CN107965465B - 一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及方法 - Google Patents

一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及方法，在压气机处理机匣壁面上沿周向开设多个离散倾斜缝，缝向转子旋转方向倾斜一定的角度，然后在缝的顶部开设一定数量的抽吸孔，并在抽吸孔的上部增设背腔。通过调整抽吸孔的角度、抽气量和抽气位置可改变离散倾斜缝内的回流旋涡结构以及流入和流出离散倾斜缝的气流的轴向动量，进而改变叶顶泄漏流和主流的动量，从而能够调节叶顶泄漏流和主流交界面的位置，以及缝和叶顶流场相互作用引起的流动损失。与传统离散倾斜缝机匣处理相比，吸气式离散倾斜缝机匣处理可实现在提高压气机稳定工作范围的同时降低效率损失的目标。

Description

一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及流动控制方法，用于提高压气机的稳定工作范围，属于叶轮机械领域。
背景技术
压气机的作用是在尽量低的流阻损失下对所流过的气流加工以提高其压强。压气机是燃气轮机和航空发动机的核心部件之一，随着燃气轮机和航空发动机向高紧凑型、低耗油率和高稳定性方向发展，提高压气机负荷和效率的同时保证压气机具有较高的失速裕度是研究人员不断追求的目标。在一定的转速下当通过压气机的流量减小到一定程度时，压气机内会出现旋转失速和喘振等不稳定流动现象。压气机不允许在不稳定工作边界左方工作，它可能会导致压气机叶片断裂和发动机熄火等严重事故。
压气机发生旋转失速时，气流脉动会沿压气机的周向变化和传播。目前认为诱发旋转失速的先兆波主要有模态波型失速先兆和突尖型失速先兆。压气机的旋转失速与叶顶区域的流动具有密切的关系，失速先兆波往往最先出现在叶顶区域。高负荷压气机叶顶区域存在强激波和泄漏涡之间的相互作用，容易引起较大的流动堵塞。压气机叶顶区域的流动堵塞是引起旋转失速的重要原因，制约了压气机的稳定工作范围。为了提高压气机的失速裕度，可以采用可调进口导叶，机匣处理和叶顶微喷气等流动控制方法。机匣处理作为一种被动流动控制方法，能够有效提高压气机的稳定工作范围，具有可靠性高和结构上容易实现等优点。目前机匣处理扩稳方法已经在航空发动机中得到了实际的应用，赢得了许多研究者的关注。
机匣处理能够改善压气机叶顶区域的流动堵塞状况，推迟叶顶泄漏流从相邻叶片前缘溢出进相邻叶片通道，从而提高压气机的失速裕度。压气机叶顶区域的流动本身是非常复杂的三维流动，而机匣处理和叶顶流场之间的相互作用又加剧其复杂性。如何设计机匣处理结构来有效地提高压气机稳定工作范围，同时尽量降低压气机的效率损失，仍是目前叶轮机械领域具有挑战性的问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及流动控制方法，对压气机叶顶泄漏流进行有效的输运和激励，从而使叶顶泄漏流和主流交界面与叶片压力面的交点向叶片通道下游移动，降低叶顶泄漏流引起的堵塞，提高压气机的失速裕度同时降低效率损失。
本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案为：
一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，包括压气机动叶和压气机处理机匣，所述压气机动叶的顶部与所述压气机处理机匣之间具有叶顶间隙，其特征在于：
在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面上开设若干沿周向分布的离散倾斜缝，各所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜一定的角度，且各所述离散倾斜缝的轴向长度Lt大于其周向宽度Lw；
各所述离散倾斜缝的顶部设有若干与其连通的抽吸孔，各所述抽吸孔的另一端与一周向延伸的环形背腔连通，所述环形背腔内的背压可调，且各所述抽吸孔的孔径不大于所述离散倾斜缝的周向宽度Lw。
优选地，所述离散倾斜缝覆盖所述压气机动叶叶顶前缘上游20％-30％轴向弦长范围。
优选地，所述离散倾斜缝的轴向长度Lt为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.5-1.0倍。
优选地，所述离散倾斜缝的周向宽度Lw为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
优选地，所述离散倾斜缝的径向深度Lh为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍，各所述抽吸孔的径向深度Lh1为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
优选地，所述离散倾斜缝的个数为1-50个。
优选地，所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜的角度为10-80度。
优选地，各所述离散倾斜缝顶部设置的抽吸孔数量为1-5个。
优选地，各所述抽吸孔的抽吸量为压气机进口流量的0.01％-0.1％。
优选地，所述抽吸孔的轴向与压气机轴向的夹角为10-90度。
根据本发明的另一方面，还提供了一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理流动控制方法，所述压气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，所述压气机动叶的顶部与所述压气机处理机匣之间具有叶顶间隙，其特征在于：
