CN107202036B

CN107202036B - 一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣

Info

Publication number: CN107202036B
Application number: CN201710605421.0A
Authority: CN
Inventors: 柳阳威; 唐雨萌; 陆利蓬; 王鸣
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2037-07-24
Also published as: CN107202036A

Abstract

本发明涉及多级轴流压气机处理机匣，公开了一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，包括目标转子叶片、下游静子叶片、机匣及位于其内部的引气管结构；在目标转子叶尖前缘处机匣内部布置有贯通整个周向的导流腔结构，导流腔出口前沿周向均匀布置有用于调节射流方向的导流腔出口前导叶，且导叶的出口方向与目标转子叶尖预旋方向一致。根据多级压气机逐级加压的特点，在下游静子叶片组合抽吸槽与目标转子叶尖导流腔出口处压差作用下形成自适应的抽吸、射流，有效抑制压气机静子三维角区分离流动的同时通过与转子叶尖预旋方向一致的周向均匀射流避免了动叶旋转失速的过早发生，增加了转子叶片旋转稳定性及裕度，拓宽了压气机的稳定工作工况范围。

Description

一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣

技术领域

本发明涉及多级轴流压气机自循环处理机匣，尤其涉及一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣。

背景技术

压气机是航空燃气涡轮发动机的核心组成部件，由多级转子和静子顺序交错排列组成，其功用是提高气体压升；在压气机内部的流动中，由于流动空间小，流体所承受的逆压梯度作用强，具有复杂的涡系结构；位于静子端区的角区分离结构及位于转子叶尖的泄漏流结构是压气机内部主要的二次流结构，是压气机内部流动损失和堵塞的主要来源，对压气机的压比、效率、裕度等性能具有至关重要的影响，严重时会引起压气机的失速和喘振，带来灾难性后果；经过几十年的研究，众多科研工作者们已经对压气机静子角区流动及转子叶尖流动有了较深的认识，但由于其空间的局限性，流动的复杂性，目前还未能很好地根据已有的研究结果实现压气机内流动的有效控制；尤其是充分利用压气机内流动逐级增压的特点，通过某种自循环调节机构，同时利用并改善不利于性能的流动结构，达到提升压气机性能的目的。

对压气机静子而言，三维角区分离/失速所造成的流动拥堵使得压气机性能急剧下降；现代航空发动机的发展对压气机性能提出了更高要求，尤其是单级负荷的增大以及更宽的有效工作范围需求；然而随着压气机负荷的增大，三维角区分离程度急剧增大，有效工作攻角范围急剧缩减；目前，针对压气机静叶角区分离与失速的流动控制技术，从是否额外引入能量，主要可以分为主动控制技术和被动控制技术两大类：主动控制技术主要有等离子体激励，附面层吹吸技术、合成射流等；被动控制技术主要有旋涡发生器、翼刀、端壁造型等；主动控制技术中附面层抽吸技术具有适应范围广，收益明显的特点，但需要额外引入能量，不易于工程实现；现有的传统被动控制技术，不具有自适应性，有效工作的工况范围往往有限，未能解决工程上下一代高负荷压气机角区分离的问题。

对压气机转子而言，叶尖泄漏流动对压气机的稳定工作状态有着重要影响，由于转子前缘溢流所导致的旋转失速问题是制约发动机稳定工作的关键；通过在转子前缘叶尖处引入射流，可有效改善转子叶尖的泄漏流动，提高转子的失速裕度，起到较好的扩稳效果；传统的转子叶尖吹气技术多是主动控制，需额外引入能量，不利于工程实现；亦有采用自流通机匣的方案，但其射流出口沿周向间歇性阵列分布，无法形成周向均匀的射流，对流动的稳定性造成干扰。

研究手段的进步使得现代研究者们对压气机内部流动机理及性能特征的认识逐渐提升，其设计思路也对应发生了重大变化；压气机的研究出现了由局部单排甚至单个叶片/叶型的研究向全局多排叶片研究的转变，由孤立关注单排叶片设计工况性能到关注全局匹配后有效工况及性能特点的转变；因此，充分利用压气机逐级增压的流动特点，实现不同级间的自适应流场调控，是改善压气机流场结构，提升新一代高负荷压气机性能的一大策略。

