CN106870465A - 一种压气机、燃气轮机及压气机扩稳增效方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压气机、应用该压气机的燃气轮机以及压气机扩稳增效方法。所述压气机在高压级机匣壁面开设通孔,在低压级动叶叶顶机匣壁面开设通孔,在低压级静叶根部至叶表吸力面开设通孔,并依次连接所述高压级机匣壁面通孔、所述低压级动叶叶顶机匣壁面通孔、所述低压级静叶根部至叶表吸力面通孔,形成具有抽吸‑喷射功能的自循环机构。本发明利用压气机高压级抽吸的部分气体经所述自循环机构引回到低压级动叶叶顶前缘以及低压级静叶叶表吸力面分别进行喷气,拓宽压气机失速裕度,抑制流动分离,有效地改善了压气机效率。

Description

一种压气机、燃气轮机及压气机扩稳增效方法
技术领域
本发明涉及能源动力领域,尤其是一种压气机、应用此类压气机的燃气轮机以及压气机扩稳增效方法。
背景技术
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。动叶沿固定在轮毂上,能够随轮毂一起转动。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。多级轴流压气机就包括多个级。压气机级负荷提高,其稳定性是必须要解决的难题之一,例如如何抑制静叶大折转角吸力面分离、拓宽失速裕度以及确保压气机动叶转子的高负荷稳定运行等。在拓宽轴流压气机流动失稳裕度方面,除了在设计过程所采用的弯/掠技术等叶片造型以外,在原始叶片基础上所施加的流动失稳控制措施也比较多,主要包括周向槽和轴向缝机匣处理、叶顶喷气、自循环抽吸-喷气、等离子体控制、背腔式机匣处理、叶尖小翼以及导静叶联调等。周向槽和轴向缝机匣处理目前已经在真实航空发动机中得到了应用,其他扩稳措施大部分都还停留在实验室研究阶段。然而,周向槽和轴向缝机匣处理对效率的负面影响一直是制约其扩稳能力进一步提升的瓶颈。自循环抽吸-喷气作为一种能够兼顾稳定性和效率的压气机扩稳技术之一,充分利用压气机自身后端抽吸和前端喷气的优势,加之抽吸-喷气量可调使得其扩稳能力可根据各级失速监测信号可控的因素,在实际航空发动机和地面燃气轮机多级轴流压气机各级流动失稳控制上具有很好的应用前景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,为了能够至少在一定程度上地抑制因燃气轮机中低压压气机高负荷设计中静叶大折转角吸力面分离引起的效率损失,以及确保压气机动叶转子的高负荷稳定运行,并充分利用压气机后面高压级因放气或者涡轮冷却需求而抽吸的部分气体,本发明提供了一种能够将压气机后面高压级部分气流抽吸到前面低压级动叶叶顶前缘进行喷射以及到静叶叶表吸力面进行喷射相结合的压气机、应用此类压气机的燃气轮机以及压气机扩稳增效方法。
(二)技术方案
本发明提供的技术方案如下:
本发明提供了一种压气机,包括动叶、静叶、轮毂和机匣,所述动叶、静叶和轮毂均置于机匣内,所述动叶固定在轮毂并随轮毂一起转动,所述静叶固定在机匣上,所述动叶和静叶沿轮毂轴向方向间隔交错布置,并且沿所述轮毂的圆周方向上,一排动叶和紧随其后的一排静叶构成所述压气机的一个级,所述压气机从机匣的前端到后端工作压力逐级增大,其特征在于:在高压级机匣壁面开设有通孔;在低压级动叶叶顶机匣壁面开设有通孔;在低压级静叶根部至叶表吸力面开设有通孔;其中所述低压级和高压级是所述压气机中的任意两个级,并且,所述高压级的工作压力大于所述低压级;该压气机还包括自循环机构,所述自循环机构是依次连接所述高压级机匣壁面的通孔、所述低压级动叶叶顶机匣壁面的通孔、所述低压级静叶根部至叶表吸力面的通孔的连通装置。
所述连通装置是管道系统,所述管道系统的连接处内壁光滑过渡且无缝连接。所述低压级静叶根部至叶表吸力面的通孔是从所述静叶根部至叶表吸力面内嵌管道加工而成。所述自循环装置在低压级动叶叶顶机匣壁面附近设置有具备附壁效应的喷嘴喷嘴,所述喷嘴安装在动叶叶顶前缘,所述喷嘴喷射的气体作用于动叶叶顶间隙内部流动。所述自循环装置在低压级静叶根部附近设置有调节阀门。所述自循环装置在低压级动叶顶部机匣附近设置有调节阀门。所述压气机的低压级静叶尾缘为厚尾缘半圆柱结构。在所述压气机的静叶叶表吸力面开设喷气缝,所述喷气缝与所述低压级静叶根部至叶表吸力面开设的通孔连通,能够沿着喷气缝处的静叶吸力面型线切向方向进行喷气。
