通孔与后周向槽对应的通孔，两者的数量可以相同，也可以不同，优选为数量相同，一一对应，优选为5～10个。并且，相互对应的前周向槽通孔和后周向槽通孔通过管件连接起来。
还需要注意的是，在本发明优选地技术方案中，通孔在前/后周向槽的外围均匀布置，这样可以尽可能的保持周向槽内气压的稳定。
自循环机构一般为圆管，圆管与前/后周向槽底通孔的连接部分保证圆管内壁和连接部分的内壁尽可能光滑过渡和无缝连接，以保证气流在圆管内流动时，密封性性能好，以及损失小。所述自循环机构在压气机运行过程中将后周向槽的槽底的气体引回到前周向槽内，在压气机变工况运行时，动叶顶端的压力会随节流阀的关闭而逐渐升高，而使得抽吸量也会逐渐变大，使前周向槽和尾缘周向槽的扩稳能力得到提升，进而增强周向多槽的扩稳能力。
本实施例在完成靠近前周向槽和靠近后周向槽以及叶顶中部周向多槽设计之后，不仅可以充分利用周向多槽中间槽的扩稳能力，改善动叶叶顶前后缘周向槽的扩稳效果，抽吸和吹出周向槽槽底涡系结构提高压气机效率；还可以通过改变前后槽的开槽方向实现抽吸-喷射减弱叶顶间隙泄漏流波动的效果，最大程度地提高周向多槽的扩稳能力，尽量减小周向多槽对压气机效率的负面影响。
基于图5所示的压气机机匣，本发明还提供了一种轴流压气机。该轴流压气机包括：压气机机匣，该机匣为上述实施例所述的压气机机匣；设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；于机匣内侧沿机匣轴向设置的N片静叶；于轮毂外侧沿机匣轴向设置的M片动叶。其中，M和N均为大于等于1的整数，两者可以相等，也可以不相同。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。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。
至此，已经结合附图对本发明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机匣及应用其的压气机有了清楚的认识。
综上所述，本发明利用周向多槽中间槽位的扩稳能力以及通过自循环改善前后槽位扩稳能力的不足，最大程度实现失速裕度改善的目的，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，具有良好的推广应用前景。
还需要说明的是，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，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
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。
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，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 (10)
1.一种压气机机匣，其特征在于，包括：机匣本体和自循环机构；
在所述机匣本体内壁动叶顶端沿动叶前缘到尾缘开设有至少两个周向槽-靠近动叶前缘的前周向槽和靠近动叶尾缘的后周向槽；
在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面分别开设通孔，所述自循环机构密封固接于前周向槽和后周向槽的槽底通孔之间，将两者连通。
2.根据权利要求1所述的压气机机匣，其特征在于：
所述前周向槽的开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角大于90°；
所述后周向槽开槽方向与机匣径向的夹角大于0°，与机匣轴向进气方向的夹角小于90°。
3.根据权利要求1所述的压气机机匣，其特征在于，在所述前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面开设的通孔沿机匣壁面均匀设置。
4.根据权利要求1所述的压气机机匣，其特征在于，在前周向槽和后周向槽的槽底的机匣壁面开设数量相同的通孔，相互对应的前周向槽通孔和后周向槽通孔通过自循环机构连接起来，两者的连线与机匣轴向进气方向平行。
5.根据权利要求1所述的压气机机匣，其特征在于，所述自循环机构为管件。
6.根据权利要求5所述的压气机机匣，其特征在于，所述管件为圆管，所述圆管与前/后周向槽底通孔的连接部分的内壁与圆管内壁光滑过渡并无缝连接。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的压气机机匣，其特征在于，所述周向槽的个数为3个或以上；
所述前周向槽是最靠近动叶前缘的周向槽，所述后周向槽是最靠近动叶后缘的周向槽，在前周向槽和后周向槽之间还具有至少一个周向槽。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的压气机机匣，其特征在于，所述前周向槽和后周向槽的深宽比介于1～2之间。
9.一种轴流压气机，其特征在于，包括：
压气机机匣，为权利要求1至8中任一项所述的压气机机匣；
设置于压气机机匣中心轴位置的轮毂；
沿机匣轴向固定于机匣内侧的N片静叶；
沿机匣轴向固定于轮毂外侧的M片动叶；
其中，M和N均为大于等于1的整数。
10.根据权利要求9所述的轴流压气机，其特征在于，所述静叶和动叶交错排布。
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