发明内容

(一)待解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，在目标转子叶片下游的静子叶片端壁及吸力面布置有组合抽吸槽，在目标转子叶片叶尖前缘机匣处布置有与转子叶尖预旋方向一致的切向射流槽，并将两者通过布置在机匣内的引气管及抽吸气体稳压腔、射流气体导流腔连接起来；射流气体导流腔沿整个周向贯通，并通过位于其出口前的导流腔出口前导叶调节射流方向，获得周向均匀且与转子叶尖预旋方向一致的射流；在不同流动工况下，利用多级压气机逐级加压的特点，靠自身压差形成自适应的抽吸、射流，解决传统附面层抽吸、射流控制所需要额外引入能量问题，将主动控制化为被动控制；在非设计工况，目标转子叶片下游的静子角区抽吸量与目标转子叶片叶尖前缘机匣处的射流流量可通过抽吸槽、射流槽当地的压力实现自适应调节，在改善多级轴流压气机静子端区三维角区分离的同时，避免了动叶旋转失速等的过早发生，提高了压气机裕度，拓宽了压气机的稳定工作工况范围。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，包括目标转子叶片、下游静子叶片、机匣及位于机匣内部的引气管结构；所述目标转子叶片与机匣间具有叶顶间隙，在目标转子叶片叶尖前缘处机匣内部布置有贯通整个周向的射流气体导流腔结构；所述射流气体导流腔出口前沿周向均匀布置有用于调节射流方向的导流腔出口前导叶；所述导流腔出口前导叶的出口方向与目标转子叶尖预旋方向一致；所述下游静子叶片位于目标转子叶片下游，并带有抽吸槽结构；所述下游静子叶片的抽吸槽连接有抽吸气体稳压腔并与所述射流气体导流腔间通过位于机匣内部的引气管相联通；所述下游静子叶片位于目标转子叶片下游，可紧位于目标转子叶片后方或者与目标转子叶片间隔有多个转静子排；所述机匣内部的引气管严格密封且具有环向阵列结构，其数目等同于下游静子叶片的数目；所述下游静子叶片吸力面机匣侧、轮毂侧均沿展向布置有多个抽吸槽，每个抽吸槽的宽度为叶片弦长的2％，高度不超过叶片展向高度的20％，所述下游静子叶片机匣端壁、轮毂端壁在靠近吸力面侧沿流向自25％轴向弦长自尾缘处布置有单个抽吸槽，槽宽为2％到5％倍的叶片弦长值。

其中，所述下游静子叶片轮毂侧端壁抽吸槽由轮毂侧端壁抽吸槽导管I、轮毂侧端壁抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽由轮毂侧吸力面抽吸槽导管I、轮毂侧吸力面抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片机匣侧端壁抽吸槽由机匣侧端壁抽吸槽导管I、机匣侧端壁抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽由机匣侧吸力面抽吸槽导管I、机匣侧吸力面抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子内部气流导管II连接。

其中，所述下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连通位于机匣中的抽吸气体稳压腔；所述抽吸气体稳压腔沿周向阵列分布，其数目等同于下游静子叶片的数目，周向宽度取下游静子叶片机匣侧栅距的一半；所述抽吸气体稳压腔通过引气管连通所述射流气体导流腔。

其中，所述射流气体导流腔为全环通腔结构，且沿气流方向具有渐缩的流道截面；在所述射流气体导流腔出口前，周向阵列分布有导流腔出口前导叶；所述导流腔出口前导叶的高度与射流气体导流腔出口段的沿导叶展向的宽度相等；所述射流气体导流腔出口前导叶轴向弦长不大于目标转子叶片轴向间隙的80％；所述导流腔出口前导叶与机匣连接截面的稠度取1到2之间的值。

