CN107575417A - 一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其在机匣壁面上开设T型槽安装合成射流发生器；合成射流发生器位于转子叶片前缘上游，通过合成射流发生器对流场周期性激励，向流场注入了能量。周期性激励的抽吸过程可吸除射流孔附近附面层内的低能流体，射流过程可提高射流孔附近流体的动能，周期性激励形成的涡结构随主流向下游发展，加强了主流与分离区低能流体之间的质量与动量交换，增加低能区流体的能量，削弱了分离区。在特定的合成射流频率下，射流发生器向流场施加的扰动与叶顶泄漏流的非定常扰动耦合，削弱了叶顶泄漏流的非定常性。改善了压气机转子叶顶的流动环境，减小了损失，拓宽了压气机的稳定工作范围。

Description

一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置

技术领域

本发明涉及叶轮机械技术领域，具体地说，涉及一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置。

背景技术

合成射流是一种将吸气和喷气周期性结合的射流方式。基于涡运动理论，合成射流技术越来越多的被用为一种流动控制手段。现阶段合成射流在提高翼型升力，延缓机翼失速，增强航空发动机燃烧室燃料掺混程度，控制涡轮叶栅分离等方向的研究和应用取得了较大的进展，但是在压气机中，合成射流技术并没有得到实际应用。机匣处理是提高压气机稳定性的一种重要手段，其中，喷气和抽吸是两种主要的机匣处理方式，传统的喷气和抽吸虽然在压气机扩稳上取得了一定效果，但是这两种方法都必须将压气机与外界连通，增加了设备的负杂性，极大地限制了其应用范围，以至于消除了其在航空发动机上应用的可行性。合成射流方法，平均流量为零，而动量通量不为零，除了兼具传统单一喷气与抽吸的特点，同时增大了来流的湍流度，向流场中施加的非定常扰动可以与泄漏流的非定常扰动耦合，改善叶顶流场，并且不用外加气源，结构简单，是一种应用前景十分广阔的机匣处理方式。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置；该装置将合成射流技术应用于压气机，在机匣壁面上开设射流孔，安装合成射流发生器，削弱压气机转子叶顶的气体分离，抑制叶顶泄漏流的非定常性，从而达到扩稳和提高压缩效率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括机匣、转子叶片、合成射流发生器，在机匣上开有T型槽，合成射流发生器安装在机匣T型槽内；所述合成射流发生器包括腔体、金属膜、压电层和第一固体块、第二固体块，金属膜位于腔体内上部,金属膜用于安装并支持压电层，压电层固定在金属膜下面与位于腔体下部的第一固体块、第二固体块形成的射流孔相对,第一固体块和第二固体块装卡在机匣内侧壁的槽肩处,第一固体块和第二固体块与腔体之间装夹有柔性连接件，第一固定锁块与第二固定锁块分别固定在腔体上面靠紧机匣内侧壁；压电层的作用是周期性振动以产生周期性射流。

所述射流孔的轴向尺寸为2mm,周向覆盖角度为6°，内壁型线为圆弧形,且与转子旋转轴之间的夹角为45°；射流孔的轴向对称中心位于转子叶顶前缘上游9％轴向弦长处。

所述机匣上T型槽的对称面位于转子叶顶前缘上游10％轴向叶顶弦长处；两个槽肩轴向尺寸相同，槽肩用于固定合成射流发生器。

所述合成射流发生器位于转子叶片前缘上游，合成射流发生器沿周向均布为多个。

所述机匣与合成射流发生器之间装夹有柔性材料。

有益效果

本发明提出的一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其将合成射流技术应用于压气机，在机匣壁面上开设T型槽安装合成射流发生器；合成射流发生器由腔体、金属薄膜、压电层与两个固体块组成，合成射流发生器位于转子叶片前缘上游，通过合成射流发生器对流场周期性激励，在不需外加气源的条件下向流场注入了能量。周期性激励的抽吸过程可以吸除射流孔附近附面层内的低能流体，射流过程可以提高射流孔附近流体的动能，与此同时，周期性激励形成的涡结构随主流向下游发展，加强了主流与分离区低能流体之间的质量与动量交换，从而增加了低能区流体的能量，削弱了分离区。在特定的合成射流频率下，射流器向流场施加的扰动与叶顶泄漏流的非定常扰动耦合，削弱了叶顶泄漏流的非定常性。改善了压气机转子叶顶的流动环境，减小了损失，拓宽了压气机的稳定工作范围。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置作进一步详细说明。

图1为本发明的合成射流发生器示意图。

图2为本发明的合成射流发生器与机匣的装配示意图。

图3为合成射流发生器的射流孔与转子叶片相对位置示意图。

图中

1.腔体 2.金属膜 3.压电层 4.柔性连接件 5.第一固体块 6.第二固体块 7.射流孔 8.第一固定锁块 9.第二固定锁块 10.机匣 11.机匣壁 12.槽肩 13.射流孔投影14.转子叶片

具体实施方式

本实施例是一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置。

参阅图1、图2、图3，本实施例基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，包括机匣10、转子叶片13、合成射流发生器，在机匣上开有T型槽，合成射流发生器安装在机匣T型槽内。