本发明还提供了一种使用上述压气机的燃气轮机。
本发明另外还提供了一种利用上述压气机进行扩稳增效方法,通过所述自循环机构将压气机高压级的部分气体分别引回至低压级动叶叶顶前缘、低压级静叶叶表吸力面,进行喷气。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、本发明通过在压气机后面高压级机匣壁面与前面低压级动叶叶顶机匣壁面、低压级静叶根部至叶表吸力面之间设置自循环机构,利用高压级与低压级动叶叶顶、静叶叶表吸力面之间的静压差,将高压级抽吸的部分气体通过该自循环机构分别引回到低压级动叶叶顶、低压级静叶叶表吸力面进行喷气,达到提高稳定性裕度的目的。
2、本发明将高压级抽吸的部分气体通过该自循环机构分别引回到低压级动叶叶顶进行喷射,可以通过高速气流改变叶顶间隙的大小,从而减小叶顶间隙泄漏的程度,进一步抑制动叶叶顶间隙泄漏流与主流交界面前缘溢出,实现扩稳的目的。
3、本发明通过在将压气机高压级抽吸的部分气流引回到低压级静叶叶表吸力面通过喷气缝沿着静叶吸力面型线切向方向进行喷气,吹除附面层分离涡,抑制静叶吸力面的分离损失,达到改善压气机效率的目的
4、本发明对静叶的尾缘采用厚尾缘半圆柱设计结构,有利于静叶附面层和叶表喷气的附壁效果,并在尾缘处形成环量绕流,抑制尾缘的分离涡发展,进一步改善高负荷压气机效率。
5、本发明采用的自循环机构主要使用一段圆管。该圆管将高压级机匣壁面、低压级动叶叶顶机匣壁面、低压级静叶根部至叶表吸力面依次连接,并使圆管内壁和连接位置处尽可能光滑过渡和无缝连接。这样保证气流在圆管内流动时,密封性能好,损失尽可能小。
6、本发明的自循环机构的管道可以根据现场管道布置灵活调整,基本不影响整个燃气轮机/航空发动机的整体布局。
附图说明
图1是根据本发明的一种压气机实施例的结构示意图;
图2是根据本发明实施例的大折转角静叶叶表吸力面气流分离的结构示意图;
图3是根据本发明实施例的静叶叶表吸力面的喷气缝以及厚尾缘半圆柱示意图;
图4是根据本发明实施例的燃气轮机结构框图。
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,对本发明作进一步的详细说明。
为了提高推重比和降低耗油率,现代涡扇发动机追求高涵道比,高压比和高涡轮前温度。其中整个压气机总压比是关键性能指标之一,例如,GE9x的压比能够达到60(含风扇的根部)!我国正在研制的某型商用航空发动机CJx,设计总压比达到43。燃气轮机的增压靠三个部分来完成,首先是风扇的根部和内涵道相匹配的部分,其次是低压压气机(又称Booster,常被翻译为增压级),最后是高压压气机(又称核心机压气机)。这三部分的压比分配也非常关键。转速最高的高压压气机是核心机的一个重要部件,它的研发需要很长时间的经验积累,在航空发动机领域,研发成功一款核心机往往需要数十年时间和百亿美元级别的投入,因此研发成功之后通常不愿做大改动,由一款核心机可以衍生出多款不同的发动机。而为了降低耗油率,涵道比不断提高,风扇叶片越来越长(我国的CJx的涵道比达到9.2),因而受结构强度的限制风扇转速越来越慢(CJx的风扇转速仅为3500rpm)。这样一来,低压压气机的增压能力非常弱,如CJx的低压压气机有三级,总压比为1.4。要想继续提升整机压比,不仅要研发高性能的高压核心机,还应该在提高低压压气机压比/负荷方面开展相关工作。
经调研,发现CJx的低压压气机单级载荷系数还不到0.4,而2011年剑桥大学报告了一个载荷系数达到0.65的低压压气机设计,可见CJx的压比/级负荷具有非常可观的提升空间。如果能将其载荷系数提升至0.6以上,3级低压压气机总压比可提升至1.77,在风扇和高压压气机总压比不变的情况下,压气机整机总压比将达到55以上。如果想要维持原有总压比,则可以减少高压压气机级数,进而使发动机推重比得到大幅度提升。因此,开发高负荷低压压气机对提升我国民用航空发动机的性能具有重要意义。
然而,低压压气机转速受风扇限制,半径受涵道比限制,常规手段提高负荷遭遇瓶颈。因此,必须采用新概念来突破常规压气机的负荷限制。高负荷使得压气机内部流动变得非常复杂。对转子来说,流量范围变窄,失速裕度变小。对静子来说,扩压因子逼近或超过极限,角区分离加剧,角区失速严重。这些是制约压气机负荷提高的主要因素。