(三)有益效果

本发明提供的多级轴流压气机，具有以下有益效果：

(1)设置同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，利用多级压气机逐级加压的特点，通过目标转子叶尖前缘与下游静子叶片通道的压差作用形成自适应的抽吸、射流，避免了传统压气机静子叶片三维角区流动主动控制中附面层抽吸控制、转子叶尖前缘处机匣射流控制需要额外引入能量问题，将主动控制转变为被动控制。

(2)设置同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，通过布置在机匣内的引气管连接下游静子叶片抽吸气体稳压腔与目标转子叶尖前缘处端壁内侧射流气体导流腔，使得下游静子叶片角区的抽吸量与目标转子叶尖前缘处端壁的射流流量可通过抽吸槽、射流气体导流腔出口的当地压力差值实现自适应调节；通过全环的射流气体导流腔及布置在其出口前的用于调节射流方向的导流腔出口前导叶，形成周向均匀且与目标转子叶尖预旋方向一致的射流，在通过自适应抽吸有效抑制多级压气机静子端区三维角区分离流动的同时，通过与转子叶尖预旋方向一致的周向均匀射流改善了转子叶尖流动，避免了动叶旋转失速等的过早发生，解决了传统自流通处理机匣射流的周向不均匀问题，避免了针对静子角区分离的传统被动控制方法有效作用工况范围有限的问题，增加了转子叶片的旋转稳定性，提高了压气机裕度，拓宽了压气机的稳定工作工况范围。

附图说明

图1为一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣的剖视图；

图2为图1中I部分的放大图；

图3为图1中A-A截面示意图；

图4为图3中II部分的放大图；

图5为图1中B-B或C-C截面示意图；

图中，1：转子轮盘；2：下游静子叶片轮毂；3：下游静子叶片轮毂端壁抽吸槽；4：下游静子叶片尾缘；5：下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽；6：下游静子叶片轮毂端壁；7：下游静子叶片内部气流导管I；8：下游静子叶片内部气流导管II；9：下游静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽；10：下游静子叶片机匣端壁抽吸槽；11：抽吸气体稳压腔；12：机匣；13：引气管；14：下游静子叶片压力面；15：下游静子叶片机匣端壁；16：下游静子叶片；17：下游静子叶片前缘；18：目标转子叶片；19：转子叶片叶顶间隙；20：转子叶片叶尖；21：转子叶片前缘；22：导流腔出口前导叶；23：射流气体导流腔；24：导流腔出口前导叶前缘；25：导流腔出口前导叶尾缘；26：转子叶片叶尖截面；27：导流腔出口；28：下游静子叶片吸力面；29：下游静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽导管I；30：下游静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽导管II；31：下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽导管I；32：下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽导管II；33：下游静子叶片机匣侧端壁抽吸槽导管I；34：下游静子叶片机匣侧端壁面抽吸槽导管II；35：下游静子叶片轮毂侧端壁面抽吸槽导管I；36：下游静子叶片轮毂侧端壁面抽吸槽导管II。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1、图2所示，本发明的自循环处理机匣，包括目标转子叶片18、下游静子叶片16、机匣12及位于机匣12内部的引气管13结构；目标转子叶片18通过转子轮盘1与发动机轴连接，其叶尖20与机匣12间具有叶顶间隙19，下游静子叶片16位于目标转子叶片18下游，其16一侧与机匣12无缝连接，并具有机匣侧端壁15，另一侧连接有轮毂2，并具有轮毂侧端壁6。

