CN110145497A - 一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳方法，该自循环机匣处理主要由三个部分组成，即引气通道，连接桥路，喷气通道。通过这样设计的自循环机匣处理，压气机的稳定工作裕度进一步提高，与此同时使效率损失减小，相比于其他机匣处理形式效益更佳。在某1.5级高负荷轴流压气机分别开展了对比研究，一种是引气位置位于叶片尾缘，喷气位置位于叶顶前缘附近的自循环机匣处理；另外一种是新设计的自循环机匣处理。研究表明新设计的自循环机匣处理能使压气机的稳定工作裕度得到大幅度提高，且对效率的负作用更低。

Description

一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置
技术领域
本发明涉及燃气轮机压缩系统稳定性技术领域，是一种提高高负荷轴流压气机稳定工作裕度的方法，具体是一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置。
背景技术
在航空发动机的稳定运行过程中，保证压气机部件的稳定工作尤为重要，而目前由于对高推重比发动机的迫切需求，高负荷轴流压气机的设计成功与否就显得格外重要，但在目前的设计研究中，高负荷轴流压气机的稳定工作裕度常常不能满足发动机稳定运行的需要，因此就需要在压气机设计完成后，对其开展被动控制扩稳研究，以增强压气机的稳定工作裕度。在目前众多的扩稳措施中，机匣处理是一种有效的扩稳措施，常见的机匣处理主要有槽式机匣处理，缝式机匣处理，叶顶喷气，级间引气等。但这些传统的机匣处理措施在提高压气机稳定工作裕度的同时，对效率产生的负作用使代价过于沉重，而自循环机匣在能提高压气机稳定工作裕度的同时，对效率的负作用很小，甚至还能提高压气机效率，所以受到了很多研究者的青睐。现在绝大多数自循环机匣处理均是把引气位置放置在叶栅后，对引气口放置在叶顶的研究尚少。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了使航空发动机能够稳定安全的运行，进一步提高高负荷轴流压气机的稳定工作裕度，并减小效率损失，本发明在对传统机匣处理研究的基础上提出了一种轴向前移的压气机自循环机匣处理。该方法重新设计了引气位置，喷气位置以及相关的型线参数，使之在相比于其他自循环机匣处理来说有更高的稳定工作裕度，且对效率的影响更低。
本发明的技术方案是：一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，包括导流叶片、转子叶片、静子叶片；还包括若干引气通道、连接桥路和若干喷气通道；所述引气通道位于转子叶顶机匣内壁上，在轴向沿发动机轮毂轴线整体进行轴向前移，使得引气通道位于叶顶叶片通道内；在转子上游距离转子叶顶前缘50％-70％轴向弦长处机匣内壁开有若干个喷气通道，且在引气通道和喷气通道之间开同等数量的通孔作为连接桥路，用于连接引气通道和喷气通道。
本发明的进一步技术方案是：所述引气通道二维型线由贝塞尔曲线拟合而成。
本发明的进一步技术方案是：所述喷气通道二维型线由贝塞尔曲线拟合而成。
本发明的进一步技术方案是：所述连接桥路、引气通道和喷气通道连接处光滑过渡，以保证气流在整个循环过程中流动损失最小。
本发明的进一步技术方案是：所述喷气位置位于距离转子叶顶前缘上游50％-70％轴向弦长处；引气位置位于距离转子叶顶前缘下游10％-30％轴向弦长处。
本发明的进一步技术方案是：所述引气通道型线放缩比为1.6-2。
本发明的进一步技术方案是：所述喷气通道型线的收缩比为0.4-0.5，喉部高度为2-4倍叶顶间隙，喷嘴的喷气角为10-15度。
发明效果