提高压气机级负荷的方法有可控扩散型叶片,大小叶片,低展弦比,吸气式设计等技术。目前的高负荷压气机设计基本上是针对高压压气机开展的,比较流行的吸气式压气机设计概念并不适用于低压压气机的高负荷设计。对于低压压气机高负荷设计开展的相关研究工作比较少,大部分研究工作都集中在低压压气机的稳定性和效率上。自循环抽吸-喷气作为一种能够兼顾稳定性和效率的压气机扩稳技术之一,充分利用了压气机自身后端抽吸和前端喷气的优势,加之抽吸-喷气量可调使得其扩稳能力可根据各级失速监测信号进行控制,具有很好的扩稳增效能力。
本发明提供了一种压气机,包括动叶、静叶、轮毂和机匣,所述动叶、静叶和轮毂均置于机匣内,所述动叶固定在轮毂并随轮毂一起转动,所述静叶固定在机匣上,所述动叶和静叶沿轮毂轴向方向间隔交错布置,并且沿所述轮毂的圆周方向上,一排动叶和紧随其后的一排静叶构成所述压气机的一个级,所述压气机从机匣的前端到后端工作压力逐级增大。在高压级机匣壁面开设有通孔;在低压级动叶叶顶机匣壁面开设有通孔;在低压级静叶根部至叶表吸力面开设有通孔;其中所述低压级和高压级是所述压气机中的任意两个级,并且,所述高压级的工作压力大于所述低压级。该压气机还包括自循环机构,所述自循环机构是依次连接所述高压级机匣壁面的通孔、所述低压级动叶叶顶机匣壁面的通孔、所述低压级静叶根部至叶表吸力面的通孔的连通装置。
本发明的压气机是在燃气轮机高负荷低压压气机气动设计基础上,从后面高压级机匣壁面到前面低压级动叶叶顶机匣壁面、低压级静叶根部至叶表吸力面之间设置自循环机构,利用高压级与低压级之间的静压差,将高压级抽吸的部分气体通过该自循环机构引回到低压级动叶叶顶前缘、低压级静叶表吸力面进行喷气。
本发明同时提供了一种燃气轮机,该燃气轮机包括低压压气机,该低压压气机在燃气轮机高负荷低压压气机气动设计基础上,从后面高压级机匣壁面到前面低压级动叶叶顶机匣壁面、低压级静叶根部至叶表吸力面之间设置自循环机构,利用高压级与低压级之间的静压差,将高压级抽吸的部分气体通过该自循环机构引回到低压级动叶叶顶前缘、低压级静叶表吸力面进行喷气。
本发明还提供了一种压气机扩稳增效方法,充分利用燃气轮机高负荷低压压气机前面高压级用于放气或者涡轮冷却抽吸的高压流体,回引部分气流分别到达前面低压级动叶叶顶前缘和低压级静叶叶表吸力面进行喷气。在低压级动叶叶顶前缘的喷气能够延缓主流与泄漏流交界面的前移,达到改善失速裕度的目的。在低压级静叶叶表吸力面的喷气,以及将静叶设计成厚尾缘半圆柱结构,可以达到抑制静叶吸力面分离涡发展,诱导主流在尾缘形成环量绕流,进一步实现对分离的抑制,达到改善压气机高负荷气动设计的效率。本发明方法能够同时实现对失速裕度和效率改善的双重目的,使轴流压气机能够在高压比、高效率、宽失速裕度的工况下运行。
本发明的压气机可以沿机匣轴向形成多套自循环机构。所谓多套自循环机构是指在后面高压级机匣壁面开设多个通孔,在前面低压级动叶叶顶机匣壁面和静叶根部至叶表吸力面开设多个通孔。依次密封连接后面高压级机匣壁面通孔和前面低压级动叶叶顶机匣壁面通孔和静叶根部至叶表吸力面通孔,形成自循环机构,并确保连接处光滑过渡且无缝连接。在高压级机匣壁面开设的多个通孔,是在高压级动叶或者静叶机匣壁面加工一定数量的通孔,高压级内部的高压流体会在静压的推动下从机匣壁面的通孔中引出。在动叶叶顶机匣壁面开设的多个通孔,是在数值计算和实验验证的基础上加工一定数量的喷嘴,喷射的气体应具有好的附壁效果,尽可能作用于动叶叶顶间隙内部流动,并且喷嘴应安装动叶叶顶前缘,具体位置依据数值和实验优化结果确定。在静叶根部至叶表吸力面的通孔,是在静叶根部与叶表吸力面之间内嵌管道,然后加工形成。高压级抽吸的部分气体一方面通过静叶内部径向通孔向气流通道内径向喷气;另一方面,在低压级静叶吸力面上开设喷气缝,与上述静叶根部至叶表吸力面开设的通孔连通使得一部分气体也可以沿该喷气缝处的静叶吸力面型线切向方向进行喷气。在低压级静叶叶表吸力面喷气缝处沿着静叶吸力面型线切向方向喷气,抑制了因高负荷气动设计所采用的大转折角静叶片引起的吸力面严重分离,从而在保证高负荷前提下,使压气机在高效率条件运行,有利于燃气轮机推力和燃油效率提高。