合成射流发生器由腔体1、金属膜2、压电层3和第一固体块5、第二固体块6组成，金属膜2位于腔体1内上部,金属膜2用于安装并支持压电层3；压电层3固定在金属膜2下面与位于腔体1下部的第一固体块5、第二固体块6形成的射流孔7相对,第一固体块5和第二固体块6装卡在机匣10内侧壁的槽肩12处,第一固体块5和第二固体块6与腔体1之间装夹有柔性连接件4。第一固定锁块8与第二固定锁块9分别固定在腔体1上面靠紧机匣侧壁11。压电层3的作用是周期性振动以产生周期性射流。射流孔7的轴向尺寸为2mm,周向覆盖角度为6度，内壁型线为圆弧形,且与转子旋转轴之间的夹角为45度；射流孔7的轴向对称中心位于转子叶顶前缘上游9％轴向弦长处。机匣T型槽的对称面位于转子叶顶前缘上游10％轴向叶顶弦长处；两个槽肩轴向尺寸相同，槽肩用于固定合成射流发生器；合成射流发生器位于转子叶片前缘上游，合成射流发生器沿周向均布为多个。安装时，机匣10与射流发生器之间装夹有柔性材料。

实施例

本实施例是应用在某轴流压气机实验室的孤立转子上，转子的设计参数如下:

表1转子的设计参数

图1所示的合成射流发生器剖面结构是沿叶轮回转轴线旋转6°得到。合成射流发生器由腔体1、金属膜2、压电层3和第一固体块5、第二固体块6组成。其中，金属膜2固定在腔体1内上部，金属膜2用于安装并支持压电层3。压电层3固定在金属膜2下面且与位于腔体1下部的第一固体块5、第二固体块6形成的射流孔7相对,第一固体块5和第二固体块6装卡在机匣10内侧壁的槽肩12处，第一固体块5和第二固体块6与腔体1之间装夹有柔性连接件4。第一固定锁块8与第二固定锁块9分别固定在腔体1上面靠紧机匣内侧壁。压电层3的作用是周期性振动以产生周期性射流。射流孔7的轴向尺寸为2mm，射流孔7处的壁面采用圆弧形型线设计，近叶片侧壁面的圆弧曲率直径为2mm，远离叶片侧壁面的圆弧曲率直径为15mm，两条型线与机匣相交处的切线与旋转轴线之间的夹角同为45°。合成射流发生器的整体径向尺寸和轴向尺寸均为40mm。

如附图2所示，机匣T型槽结构，其上下两部分的轴向尺寸分别为42mm和32mm，两个槽肩12轴向尺寸相同分别为5mm，槽肩12用于固定合成射流器。机匣T型槽的对称面位于转子叶顶前缘上游10％轴向叶顶弦长处。第一固定锁块8与第二固定锁块9分别固定在腔体1上面靠紧机匣内侧壁，并通过螺栓连接。机匣10与射流发生器之间装夹有柔性材料。

如图3所示，射流孔与转子叶片之间的相对位置，射流孔中心线位于叶顶前缘上游9％轴向叶顶弦长处；合成射流发生器沿周向均匀布置为15个。

在试验台孤立转子模型上对本实施例进行数值计算，其过程如下:

1)采用建模软件UG对试验台进行建模，并加装喷气结构。

2)用NUMECA软件的Autogrid5模块对计算模型进行结构化网格划分。

3)用Ansys CFX软件对计算模型进行非定常数值计算，采用正弦型的周期性射流与抽吸规律。

4)对计算结果进行分析，对该基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置作用效果进行评估。

研究表明，该基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置的作用效果与射流频率、射流速度幅值和工况点选取有密切关系。当压气机转子工作于设计点与最佳效率点时，由于叶顶分离区较小，且泄漏流的非定常性十分微弱，几乎可以忽略，合成射流对压气机转子的气动性能没有影响。在近失速工况，一方面压气机转子叶顶分离严重，合成射流卷起的涡系结构增加了来流的湍流度，抑制了失速区的发展；另一方面，计算结果表明存在最佳射流频率，此频率与泄漏流非定常波动的频率较为接近，因此合成射流与泄漏流之间存在非定常的耦合关系，可以抑制泄漏流的非定常性。计算表明在近失速边界应用该机匣处理结构，发生遵循正弦规律的周期性抽吸和射流，可以将试验转子近失速工况效率提升4％，稳定工作范围拓宽5％。

Claims (5)

1.一种基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其特征在于:包括机匣、转子叶片、合成射流发生器，在机匣上开有T型槽，合成射流发生器安装在机匣T型槽内；所述合成射流发生器包括腔体、金属膜、压电层和第一固体块、第二固体块，金属膜位于腔体内上部,金属膜用于安装并支持压电层，压电层固定在金属膜下面与位于腔体下部的第一固体块、第二固体块形成的射流孔相对,第一固体块和第二固体块装卡在机匣内侧壁的槽肩处,第一固体块和第二固体块与腔体之间装夹有柔性连接件，第一固定锁块与第二固定锁块分别固定在腔体上面靠紧机匣内侧壁；压电层的作用是周期性振动以产生周期性射流。

2.根据权利要求1所述的基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其特征在于:所述射流孔的轴向尺寸为2mm,周向覆盖角度为6°，内壁型线为圆弧形,且与转子旋转轴之间的夹角为45°；射流孔的轴向对称中心位于转子叶顶前缘上游9％轴向弦长处。

3.根据权利要求1所述的基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其特征在于:所述机匣上T型槽的对称面位于转子叶顶前缘上游10％轴向叶顶弦长处；两个槽肩轴向尺寸相同，槽肩用于固定合成射流发生器。

4.根据权利要求1所述的基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其特征在于:所述合成射流发生器位于转子叶片前缘上游，合成射流发生器沿周向均布为多个。

5.根据权利要求1所述的基于合成射流的轴流压气机机匣处理装置，其特征在于:所述机匣与合成射流发生器之间装夹有柔性材料。