CN108561338A - 离心压气机周向大间隔小通孔机匣 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其结构包括机匣，通孔，主叶片，分流叶片；其中通孔设于机匣的表面，主叶片和分流叶片设于机匣的内部；利用机匣与转子的相对运动和通孔处机匣内外的压差，驱动通孔处气体流动，且通孔内气流通过周期性扫掠压气机转子流道来实现对压气机内流动的周期性激励作用。优点：1）能够抑制离心压气机叶尖附近的不利低能流的影响范围和强度，从而显著扩大离心压气机的稳定工作裕度；2）利用非定常激励效应，对离心压气机效率的影响较小；3）结构简单、方便应用实施。

Description

离心压气机周向大间隔小通孔机匣
技术领域
本发明涉及一种离心压气机周向大间隔小通孔机匣，属于压气机设计技术领域。
背景技术
随着现代航空发动机对高推重比、低耗油率、小迎风面积的要求，压气机需要有更高的级压比才能满足这些性能需求。但是，压气机的级压比越高，负荷就会变大，容易出现旋转失速、喘振等不稳定工况。旋转失速、喘振等不稳定工况会带来发动机性能的急剧下降和严重的振动问题，对发动机的寿命产生不利影响。因此，有必要发展有效的流动控制手段对来扩大压气机的稳定裕度。
叶尖流场由于马赫数较高，而且还有端壁附面层、叶尖泄漏流、主流的相互作用形成了复杂的非定常流场结构，最容易成为失速起始位置，因此对叶尖流场的控制和改善可以更加有效地增加稳定工作范围。根据对流场施加激励的特点，可以分为基于定常激励的控制方法和基于非定常激励的控制方法。前者已经有众多学者展开了研究，设计了多种控制方法可以有效增加稳定裕度，比如叶尖定常喷气等。但其缺点在于需要施加的激励强度很大，对主流的影响明显，扩大稳定裕度的同时会使压气机的效率降低，而且需要复杂的管路结构和控制阀门，增加了发动机的重量和成本。基于非定常激励的控制手段可以对流场施加一定频率的激励，当激励频率在流场主频附近时，就可以发生一定的相干作用，改变流场的拟序机构使之更加有序，从而延缓旋转失速喘振等现象的发生，扩大稳定裕度。非定常激励所需要的激励强度要比定常激励小得多，对主流的影响也要小，实现扩稳得同时还可以减小对效率的影响。因此，基于非定常激励的控制方式有着很大的优越性，需要一种简单可靠符合工程实际的具体实现方式。
发明内容
本发明提出的是一种离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其目的是在减少对压气机的效率的影响和简化控制方法的复杂度的前提下，最大限度地扩大压气机的稳定裕度。
本发明的技术解决方案：离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其结构包括包括机匣1，通孔2，主叶片3，分流叶片4；通孔2设于机匣1的表面，主叶片3和分流叶片4设于机匣1的内部。
本发明的优点：
1）能够抑制离心压气机叶尖附近的不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的影响范围和强度，从而显著扩大离心压气机的稳定工作裕度；
2）利用非定常激励效应，在机匣上的总通孔面积比一般处理机匣小一个数量级以上，对离心压气机效率的影响较小；
3）结构简单、方便应用实施。
附图说明
附图1是离心压气机周向大间隔小通孔机匣局部结构示意图。
附图2-1、2-2是离心压气机周向大间隔小通孔机匣激励方式示意图，其中图2-1是喷射作用示意图，图2-2是抽吸作用示意图。
附图3-1、3-2是离心压气机周向大间隔小通孔机匣通孔分布示意图，其中图3-1是有分流叶片的离心压气机示意图，图3-2是没有分流叶片的离心压气机示意图。
附图4-1、4-2、4-3是不同激励作用方式下的通孔的形状示意图，其中图4-1是矩形通孔示意图，图4-2是椭圆形通孔示意图，图4-3是超椭圆通孔示意图。
其中1为机匣、2为通孔、3为主叶片、4为分流叶片、R1为进口截面机匣半径（机匣厚度不计）；R2为进口截面轮毂半径；H为进口叶片高度；L1和L2为通孔中心距叶片前缘的距离。
具体实施方式
如图1所示，离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其结构包括包括机匣1，通孔2，主叶片3，分流叶片4；通孔2设于机匣1的表面，主叶片3和分流叶片4设于机匣1的内部。
如图2-1、2-2所示，根据所开的孔处的表压Pb（内部流场压力与外界环境大气压力的差值）不同，外界大气对叶尖流场的激励分为周期性喷气激励和周期性抽吸激励。若通孔位置处压气机内部流场表压为负，则激励方式为周期性喷气作用；若通孔位置处压气机内部流场表压为正，则激励方式为周期性抽吸作用。
如图3-1、3-2所示，所述的通孔2有N1个，围绕转子叶轮进口与叶片前缘短间距L1处的机匣1表面一周设置，或者围绕转子叶轮进口与叶片前缘长间距L2处的机匣1表面一周设置；通孔2的数量参照离心压气机主叶片4数量Z选取，Z由既有的离心压气机型号确定，设离心压气机主叶片4数量为Z，N1/Z的范围为0.4-0.7，其中比例为0.5控制效果最佳。对于没有分流叶片的离心压气机，N2则按照叶片总数量来计算。
