CN107524637A - 一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计，属于叶轮机械技术领域；其在风扇机匣上沿轴向开有多条窄缝，并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝机匣处理结构的宽度覆盖整个叶顶轴向弦长。轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角方向旋转一定角度使之形成叶片角向缝机匣处理结构。叶片角向缝机匣处理结构的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向相适应，进而提高了引气、喷气量并减少了气流掺混损失；叶片角向缝机匣处理的扩稳能力增强，叶片角向缝机匣处理结构进一步提高综合失速裕度的同时降低了效率损失。
Description
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，具体地说，涉及一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计。
背景技术
当前相关研究人员一般采用两种方法来扩大压气机的稳定工作范围:一种是主动控制技术；另一种是被动控制技术，这种方法的特点是延迟压气机失稳的发生，或者在压气机进入失稳之后能够及时并迅速地退出来，常用的方式有①压气机中间级放气或末级放气，②可调进口导流叶片和静子叶片，③双转子或三转子发动机，④机匣处理。机匣处理具有结构简单，易于实施，有较强的扩稳能力和抗进口畸变能力的特点，这使得其在工程上得到了广泛的应用。文献“A Numerical Investigation of the Influence of casingtreatments on the Tip Leakage Flow in a HPC Front Stage.Proceedings of ASMETurbo Expo 2002,June 3-6,2002,Amsterdan,The Netherlands,GT-2002-30642”公开了一种轴向缝机匣处理方法，即在压气机机匣上沿轴向开一定数目的缝来延迟压气机失速。文献在某高压压气机前面级上的研究结果表明:轴向缝机匣处理能够获得6.5％的综合失速裕度改进量,但伴随5％的峰值效率损失。文献所述轴向缝机匣处理的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向不适应，即叶顶通道内的气流方向没有对准轴向缝机匣处理的开口面方向，造成引气、喷气量不大且带来明显的气流掺混损失，由于轴向缝机匣处理的扩稳能力与缝内回流量有关，从而减弱了轴向缝机匣处理的扩稳能力并降低了效率。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，克服轴向缝机匣处理的开口面方向不适应叶顶通道内的气流方向所造成的扩稳能力不强和效率损失较大的问题；本发明提出一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计。其将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角方向旋转一定角度使之形成叶片角向缝机匣处理结构，叶片角向缝机匣处理结构的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向相适应，提高了引气、喷气量并减少了气流掺混损失。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括轴向缝机匣处理结构和叶片角向缝机匣处理结构，其特征在于在风扇机匣上沿轴向开有多条窄缝并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝机匣处理结构的宽度覆盖整个叶顶轴向弦长；轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角方向旋转一定角度使之形成叶片角向缝机匣处理结构，叶片角向缝机匣处理结构的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向相适应，定义轴向缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的方向旋转为正；在窄缝的前端面位于距离叶顶前缘上游25％叶顶轴向弦长处，窄缝的后端面位于75％叶顶轴向弦长处，窄缝的缝深为20％的叶顶弦长，窄缝的中心偏移度为0.25，中心偏移度的定义为叶顶轴向弦长中心与机匣处理中心的轴向位置之差与叶顶轴向弦长之比，且定义机匣处理结构向叶片前缘前伸为正。
所述窄缝的缝宽/缝片宽为2/1，即开缝面积/处理面积为66.7％。
所述窄缝的开口面与轴向的夹角为34.5°。
有益效果
本发明提出的一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计,由于将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角方向旋转一定角度，使得新设计的叶片角向缝机匣处理结构的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向相适应，进而提高了引气、喷气量并减少了气流掺混损失，解决了轴向缝机匣处理结构的开口面方向不适应叶顶通道内的气流方向所造成的扩稳能力不强和效率损失较大的问题。在跨音速轴流风扇转子NASA Rotor67上开展两种缝式机匣处理结构的研究，一种是轴向缝机匣处理结构，另外一种是叶片角向缝机匣处理结构。结果表明，轴向缝机匣处理结构、叶片角向缝机匣处理结构获得的综合失速裕度改进量分别为15.39％、19.23％，峰值效率损失分比为3.49％、3.22％。即与轴向缝机匣处理结构相比，叶片角向缝机匣处理结构进一步提高了综合失速裕度的同时降低了效率损失。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计作进一步详细说明。