如图5所示，在下游静子叶片16的吸力面28机匣侧端区、轮毂侧端区及机匣端壁15、轮毂端壁6布置有组合抽吸槽3，5，9，10结构；位于下游静子叶片16机匣侧吸力面28抽吸槽9有多个，均位于下游静子叶片吸力面28机匣侧角区，以一定的轴向弦长间隔均匀分布，其9宽度取为2％的静子叶片16中径处弦长，其9展向高度不超过静子叶片16总高度的20％；位于下游静子叶片轮毂侧吸力面28抽吸槽5有多个，均位于下游静子叶片吸力面28轮毂侧角区，以一定的轴向弦长间隔均匀分布，其宽度取为2％的叶片中径处弦长，其展向高度不超过下游静子叶片总高度的20％；位于下游静子叶片机匣侧吸力面28的抽吸槽9与位于下游静子叶片轮毂侧吸力面的抽吸槽5可具有不同的展向高度。在下游静子叶片机匣端壁15靠近下游静子叶片吸力面28处具有下游静子叶片机匣端壁抽吸槽10结构，抽吸槽10的宽度取为下游静子叶片16中径处叶片弦长的2％，抽吸槽10的流向位置起始于角区分离点前(25％轴向弦长位置之前)，终止于后面级静子叶片尾缘4处；在下游静子叶片轮毂端壁6靠近下游静子叶片吸力面28处同样具有下游静子叶片轮毂端壁抽吸槽3结构，抽吸槽3的宽度取为后面级静子叶片16中径处叶片弦长的2％，抽吸槽3的流向位置起始于角区分离点前(25％轴向弦长位置之前)，终止于后面级静子叶片尾缘4处。下游静子叶片机匣侧吸力面28抽吸槽9通过机匣侧吸力面28抽吸槽导管I29和机匣侧吸力面28抽吸槽导管II30分别与下游静子叶片16内部气流导管I7、下游静子叶片内部气流导管II8连接；下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽5通过轮毂侧吸力面抽吸槽导管I31和轮毂侧吸力面抽吸槽导管II32分别与下游静子叶片16内部气流导管I7、下游静子叶片16内部气流导管II8连接；下游静子叶片机匣端壁抽吸槽10通过机匣侧端壁抽吸槽导管I33、机匣侧端壁面抽吸槽导管II34分别与下游静子叶片16内部气流导管I7、下游静子叶片16内部气流导管II8连接；下游静子叶片轮毂端壁抽吸槽3通过轮毂侧端壁抽吸槽导管I35、轮毂侧端壁面抽吸槽导管II36分别与下游静子叶片16内部气流导管I7、下游静子叶片16内部气流导管II8连接。

如图1所示，下游静子叶片16内部气流导管I7、气流导管II8与机匣12内部的抽吸气体稳压腔11连接，如图3所示，机匣12内部的抽吸气体稳压腔11周向阵列布置，其数目等同于下游静子叶片16的数目，周向宽度为下游静子叶片16机匣侧栅距的一半。抽吸气体稳压腔通过机匣12内部的引气管13与射流气体导流腔23相连接。射流气体导流腔23具有全环通腔结构，其沿着气流方向具有渐缩的流道截面，在约束射流切向流动的同时，保证较大的总压恢复系数，减小流动损失。在射流气体导流腔23出口27前，周向阵列布置了一圈导流腔出口前导叶22，出口前导叶22的高度与导流腔23出口27段的沿导叶展向的宽度相等，出口前导叶22的轴向弦长不大于上游静子与目标转子叶片18间轴向间隙的80％，稠度可取1到2之间的值。射流气体导流腔23出口前导叶22的出口角与目标转子叶片18叶尖前缘处的预旋角度一致，使得射流气体导流腔23出口27的射流具有与转子叶片18叶尖前缘处理想气流同样的流动方向，得到更好的转子叶尖泄漏流动控制效果。