在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面开设若干沿周向分布的离散倾斜缝，各所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜一定的角度，且各所述离散倾斜缝的轴向长度Lt大于其周向宽度Lw；在各所述离散倾斜缝顶部开设若干与其连通的抽吸孔，各所述抽吸孔的出口与一周向延伸的环形背腔连通，所述环形背腔内的压力可调，且各所述抽吸孔的孔径不大于所述离散倾斜缝的周向宽度Lw，所述抽吸孔用以对离散倾斜缝内的流体进行抽吸，通过调节背腔内的压力可调节所述抽吸孔抽吸量。
本发明的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及气流控制方法，其工作原理为：旋转的压气机动叶与吸气式离散倾斜缝的相对位置会随时间发生变化，当压气机动叶位于离散倾斜缝下方时，离散倾斜缝横跨动叶顶部，在叶顶上游和下游之间压差的作用下，叶顶下游的低能泄漏流能够进入离散倾斜缝内，这会使叶顶泄漏涡的强度减小，进入离散倾斜缝内的亚音气流经过加速后从叶片通道上游重新射入主流，又能够对叶顶泄漏流起到激励作用。同时，通过抽吸孔对离散倾斜缝内的流体进行抽吸可改善缝内的旋涡结构、回流量以及流入和流出离散倾斜缝的气流的轴向动量。并且针对不同的压气机工况和叶顶流场特征，可通过改变抽吸孔出口的背压调节对离散缝的抽吸量。因此，吸气式离散缝机匣处理能够有效降低叶顶区域的流动堵塞，提高压气机的稳定工作范围。
同现有技术相比，本发明的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置及气流控制方法，具有显著的技术效果：该机匣处理结构可调控离散倾斜缝内的旋涡结构和回流量，进而调节离散倾斜缝和主流交界面上的轴向动量分布，从而能够有效抑制叶顶泄漏流引起的轴向动量输运，推迟叶顶泄漏流从叶顶前缘溢出进相邻叶片通道，降低叶顶泄漏流引起的流动堵塞，提高压气机的稳定工作范围；同时通过调节抽吸孔顶部背腔内的压力，离散倾斜缝的抽吸量可根据压气机工况和叶顶流场特性进行调节，从而能够实现提高压气机失速裕度的同时降低效率损失的目的。
附图说明
图1是本发明的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置的子午面结构图；
图2为图1中的A-A截面结构图；
图3为图1中的B-B截面结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并通过具体实施例对本发明的目的、技术方案及优点进行详细说明。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
如图1所示，本发明的压气机吸气式倾斜缝机匣处理控制装置，包括：压气机动叶1，压气机处理机匣2，离散倾斜缝3、抽吸孔4和一周向延伸的环形背腔5。压气机动叶1顶部和压气机处理机匣2之间存在一定的叶顶间隙。在压气机动叶1的叶顶压力面和吸力面之间压差的作用下，气流经过叶顶间隙形成泄漏流，泄漏流是引起压气机旋转失速的重要原因。在压气机叶顶对应机匣壁面沿圆周方向开设若干均匀分布的离散倾斜缝3，并在各离散倾斜缝3的顶部开设一定数量的抽吸孔4，并且背腔5内的背压可调，通过抽吸孔对离散倾斜缝内的流体进行抽吸可调节缝内的旋涡结构、回流量以及流入和流出离散倾斜缝的气流的轴向动量，进而改变叶顶泄漏流和主流的轴向动量比，实现对泄漏流和主流交界面位置以及叶顶区域流动损失的调节，与常规离散倾斜缝机匣处理相比，采用合适的抽吸方式能够改善叶顶区域的流场，从而达到提高压气机稳定工作范围的目的，同时降低由于引入机匣处理控制机制而导致的效率损失。
如图1所示，所述离散倾斜缝3覆盖叶顶前缘上游30％轴向弦长范围；离散倾斜缝3的轴向长度Lt为50％叶顶轴向弦长；离散倾斜缝3的径向深度Lh为25％叶顶轴向弦长。离散倾斜缝3顶部具有两个抽吸孔4，其中位于离散倾斜缝上游的抽吸孔4轴向与压气机轴向的夹角α1为30度，位于离散倾斜缝下游的抽吸孔4轴向与压气机轴向的夹角α2为90度，抽吸孔4的径向深度Lh1为叶顶轴向弦长的15％。
图2和图3分别为图1中的A-A截面结构图和B-B截面结构图。每个压气机动叶1对应1个离散倾斜缝3；离散倾斜缝3的周向宽度Lw为15％叶顶轴向弦长；离散倾斜缝3向叶片旋转方向倾斜的角度α3为30度；抽吸孔4的轴向与压气机径向的夹角同样为30度；抽吸孔4的孔径为5％叶顶轴向弦长。
旋转的压气机动叶1与吸气式离散倾斜缝3的相对位置会随时间发生变化。当压气机动叶1位于吸气式离散倾斜缝3下方时，离散倾斜缝3横跨动叶顶部。在叶顶上游和下游之间压差的作用下，叶顶下游的低能泄漏流能够进入离散倾斜缝3内，这会使叶顶泄漏涡的强度减小，进入离散倾斜缝3内的亚音气流经过加速后从叶片通道上游重新射入主流，又能够对叶顶泄漏流起到激励作用。同时，通过抽吸孔4对离散倾斜缝3内的流体进行抽吸可改善缝内的旋涡结构、回流量以及流入和流出离散倾斜缝3的气流的轴向动量。并且针对不同的压气机工况和叶顶流场特征，可通过改变抽吸孔4出口的背压调节对离散倾斜缝3的抽吸量。因此，吸气式离散倾斜缝机匣处理能够有效降低叶顶区域的流动堵塞，提高压气机的稳定工作范围。
离散倾斜缝3和抽吸孔4的个数以及几何参数需要根据具体的应用对象进行选取和优化，以更有效地提高压气机的失速裕度，并且尽量降低压气机的效率和压比损失。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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范围之内。

