CN110242616A - 一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构参数优化的角向缝处理机匣，在压气机机匣上沿叶片方向开一定数目的周向均匀分布的缝，与轴向成一定夹角，通过移动缝的轴向位置，将角向缝覆盖前40％叶顶弦长，即轴向叠合量为40％，且沿径向倾斜75度。在某亚声速轴流压气机转子上进行了数值研究，研究结果表明，经过结构参数优化的角向缝比传统的角向缝处理机匣(轴向叠合量为100％，径向倾斜角为0度)能够获得更高的失速裕度改进量，且效率损失更低，峰值效率甚至有些微提升。

Description

一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种结构参数优化的角向缝处理机匣，用于提高轴流压气机稳定裕度，并降低效率损失。

背景技术

轴流压气机作为航空发动机的三大核心部件之一，其稳定性和性能对整个航空发动机的稳定性和性能起着至关重要的影响。为了延迟压气机失速发生，提高压气机的稳定工作范围，研究者们发展了处理机匣这一被动流动控制技术，常见的有“槽式”和“缝式”这两大类机匣处理，而缝式机匣处理由于其强扩稳能力受到研究者的广泛关注。虽然缝式处理机匣获得的失速裕度改进量较大(一般可达10％以上)，但伴随的峰值效率损失也较大(一般可达5％以上)。

当前关于缝式处理机匣的相关研究大都针对于轴向缝、轴向倾斜缝等，而关于角向缝的研究较少。由于角向缝相关研究经验的缺乏，现有技术在设计角向缝时，对于角向缝机匣设计参数的选取存在一定的盲目性，而传统角向缝的主要参数选取一般为轴向叠合量100％，径向倾斜角0°和缝宽：缝片宽＝2：1；其获得的稳定裕度较小，且伴随较大的峰值效率损失。有的设计者虽然采用了不同的设计参数，如发明专利“一种轴向前移、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣”，但各个参数之间的选取并没有经过优化，其获得一定稳定裕度的同时，造成了3.99％的峰值效率损失。可以看到现有技术设计的角向缝处理机匣虽然可以获得一定的失速裕度改进量，但都伴随着一定的峰值效率损失。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，在提高压气机稳定裕度的同时，尽量减小角向缝处理机匣带来的效率损失。为了兼顾角向缝处理机匣的扩稳能力与效率损失，本发明在以往处理机匣研究的基础上，通过非定常数值方法研究了不同角向缝参数对压气机稳定性和效率的影响，并对不同参数进行了组合研究，根据研究得到的规律对角向缝进行了结构参数优化(主要参数为轴向叠合量、径向倾斜角和开缝面积比)，得到了使峰值效率有所提升的某一最佳参数组合，从而设计了一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣。值得说明的是，该参数组合不能通过上述已有专利结合常规计算方法而轻易的得到，其具体还涉及到不同参数的变化规律和参数优化方法。该结构参数优化的角向缝相对于传统的角向缝，能够同时兼顾稳定裕度改进和效率损失，在获得较大的失速裕度改进量的同时伴随更低的效率损失，甚至使峰值效率还有所提升。

本发明的技术方案是：一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，其特征在于：所述角向缝处理机匣结构为在压气机机匣周向沿叶片方向均布若干角向缝，所述角向缝与压气机转子轴向的夹角为α；通过移动所述角向缝的轴向位置，使得角向缝处理机匣从压气机转子叶片顶前缘开始覆盖至压气机转子叶片顶前40％的叶顶轴向弦长，所述角向缝与压气机转子叶片顶的轴向叠合量为40％；

所述角向缝处理机匣整体以角向缝与发动机轮毂周面的交点为轴，向转子叶片旋转方向偏转，偏转角度β为75°；所述角向缝处理机匣的缝宽/缝片宽＝2.21/1，即开缝面积比约为68.8％。

本发明的进一步技术方案是：所述角向缝与压气机转子轴向的夹角α为37.1°。

本发明的进一步技术方案是：所述角向缝深在9-11mm范围内。

有益效果

本发明的有益效果在于：通过对角向缝处理机匣进行结构参数优化，如轴向叠合量、径向倾斜角和开缝面积比的优化，设计了一种兼顾扩稳能力和效率损失的低损失角向缝处理机匣。结构优化后的角向缝可以有效的移除导致压气机叶顶通道堵塞的不利间隙泄漏流，因此可以显著地提高压气机的稳定裕度；另外，结构优化后的角向缝显著减弱了缝内形成的抽吸流与叶顶主流间的相互作用，因此造成的效率损失很小，甚至峰值效率还有所提升。在某亚声速轴流压气机转子上进行了数值研究，研究结果显示，传统角向缝和该结构参数优化的角向缝获得的综合裕度改进量分别为-0.86％、29.22％，峰值效率损失分别为13.01％、-0.88％。也就是说，经过结构参数优化的角向缝能够兼顾稳定裕度改进和效率损失，而且比传统的角向缝处理机匣能够获得更大的失速裕度改进量，且效率损失更低，尤其是峰值效率还有些微的提升。