在自循环处理机匣工作时，来自于目标转子叶片18上游静子的气流作用于目标转子18，经过目标转子18进一步做功增压后，流向下游静子16。由于多级轴流压气机逐级增压的特点，位于下游的叶片通道具有比上游叶片通道更大的静压，因此在下游静子叶片16通道与上游目标转子18通道压差的作用下，位于下游的抽吸气体稳压腔11具有比上游射流气体导流腔出口处更大的压力。压差的作用使得下游静子叶片机匣侧吸力面28抽吸槽9、轮毂侧吸力面抽吸槽5，下游静子叶片机匣端壁抽吸槽10、轮毂端壁抽吸槽3吸入下游静子叶片16角区低能的附面层流体，进而抑制下游静子叶片16通道的三维角区分离流动，减弱因此造成的流动堵塞及损失，增大下游静子叶片16的扩压能力。该部分高压流体通过抽吸槽导管29-36进入下游静子叶片内部气流导管7，8，汇聚到抽吸气体稳压腔11中，通过位于机匣内部的引气管13通向射流气体导流腔23，并在射流气体导流腔23的导流作用下调整射流方向为切向，通过位于射流气体导流腔23出口前的导流腔出口前导叶22在导流腔出口27处形成周向均匀的与目标转子18叶尖前缘处预旋方向一致的射流，作用于目标转子18的叶尖间隙19，改善了目标转子叶尖20的间隙流动，有效防止了由于前缘溢流导致的旋转失速，增强了目标转子18的旋转稳定性，提高了裕度，拓宽了压气机的稳定工作工况范围。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，所不同之处在于目标转子与下游静子间具有多个转静子排。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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

1.一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，其特征在于：包括目标转子叶片、下游静子叶片、机匣及位于机匣内部的引气管结构；所述目标转子叶片与机匣间具有叶顶间隙，在目标转子叶片叶尖前缘处机匣内部布置有贯通整个周向的射流气体导流腔结构；所述射流气体导流腔出口前沿周向均匀布置有用于调节射流方向的导流腔出口前导叶；所述导流腔出口前导叶的出口方向与目标转子叶片叶尖预旋方向一致；所述下游静子叶片位于目标转子叶片下游，并带有抽吸槽结构；所述下游静子叶片的抽吸槽连接有抽吸气体稳压腔并与所述射流气体导流腔间通过位于机匣内部的引气管相联通；所述下游静子叶片位于目标转子叶片下游，可紧位于目标转子叶片后方或者与目标转子叶片间隔有多个转静子排；所述机匣内部的引气管严格密封且具有环向阵列结构，其数目等同于下游静子叶片的数目；所述下游静子叶片吸力面机匣侧、轮毂侧均沿展向布置有多个抽吸槽，每个抽吸槽的宽度为叶片弦长的2％，高度不超过叶片展向高度的20％，所述下游静子叶片机匣端壁、轮毂端壁在靠近吸力面侧沿流向自25％轴向弦长自尾缘处布置有单个抽吸槽，槽宽为2％到5％倍的叶片弦长值。

2.如权利要求1所述的一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，其特征在于，所述下游静子叶片轮毂侧端壁抽吸槽由轮毂侧端壁抽吸槽导管I、轮毂侧端壁抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片轮毂侧吸力面抽吸槽由轮毂侧吸力面抽吸槽导管I、轮毂侧吸力面抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片机匣侧端壁抽吸槽由机匣侧端壁抽吸槽导管I、机匣侧端壁抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接；所述下游静子叶片机匣侧吸力面抽吸槽由机匣侧吸力面抽吸槽导管I、机匣侧吸力面抽吸槽导管II分别与下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连接。

3.如权利要求2所述的一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，其特征在于，所述下游静子叶片内部气流导管I、下游静子叶片内部气流导管II连通位于机匣中的抽吸气体稳压腔；所述抽吸气体稳压腔沿周向阵列分布，其数目等同于下游静子叶片的数目，周向宽度取下游静子叶片机匣侧栅距的一半；所述抽吸气体稳压腔通过引气管连通所述射流气体导流腔。

4.如权利要求3所述的一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，其特征在于，所述射流气体导流腔为全环通腔结构，且沿气流方向具有渐缩的流道截面；在所述射流气体导流腔出口前，周向阵列分布有导流腔出口前导叶；所述导流腔出口前导叶的高度与射流气体导流腔出口段的沿导叶展向的宽度相等；所述导流腔出口前导叶轴向弦长不大于目标转子叶片与其相邻上游静子叶片间轴向间隙的80％；所述导流腔出口前导叶与机匣连接截面的稠度取1到2之间的值。