进一步的,在低压级动叶叶顶机匣壁面通孔位置安装具备附壁效应的喷嘴,并经由调节阀门与自循环装置连接,当压气机在高压比小流量工况运行时,为保证压气机能安全稳定运行,可通过开启调节阀门实现动叶叶顶前缘喷气,有效作用于叶顶间隙内部的非定常波动,从而达到拓宽失速裕度的目的。同时,在低压级动叶叶顶机匣通孔附近和低压级静叶根部通孔附近分别设置有调节阀。当压气机处于变工况运行时,可通过调节阀门分别控制低压级动叶叶顶机匣壁面和静叶叶表吸力面的喷气量大小。根据实际运行工况条件下静叶叶表分离程度调节喷气量,以及压升特性线向失速边界线靠近的程度调节动叶叶顶前缘的喷气量,可以达到根据需求实现对压气机效率和稳定性的灵活改善。
另外,本发明的压气机的静叶采用厚尾缘半圆柱设计结构,在静叶尾缘形成圆柱绕流,同时在低压级静叶叶表吸力面开设一定长度和宽度的喷气缝,并使该喷气缝与该低压级静叶的根部至叶表吸力面开设的通孔连通,从而使后面高压级抽吸的气体在静压的推动下从静叶叶表吸力面开设的喷气缝中顺着来流方向轴向方向喷射,有利于静叶附面层和叶表喷气的附壁效果,并在尾缘处形成环量绕流,抑制尾缘的分离涡发展,进一步改善高负荷压气机效率。
图1是根据本发明的一种压气机的实施例的结构示意图。如图1所示,压气机1包括自循环机构100、多级静叶200、多级动叶300、轮毂400和机匣500。连接多级压气机100后面的高压级叶顶机匣500壁面通孔与前面低压级动叶300的叶顶机匣500的壁面通孔、低压机静叶200根部至叶表吸力面的通孔形成自循环机构100,利用高压级与低压级动叶300的叶顶和低压级静叶200的叶表吸力面的静压差,将高压级抽吸的部分气体通过自循环机构100引回到低压级动叶300叶顶、低压级静叶200叶表吸力面进行喷气。在低压级动叶300叶顶喷气能够达到提高稳定性裕度的目的。在低压级静叶200叶表吸力面喷气,结合静叶200厚尾缘半圆柱设计结构,可以实现改善压气机效率的目的。
本实施例的压气机1的低压级静叶200的根部至叶表吸力面的通孔101,是从静叶根部至叶表吸力面内嵌管道加工而成。自循环装置100在低压级动叶300叶顶机匣壁面附近设置有喷嘴102,该喷嘴102安装在动叶叶顶300前缘,喷嘴300喷射的气体作用于动叶叶顶间隙内部流动。自循环装置100在低压级静叶根部附近设置有调节阀门103,在低压级动叶300顶部机匣附近设置有调节阀门103。
本实施例的压气机1,首先通过数值计算方法,开展符合压升和轴向尺寸要求的低压压气机高负荷气动设计。在初步完成气动设计的基础上,对设计的叶型开展相关实验验证。然后对该高负荷叶型开展全三维高精度数值模拟,首先分析动叶叶顶间隙内部非定常流动,在此基础上,通过在动叶叶顶机匣前缘安装喷气孔,并施加一定喷气量,对喷嘴结构和喷气位置进行优化,具体详细的结构和位置需要通过数值计算给出定性的判断。
图2是根据本发明实施例的大折转角静叶叶表吸力面气流分离的结构示意图。如2所示,分析高负荷叶型大折转角静叶叶表的流动特性。大折转角静叶200吸力面会产生严重分离,并大幅度降低压气机效率,影响燃气轮机性能。图3是根据本发明实施例的静叶叶表吸力面喷气缝以及厚尾缘半圆柱示意图。如图4所示,根据数值计算定性给出静叶200叶表分离和角区分离发生的位置,在此基础上,在静叶200叶表吸力面开设一定长度和宽度的喷气缝201,并使该喷气缝201与该低压级静叶200的根部至叶表吸力面开设的通孔101连通,从而使后面高压级抽吸的气体会在静压的推动下从静叶200叶表吸力面开设的喷气缝201中顺着来流方向沿着静叶吸力面型线切向方向喷射,这样可以减小静叶200叶表吸力面的主流的分离涡发展,减小分离损失,有助于改善压气机效率。于此同时,为了更好地抑制静叶200尾缘分离涡发展,本实施例提出将静叶200尾缘设计成厚尾缘半圆柱结构,使得流体在静叶200尾缘处能够在喷气速度诱导下形成环量绕流,进一步达到改善压气机效率的目的。