图1为轴向缝机匣处理结构轴测图。
图2为机匣处理结构开口面在风扇机匣上的轮廓示意图。
图3为本发明叶片角向缝机匣处理结构示意图。
图4为本发明叶片角向缝机匣处理结构开口面在风扇机匣上的轮廓图。
图中
1.轴向 2.周向 3.轴向缝机匣处理结构 4.叶顶 5.开口面 6.叶片角向缝机匣处理结构 7.前端面 8.后端面 9.叶片尾缘 10.叶片前缘
具体实施方式
本实施例是一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计。
参阅图1～图4，本实施例跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计，包括轴向缝机匣处理结构和叶片角向缝机匣处理结构；其在风扇机匣上沿轴向开有多条窄缝，并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构3，轴向缝机匣处理结构3的宽度覆盖整个叶顶4轴向弦长。轴向缝机匣处理结构3的开口面5沿叶片安装角方向旋转一定角度使之形成叶片角向缝机匣处理结构6，叶片角向缝机匣处理结构6的引气、喷气方向与叶顶4通道内的气流方向相适应，定义轴向缝机匣处理结构3开口面5沿叶片安装角的方向旋转为正。在窄缝的前端面7位于距离叶顶4前缘上游25％叶顶4轴向弦长处，窄缝的后端面8位于75％叶顶4轴向弦长处，窄缝的缝深为20％的叶顶4弦长，窄缝的中心偏移度为0.25，中心偏移度的定义为叶顶4轴向弦长中心与机匣处理中心的轴向位置之差与叶顶4轴向弦长之比，且定义机匣处理结构向叶片前缘10前伸为正。
本实施例跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计应用在跨音速轴流风扇转子NASA Rotor67上，该转子的基本参数如表1所示。
表1 NASA Rotor67基本参数
在风扇机匣上沿轴向1加工多条窄缝并沿周向2均匀布设形成轴向缝机匣处理结构3，轴向缝机匣处理结构3的处理宽度覆盖整个叶顶4轴向弦长。将轴向缝机匣处理结构3的开口面5沿叶片安装角方向旋转34.5°使之形成叶片角向缝机匣处理结构6，叶片角向缝机匣处理结构6的引气、喷气方向与叶顶4通道内的气流方向相适应。
本实施例中窄缝的前端面7位于距离叶顶4前缘上游25％叶顶4轴向弦长的风扇机匣处，后端面8位于75％叶顶4轴向弦长的风扇机匣处，即缝的中心偏移度为0.25。本实施例中窄缝的数量为9条，窄缝的缝宽/缝片宽为2/1，即开缝面积/处理面积为66.7％。窄缝的缝深为1.8137cm，即等于20％的叶顶4弦长；缝的开口面5与轴向1的夹角为34.5°。
轴向缝机匣处理结构、叶片角向缝机匣处理结构的主要几何结构参数如表2所示。
表2 两种机匣处理主要几何结构参数
在跨音速轴流风扇转子NASA Rotor67上开展轴向缝机匣处理结构，叶片角向缝机匣处理结构的非定常数值模拟研究，其实施过程如下:
1)使用NUMECA FINE/Turbo软件包的Igg/Autogrid模块生成风扇转子和机匣处理的数值计算网格。
2)使用NUMECA FINE/Turbo软件包的Euranus求解器对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，具体配置为，风扇转子的转速为16043r/min，空间离散采用Jameson有限体积中心差分格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对全三维雷诺时均方程在相对坐标系下进行求解，对于时间离散，定常计算时选择显式四阶Runge-Kuutta时间推进方法，同时加入二阶和四阶人工粘性项来消除数值计算中的伪数值计算振荡，并采用多重网格法、当地时间步长和隐式残差光顺方法来加快收敛速度；非定常计算时利用隐式双时间步方法，物理时间步设置为660，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为20。
3)获取数值计算结果并进行数据处理，获得轴向缝机匣处理结构、叶片角向缝机匣处理结构的综合失速裕度改进量和峰值效率改进量。
研究结果表明，叶片角向缝机匣处理结构获得的综合裕度改进量比轴向缝机匣处理结构的高3.84％，同时峰值效率损失比之低0.27％，即叶片角向缝机匣处理结构的扩稳能力比轴向缝机匣处理结构的更强，同时效率损失比之更小。
Claims (3)
1.一种跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计，包括轴向缝机匣处理结构和叶片角向缝机匣处理结构，其特征在于:在风扇机匣上沿轴向开有多条窄缝并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝机匣处理结构的宽度覆盖整个叶顶轴向弦长；轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角方向旋转一定角度使之形成叶片角向缝机匣处理结构，叶片角向缝机匣处理结构的引气、喷气方向与叶顶通道内的气流方向相适应，定义轴向缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的方向旋转为正；在窄缝的前端面位于距离叶顶前缘上游25％叶顶轴向弦长处，窄缝的后端面位于75％叶顶轴向弦长处，窄缝的缝深为20％的叶顶弦长，窄缝的中心偏移度为0.25，中心偏移度的定义为叶顶轴向弦长中心与机匣处理中心的轴向位置之差与叶顶轴向弦长之比，且定义机匣处理结构向叶片前缘前伸为正。
2.根据权利要求1所述的跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计，其特征在于:所述窄缝的缝宽/缝片宽为2/1，即开缝面积/处理面积为66.7％。
3.根据权利要求1所述的跨音速轴流风扇叶片角向缝机匣处理结构设计，其特征在于:所述窄缝的开口面与轴向的夹角为34.5°。
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