如图4所示，所述通孔2的形状可选择以下几种形状中的一种：
①椭圆形，其长轴A与短轴B的比值范围是1.0-5.0，单个通孔的面积A1为1/4πAB；
②矩形，其长边C与短边D的比值范围是1.0-5.0，此类矩形可带有一个小半径圆角，圆角半径r为短边的1/5，此时圆角矩形的面积A3为(CD-πr2)；
③按照以下公式生成的超椭圆：（x/A）n+（y/B）n =1；其长轴A与短轴B的比值范围是1.0-5.0，其指数n的取值范围是2.0-10.0，其面积为4ab×(Γ(1+1/n)) 2/Γ(1+2/n)，Γ(z)为tz-1/et对t作从0到正无穷的积分，当z为整数时Γ(z)=(z-1)!。
如图2所示，若激励作用方式为向压气机内部进行周期性喷气，则通孔位置可按如下准则设计：在子午面上，机匣上孔中心的位置与叶片前缘距离为L1，设离心叶轮进口叶高H，H由既有的离心压气机型号确定，L1/H 的范围为-0.2-+0.4。其中L1/H为负，则表示孔开在叶片前缘之前；L1/H为正，则表示孔开在叶片前缘之后的叶栅通道中；
若激励作用方式为向压气机内部进行周期性抽吸，则通孔位置可按如下准则设计：在子午面上，机匣上孔中心的位置与叶片前缘距离为L2，离心压气机的进口叶片高度为H，H由既有的离心压气机型号确定，L2/H的范围为0.4-0.7。
如图2所示，若激励作用方式为向压气机内部进行周期性喷气，则通孔面积可按如下准则设计：机匣通孔的喷气量取决于机匣上通孔的面积，单个通孔的面积为A1，设叶轮进口面积为A2，A2的面积为πR12-πR22，A1/A2的范围为0.03%-0.3%。实际设计时，若同时需要提升压气机的稳定裕度和尽可能减少对效率的影响，则A1/A2取中间值；若偏向于考虑压气机稳定裕度的提升而对效率的影响可以较大，则A1/A2可偏大；若只偏向于考虑对压气机的效率的影响程度而对稳定裕度的提升可以较小，则A1/A2可以偏小。
若激励作用方式为对压气机内部进行周期性抽吸，则通孔面积可按如下准则设计：机匣通孔的抽气量取决于机匣上通孔的面积，单个通孔的面积为A3，叶轮进口面积为A2，A3/A2的范围为0.02%-0.2%。实际设计时，若同时需要提升压气机的稳定裕度和尽可能减少对效率的影响，则A3/A2取中间值；若偏向于考虑压气机稳定裕度的提升而对效率的影响可以较大，则A3/A2可偏大；若偏向于考虑对压气机的效率的影响程度而对稳定裕度的提升可以较小，则A3/A2可以偏小。
实施例1（以某微型涡喷发动机离心压气机为例）
离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其结构包括机匣1，通孔2，主叶片3，分流叶片4；通孔2设于机匣1的表面，主叶片3和分流叶片4设于机匣1的内部。
所述的通孔2有N1个，围绕转子叶轮进口与叶片前缘短间距L1处的机匣1表面一周设置，通孔2的数量参照离心压气机主叶片数量选取，压气机主叶片数量为Z，已知Z=10，N1/Z为0.5，N1=5。
通孔位置处压气机内部流场表压为负，激励方式为周期性喷气作用，机匣上通孔中心的位置与叶片前缘距离为L1，离心压气机的进口叶片高度为H，L1/H为-0.2，开在叶片前缘之前，已知离心压气机的进口叶片高度H=18.85mm，则L1=3.77mm
单个通孔的面积为A1，叶轮进口面积为A2，A1/A2=0.03%，A2=πR12-πR22，已知进口叶尖半径R1=26.85mm，轮毂半径R2=8mm，则A2=2062.74mm2，A1=0.619mm2。
所述通孔2的形状为椭圆形，其长轴A与短轴B的比值是3.0，单个通孔的面积A1为1/4πAB，已知A1=0.619mm2，则A=1.539mm，B=0.513mm。
实施例2（以某微型涡喷发动机离心压气机为例）
离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其结构包括机匣1，通孔2，主叶片3，分流叶片4；通孔2设于机匣1的表面，主叶片3和分流叶片4设于机匣1的内部。
所述的通孔2有N1个，围绕转子叶轮进口与叶片前缘长间距L2处的机匣1表面一周设置，通孔2的数量参照离心压气机主叶片数量选取，压气机主叶片数量为Z，已知Z=10，N1/Z为0.5，则N1=5。
通孔位置处压气机内部流场表压为正，激励方式为周期性抽吸作用，机匣上通孔中心的位置与叶片前缘距离为L2，离心压气机的进口叶片高度为H，L2/H为0.4，开在叶片前缘之后的叶栅通道中，已知进口叶片高度为H=18.85mm，L2=7.54mm。
单个通孔的面积为A3，叶轮进口面积为A2，A3/A2为0.02%，A2=πR12-πR22，已知进口叶尖半径R1=26.85mm，轮毂半径R2=8mm，则A2=2062.74mm2，A3=0.413mm2。
所述通孔2的形状为椭圆形，其长轴A与短轴B的比值是3.0，单个通孔的面积A3为1/4πAB，A3=0.413mm2，A=1.255mm，B=0.419mm。