附图说明

图1为传统角向缝处理机匣三维示意图；

图2为传统角向缝处理机匣开口面在压气机机匣上的轮廓示意图；

图3为传统角向缝处理机匣在轴向方向上的轮廓示意图；

图4为结构参数优化的角向缝处理机匣三维示意图；

图5为结构参数优化的角向缝处理机匣开口面在压气机机匣上的轮廓示意图；

图6为结构参数优化的角向缝处理机匣在轴向方向上的轮廓示意图。

附图标记说明：1-压气机转子叶片，2-传统角向缝处理机匣，3-周向，4-轴向，5-叶顶尾缘，6-叶顶前缘，7-缝开口面，8-缝的轴向轮廓，9-结构参数优化的角向缝处理机匣，α-轴向偏转角，β-径向倾斜角。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参阅图1至图6，本发明为一种基于亚声速轴流压气机的结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，具体实施方案包括下述步骤：

步骤一：在压气机机匣上沿叶片方向开一定数目(一般单通道缝数为3-5)的缝，缝与轴向4的夹角为α＝37.1°，并沿周向3均匀分布；

步骤二：单通道缝的数目为5；

步骤三：使缝宽与缝片宽之比为2.21/1，即开缝面积/处理面积约为68.8％；

步骤四：将角向缝沿轴向4从叶顶前缘6向叶顶尾缘5移动，直至覆盖前40％叶顶弦长，即缝的轴向叠合量为40％；

步骤五：将角向缝处理机匣整体沿发动机轮毂，朝叶片旋转方向径向倾斜β＝75°；

步骤六：缝深约为11mm(一般在9-11mm范围内)。

本发明应用在某亚声速轴流压气机试验台单转子上，该转子的主要参数如表1所示。

表1主要几何和性能参数

上述传统角向缝处理机匣、结构参数优化的角向缝处理机匣的主要不同几何结构参数如表2所示。

表2两种处理机匣主要不同几何结构参数

在亚声速轴流压气机试验台的单转子上开展了上述两种角向缝处理机匣的非定常数值模拟研究，具体实施过程如下：

1、使用NUMECA软件包的Igg/Autogrid5模块对压气机转子和处理机匣进行结构化网格划分；

2、使用NUMECA FINE/Turbo软件包的Euranus求解器对生成的模型网格进行全三维非定常数值计算，相关参数设置为，压气机转子的转速为10765r/min，采用k-epsilon湍流模型在相对坐标系下求解雷诺时均N-S方程；定常计算时，时间离散采用显式四阶Runge-Kutta时间推进方法，空间离散采用二阶迎风TVD格式；非定常计算时利用隐式双时间步方法，一个转子叶片通道内物理时间步设置为20，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为20。

3、根据数值计算结果进行数据处理，获得传统角向缝处理机匣、结构参数优化的角向缝处理机匣的综合失速裕度改进量和峰值效率损失。

研究结果显示，传统角向缝和该结构参数优化的角向缝获得的综合裕度改进量分别为-0.86％、29.22％，峰值效率损失分别为13.01％、-0.88％。这说明经过结构参数优化的角向缝能够同时兼顾稳定裕度改进和效率损失，比传统的角向缝处理机匣能够获得更大的失速裕度改进量，且效率损失更低，尤其是峰值效率还有些微提升。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，其特征在于：所述角向缝处理机匣结构为在压气机机匣周向沿叶片方向均布若干角向缝，所述角向缝与压气机转子轴向的夹角为α；通过移动所述角向缝的轴向位置，使得角向缝处理机匣从压气机转子叶片顶前缘开始覆盖至压气机转子叶片顶前40％的叶顶轴向弦长，所述角向缝与压气机转子叶片顶的轴向叠合量为40％；

所述角向缝处理机匣整体以角向缝与发动机轮毂周面的交点为轴，向转子叶片旋转方向偏转，偏转角度β为75°；所述角向缝处理机匣的缝宽/缝片宽＝2.21/1，即开缝面积比约为68.8％。

2.根据权利要求1所述结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，其特征在于：所述角向缝与压气机转子轴向的夹角α为37.1°。

3.根据权利要求1所述结构参数优化的低损失角向缝处理机匣，其特征在于：所述角向缝深在9-11mm范围内。