本发明的技术效果在于：通过引气口和喷气口之间的压力差，气流在发明的机匣结构内自动实现气流循环。在引气口的抽吸作用和喷气口的高速射流的喷射作用下，轴向前移的自循环机匣处理改善了转子叶顶通道内的流通情况，抑制了叶顶间隙泄漏涡的发展和壮大，降低了转子的叶顶堵塞，起到了提高压气机稳定工作裕度的作用。在某1.5级高负荷轴流压气机试验台上开展了两种自循环机匣处理的研究，一种是引气位置位于转子叶顶尾缘的自循环机匣处理，另一种是新形成的引气位置位于叶顶通道内的轴向前移的自循环机匣处理。结果表明，新形成的轴向前移的自循环机匣处理的稳定工作裕度较引气位置位于转子叶顶尾缘的自循环机匣处理提高了6.61％，同时也使峰值效率提高了0.95％。即与传统的引气位置位于叶栅后的自循环机匣处理相比，新形成的轴向前移的自循环机匣处理在提高压气机稳定工作裕度的同时对效率影响更低，还使效率提高了0.95％。
附图说明
图1为某1.5级高负荷轴流压气机子午面示意图。
图2为轴向前移的压气机自循环机匣处理子午面示意图。
图3为轴向前移的压气机自循环机匣处理三维空间示意图。
图4为轴向前移的压气机自循环机匣处理的引气结构子午面示意图。
图5为轴向前移的压气机自循环机匣处理的喷气结构子午面示意图。
附图标记说明：1—导流叶片；2—转子叶片；3—静子叶片；4—引气通道；5—连接桥路；6—喷气通道；7—叶顶前缘
具体实施方式
参见图1—图5，一种轴向前移的压气机自循环机匣处理，所述的自循环机匣处理沿发动机轮毂轴线整体向转子上游移动，使得引气位置位于转子叶顶通道内。喷气通道型线的收缩比为0.45，喉部高度为4倍叶顶间隙，喷嘴径向喷气角为15度，喷气位置位于距离转子叶顶前缘上游60％轴向弦长处；引气通道型线放缩比为2，引气位置位于距离转子叶顶前缘下游20％轴向弦长处。所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理的周向覆盖比例为50％。
所述的轴向前移的自循环机匣处理在轴向沿发动机轮毂轴线整体进行轴向前移，使得引气通道位于叶顶叶片通道内。自循环机匣处理结构的连接桥路部分二维形状为矩形，引气通道和喷气通道的二维型线均由贝塞尔曲线拟合而成；桥路型线与引气通道型线，喷气通道型线连接处光滑过渡，以保证气流在整个循环过程中流动损失最小。自循环机匣处理的周向覆盖比例为50％，单通道自循环机匣处理个数为1。喷气通道型线，连接桥路型线和引气通道型线沿轮毂线轴向为轴旋转相应的角度即可生成自循环机匣处理的空间结构。在压气机工作时，自循环机匣处理结构利用引气口和喷气口之间的压力差来自动实现气流循环，而不用添加任何外加动力来驱动，利用引气口的抽吸作用和喷气口的高速射流来降低压气机叶顶载荷和减弱叶顶通道中的堵塞程度，使压气机能在更高的负荷下工作并增强转子叶顶的流通能力，从而共同提高压气机的稳定工作裕度。
一种基于某1.5级高负荷轴流压气机轴向前移的压气机自循环机匣处理，其特点是包括下述步骤：
步骤一：在压气机机匣上沿机匣线往径向造特定参数的引气通道和喷气通道的贝塞尔曲线，其中喷气通道型线的收缩比为0.45，喉部高度为4倍叶顶间隙，喷嘴的喷气角为15度，喷气位置位于距离转子叶顶前缘上游60％轴向弦长处；引气通道型线放缩比为2，引气位置位于距离转子叶顶前缘下游20％轴向弦长处；然后用直线分别连接引气通道与喷气通道的型线构成连接桥路的子午面型线。
步骤二：将步骤一所得子午面二维型线沿轮毂线轴向为轴逆时针旋转12度，即可得轴向前移的自循环机匣处理的空间结构，在压气机真实运转过程中，整个自循环机匣处理形成一个密封的循环通道，气流在其中自动循环流动，密封性能良好，而不会发生漏气等情况。
步骤三：自循环机匣的周向覆盖面积为50％。
步骤四：单通道自循环机匣处理的数目为1；
下面结合附图对发明技术方案做进一步说明。
本发明应用在某1.5级高负荷轴流压气机试验台上，该压气机的主要参数如表1所示。
表1主要几何和性能参数
1、在压气机机匣上沿机匣线作引气通道与喷气通道的贝塞尔曲线，其中喷气通道型线的收缩比为0.45，喉部高度为1mm，喷嘴的喷气角为15度，喷气位置位于距离转子叶顶前缘上游4mm处；引气通道型线放缩比为2，引气位置位于距离转子叶顶前缘下游29.2mm处，分别连接引气通道与喷气通道的型线共同构成自循环机匣处理的子午面型线。
2、以压气机轮毂线轴向为轴，整个自循环机匣的子午面二维型线逆时针方向旋转12度，即得轴向前移前的自循环机匣处理。