为了提高压气机级负荷已达到更高压比的要求,在保证转速没有大幅度提高甚至是不变的前提下,一般将静叶200设计成大转折角扩压方式。而这种处理方式会造成静叶200叶表吸力面出现严重分离,使得压气机效率急剧下降,从而影响压气机和燃气轮机的性能。因此为了解决大折转角静叶200叶表吸力面分离问题,针对高压压气机可以采用吸气式高负荷气动设计概念,该方法通过高压压气机与大气环境或者涡轮部件之间静压差将静叶200叶表吸力面的分离涡抽走,达到抑制分离的目的。而针对前面低压压气机,由于静压比较低,无法采用吸气式高负荷气动设计概念提高其压比。而且至今也没有形成很好的解决办法。另外,高负荷气动设计,一定伴随着动叶300内部更复杂的流动,使得稳定性问题也非常突出,目前广泛采用周向槽和轴向缝均因为伴随效率损失给设计者们带来了相当打的难度。基于此,在后面高压级机匣壁面与前面低压级动叶300叶顶机匣壁面和静叶200根部之间布置相应的管道,形成自循环机构100,充分利用后面高压级与前面低压级之间的静压差,使压气机内部的主流自循环到前面的低压压气机动叶300叶顶前缘和静叶200叶表吸力面进行喷射。其中,动叶300叶顶前缘的喷嘴102根据数值计算和实验验证的结果进行优化设计加工,并使其喷射出的流体具有好的附壁效果,尽可能地作用于动叶300叶顶间隙内部的端区流动。静叶200叶表吸力面的喷气缝201的位置和结构根据数值计算和实验优化结果确定,主要依据叶表分离和角区分离形成的位置判断,在此基础,在静叶200内部内嵌管道,然后加工成型。待喷嘴102和静叶200叶片加工成型安装完成之后,将喷嘴102、静叶根部与高压级机匣壁面的通孔101采用圆管进行无缝固接,并通过调节阀门控制动叶300和静叶200喷射流量。
实际应用中,由于大多数是多级压气机环境,包括轴流压气机100和离心压气机的组合。此时就可以从后面高压级引回高压气流到低压级动叶300叶顶前缘、低压级静叶200叶表吸力面进行喷气,能够有效的改善前面低压压气级因高负荷设计而引起的静叶叶表吸力面严重分离和动叶叶顶间隙内部复杂非定常流动。
图4是根据本发明实施例的燃气轮机结构框图。如图4所示,本发明实施例的燃气轮机2包括压气机1。由于压气机1中使用自循环机构100提高了压气机整体的稳定性和效率,从而进一步改善了燃气轮机2的整机效率。压气机1高压级抽吸的部分气体通过静叶叶表吸力面上的喷气缝201在低压级静叶200叶表吸力面进行沿着静叶吸力面型线切向方向喷气,抑制了因高负荷气动设计所采用的大转折角静叶200叶片引起的吸力面严重分离,从而在保证高负荷前提下,使压气机1高效率运行,提高了燃气轮机2推力和燃油效率提高。
以上的具体实施例,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,包括动叶、静叶、轮毂和机匣,所述动叶、静叶和轮毂均置于机匣内,所述动叶固定在轮毂并随轮毂一起转动,所述静叶固定在机匣上,所述动叶和静叶沿轮毂轴向方向间隔交错布置,并且沿所述轮毂的圆周方向上,一排动叶和紧随其后的一排静叶构成所述压气机的一个级;所述压气机从机匣的前端到后端工作压力逐级增大,其特征在于:
在高压级机匣壁面开设有通孔;在低压级动叶叶顶机匣壁面开设有通孔;在低压级静叶根部至叶表吸力面开设有通孔;其中所述低压级和高压级是所述压气机中的任意两个级,并且,所述高压级的工作压力大于所述低压级;
该压气机还包括自循环机构,所述自循环机构是依次连接所述高压级机匣壁面的通孔、所述低压级动叶叶顶机匣壁面的通孔、所述低压级静叶根部至叶表吸力面的通孔的连通装置。
2.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述连通装置是管道系统,所述管道系统的连接处内壁光滑过渡且无缝连接。
3.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述低压级静叶根部至叶表吸力面的通孔,是从所述静叶根部至叶表吸力面内嵌管道加工而成。
4.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述自循环装置在低压级动叶叶顶机匣壁面附近设置有喷嘴,所述喷嘴安装在动叶叶顶前缘,所述喷嘴喷射的气体作用于动叶叶顶间隙内部流动。
5.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述自循环装置在低压级静叶根部附近设置有调节阀门。
6.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述自循环装置在低压级动叶顶部机匣附近设置有调节阀门。