Claims (8)

1.离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是包括机匣，通孔，主叶片，分流叶片；其中通孔设于机匣的表面，主叶片和分流叶片设于机匣的内部。
2.根据权利要求1所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的通孔有N1个，围绕转子叶轮进口与叶片前缘短间距L1处的机匣表面一周设置，或者围绕转子叶轮进口与叶片前缘长间距L2处的机匣表面一周设置。
3.根据权利要求2所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的通孔的数量N1参照主叶片数量Z选取，Z由既有的离心压气机型号叶片数确定，N1/Z的取值为0.4-0.7。
4.根据权利要求1所述的轴流压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的通孔的形状为椭圆形、矩形、超椭圆中的一种；所述的椭圆形，其长轴A与短轴B的比值为1.0-5.0；所述的矩形，其长边C与短边D的比值为1.0-5.0，带有一个小半径圆角；所述的超椭圆按照以下公式生成：(x/A)n+(y/B)n =1，其长轴A与短轴B的比值为1.0-5.0，其指数n的取值为2.0-10.0。
5.根据权利要求2所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的叶片前缘短间距L1与离心压气机进口叶片高度H的比值L1/H为-0.2-0.4。
6.根据权利要求5所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的通孔面积A1与叶轮进口面积A2的比值A1/A2为0.03%-0.3%。
7.根据权利要求2所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的叶片前缘长间距L2与离心压气机进口叶片高度H的比值L2/H为0.4-0.7。
8.根据权利要求7所述的离心压气机周向大间隔小通孔机匣，其特征是所述的通孔面积A3与叶轮进口面积A2的比值A3/A2为0.02%-0.2%。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110209052A (zh) * 2019-06-03 2019-09-06 北京控制工程研究所 一种面向挠性航天器模态参数在轨辨识激励信号设计方法
CN111734683A (zh) * 2020-07-03 2020-10-02 宁波工程学院 一种抑制叶尖泄漏涡的方法及离心压气机
CN111734679A (zh) * 2020-07-02 2020-10-02 中国航发常州兰翔机械有限责任公司 一种带放气孔的航空发动机压气机内机匣及其加工方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1538341A1 (en) * 1998-12-10 2005-06-08 United Technologies Corporation Fluid compressors
CN104989672A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国航空动力机械研究所 一种提高单级离心压气机喘振裕度的机匣处理结构及压气机
EP2975269A1 (en) * 2014-07-16 2016-01-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Centrifugal compressor
CN107228095A (zh) * 2017-07-24 2017-10-03 北京航空航天大学 一种改善转子叶尖及静子角区流动的自适应压气机

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1538341A1 (en) * 1998-12-10 2005-06-08 United Technologies Corporation Fluid compressors
EP2975269A1 (en) * 2014-07-16 2016-01-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Centrifugal compressor
CN104989672A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国航空动力机械研究所 一种提高单级离心压气机喘振裕度的机匣处理结构及压气机
CN107228095A (zh) * 2017-07-24 2017-10-03 北京航空航天大学 一种改善转子叶尖及静子角区流动的自适应压气机

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110209052A (zh) * 2019-06-03 2019-09-06 北京控制工程研究所 一种面向挠性航天器模态参数在轨辨识激励信号设计方法
CN110209052B (zh) * 2019-06-03 2022-04-22 北京控制工程研究所 一种面向挠性航天器模态参数在轨辨识激励信号设计方法
CN111734679A (zh) * 2020-07-02 2020-10-02 中国航发常州兰翔机械有限责任公司 一种带放气孔的航空发动机压气机内机匣及其加工方法
CN111734683A (zh) * 2020-07-03 2020-10-02 宁波工程学院 一种抑制叶尖泄漏涡的方法及离心压气机

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