3、将引气位置位于转子后的自循环机匣处理整体沿机匣线向上游移动22mm,即得新的轴向前移的压气机自循环机匣处理。
4、两种自循环机匣处理沿轴向分布15个，周向覆盖率均为50％。
上述自循环机匣处理、新的轴向前移的压气机自循环机匣处理的主要几何结构参数如表2所示。
表2两种自循环处理机匣主要几何结构参数
在某1.5级高负荷轴流压气机试验台上开展这两种自循环机匣处理的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：
1、使用叶轮机械商用软件NUMECA软件包中的Igg/Autogrid5模块对1.5级压气机转子和自循环机匣处理进行结构化网格划分；
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，压气机转子的转速为34200r/min，空间离散采用Jameson有限体积2阶迎风格式并结合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等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3000，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为为20；
3、获取数值计算结果并进行数据处理，获得引气位置位于转子后的自循环机匣处理、轴向前移后的自循环机匣处理的稳定工作裕度和峰值效率改进量。
研究结果表明，新的轴向前移后的自循环机匣处理获得的稳定工作裕度比引气位置位于转子后的自循环机匣处理的高6.61％％，同时峰值效率损失比之低0.95％，即新的轴向前移后的自循环机匣处理的扩稳能力比引气位置位于转子后的自循环机匣处理的更强，同时效率损失比之更小。

Claims (7)

1.一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，包括导流叶片(1)、转子叶片(2)、静子叶片(3)；其特征在于，还包括若干引气通道(4)、连接桥路(5)和若干喷气通道(6)；所述引气通道(4)位于转子叶顶机匣内壁上，在轴向沿发动机轮毂轴线整体进行轴向前移，使得引气通道(6)位于叶顶叶片通道内；在转子上游距离转子叶顶前缘50％-70％轴向弦长处机匣内壁开有若干个喷气通道(6)，且在引气通道(4)和喷气通道(6)之间开同等数量的通孔作为连接桥路(5)，用于连接引气通道(4)和喷气通道(6)。
2.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述引气通道(4)二维型线由贝塞尔曲线拟合而成。
3.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述喷气通道(6)二维型线由贝塞尔曲线拟合而成。
4.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述连接桥路(5)、引气通道(4)和喷气通道(6)连接处光滑过渡，以保证气流在整个循环过程中流动损失最小。
5.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述喷气位置位于距离转子叶顶前缘上游50％-70％轴向弦长处；引气位置位于距离转子叶顶前缘下游10％-30％轴向弦长处。
6.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述引气通道(4)型线放缩比为1.6-2。
7.如权利要求1所述的一种轴向前移的压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于，所述喷气通道(6)型线的收缩比为0.4-0.5，喉部高度为2-4倍叶顶间隙，喷嘴的喷气角为10-15度。
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