7.根据权利要求1所述的压气机,其特征在于,所述压气机的静叶尾缘为厚尾缘半圆柱结构。
8.根据权利要求7所述的压气机,其特征在于,在所述压气机的低压级静叶叶表吸力面开设喷气缝,所述喷气缝与所述低压级静叶根部至叶表吸力面开设的通孔连通;所述喷气缝能够沿着该喷气缝处的静叶吸力面型线切向方向进行喷气。
9.一种燃气轮机,包括权利要求1~8任意一项所述的压气机。
10.一种利用权利要求1~8任意一项所述的压气机进行扩稳增效方法,其特征在于,
通过所述自循环机构将压气机高压级的部分气体分别引回至低压级动叶叶顶前缘、低压级静叶叶表吸力面,进行喷气。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107165864A (zh) * 2017-07-24 2017-09-15 北京航空航天大学 一种转静叶联合自适应调节的多级轴流压气机
CN107191412A (zh) * 2017-07-24 2017-09-22 北京航空航天大学 一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机
CN107202036A (zh) * 2017-07-24 2017-09-26 北京航空航天大学 一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣
CN109458359A (zh) * 2018-12-26 2019-03-12 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种提高氦气压气机单级压比的叶型
CN113007139A (zh) * 2021-03-12 2021-06-22 西北工业大学 一种压气机可调控耦合式机匣处理扩稳方法
CN113007138A (zh) * 2021-03-12 2021-06-22 西北工业大学 一种压气机前置组合式机匣设计方法
CN113792502A (zh) * 2021-09-15 2021-12-14 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种燃气轮机压气机低转速下中间级防喘放气流量设计方法
CN114925488A (zh) * 2022-03-02 2022-08-19 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种船用燃气轮机多级低压压气机动静叶片负荷分配方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101713415A (zh) * 2009-12-07 2010-05-26 哈尔滨工业大学 一种在转静干涉条件下的大折转角叶型分离流动控制方法
FR2914705B1 (fr) * 2007-04-06 2012-04-27 Snecma Compresseur de turbomachine avec trous de prelevement d'air
CN103967843A (zh) * 2013-02-04 2014-08-06 中国科学院工程热物理研究所 压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法
CN103994101A (zh) * 2013-02-19 2014-08-20 中国科学院工程热物理研究所 基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法
CN104405685A (zh) * 2014-11-20 2015-03-11 哈尔滨广瀚燃气轮机有限公司 一种改善压气机性能用自循环与周向槽混合式处理机匣
CN105927560A (zh) * 2016-06-28 2016-09-07 中国科学院工程热物理研究所 一种具有扩稳增效装置的压气机
CN106151113A (zh) * 2016-07-01 2016-11-23 中航空天发动机研究院有限公司 一种新型自循环多级轴流压气机