Claims (11)

1.一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，包括压气机动叶和压气机处理机匣，所述压气机动叶的顶部与所述压气机处理机匣之间具有叶顶间隙，其特征在于：
在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面上开设若干沿周向分布的离散倾斜缝，每个压气机动叶对应1个离散倾斜缝，各所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜一定的角度，且各所述离散倾斜缝的轴向长度Lt大于其周向宽度Lw；
各所述离散倾斜缝的顶部设有若干与其连通的抽吸孔，各所述抽吸孔的另一端与一周向延伸的环形背腔连通，各所述环形背腔内的背压可调，各所述抽吸孔的孔径不大于所述离散倾斜缝的周向宽度Lw。
2.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝覆盖所述压气机动叶叶顶前缘上游20％-30％轴向弦长范围。
3.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝的轴向长度Lt为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.5-1.0倍。
4.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝的周向宽度Lw为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
5.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝的径向深度Lh为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍，各所述抽吸孔的径向深度Lh1为所述压气机动叶叶顶轴向弦长的0.1-0.5倍。
6.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝的个数为1-50个。
7.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜的角度为10-80度。
8.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：各所述离散倾斜缝顶部设置的抽吸孔数量为1-5个。
9.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：各所述抽吸孔的抽吸量为压气机进口流量的0.01％-0.1％。
10.根据权利要求1所述的压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理控制装置，其特征在于：所述抽吸孔的轴向与压气机轴向的夹角为10-90度。
11.一种压气机吸气式离散倾斜缝机匣处理流动控制方法，所述压气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，所述压气机动叶的顶部与所述压气机处理机匣之间具有叶顶间隙，其特征在于：
在所述压气机动叶顶部对应的压气机处理机匣壁面开设若干沿周向分布的离散倾斜缝，各所述离散倾斜缝向转子旋转方向倾斜一定的角度，且各所述离散倾斜缝的轴向长度Lt大于其周向宽度Lw；
在各所述离散倾斜缝顶部开设若干与其连通的抽吸孔，各所述抽吸孔的出口连通一周向延伸的环形背腔，各所述环形背腔内的压力可调，且各所述抽吸孔的孔径不大于所述离散倾斜缝的周向宽度Lw，所述抽吸孔用以对离散倾斜缝内的流体进行抽吸，通过调节背腔内的压力可调节所述抽吸孔的抽吸量。
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