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2914705B1 (fr) * 2007-04-06 2012-04-27 Snecma Compresseur de turbomachine avec trous de prelevement d'air
CN101713415A (zh) * 2009-12-07 2010-05-26 哈尔滨工业大学 一种在转静干涉条件下的大折转角叶型分离流动控制方法
CN103967843A (zh) * 2013-02-04 2014-08-06 中国科学院工程热物理研究所 压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法
CN103994101A (zh) * 2013-02-19 2014-08-20 中国科学院工程热物理研究所 基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法
CN104405685A (zh) * 2014-11-20 2015-03-11 哈尔滨广瀚燃气轮机有限公司 一种改善压气机性能用自循环与周向槽混合式处理机匣
CN105927560A (zh) * 2016-06-28 2016-09-07 中国科学院工程热物理研究所 一种具有扩稳增效装置的压气机
CN106151113A (zh) * 2016-07-01 2016-11-23 中航空天发动机研究院有限公司 一种新型自循环多级轴流压气机

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107165864A (zh) * 2017-07-24 2017-09-15 北京航空航天大学 一种转静叶联合自适应调节的多级轴流压气机
CN107191412A (zh) * 2017-07-24 2017-09-22 北京航空航天大学 一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机
CN107202036A (zh) * 2017-07-24 2017-09-26 北京航空航天大学 一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣
CN107191412B (zh) * 2017-07-24 2020-10-23 北京航空航天大学 一种前后级静子自适应吹吸气的多级轴流压气机
CN109458359A (zh) * 2018-12-26 2019-03-12 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种提高氦气压气机单级压比的叶型
CN113007139A (zh) * 2021-03-12 2021-06-22 西北工业大学 一种压气机可调控耦合式机匣处理扩稳方法
CN113007138A (zh) * 2021-03-12 2021-06-22 西北工业大学 一种压气机前置组合式机匣设计方法
CN113792502A (zh) * 2021-09-15 2021-12-14 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种燃气轮机压气机低转速下中间级防喘放气流量设计方法
CN113792502B (zh) * 2021-09-15 2024-04-02 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种燃气轮机压气机低转速下中间级防喘放气流量设计方法
CN114925488A (zh) * 2022-03-02 2022-08-19 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种船用燃气轮机多级低压压气机动静叶片负荷分配方法
CN114925488B (zh) * 2022-03-02 2024-09-20 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种船用燃气轮机多级低压压气机动静叶片负荷分配方法

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