CN110886724B - 一种轴向缝式处理机匣 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴向缝式处理机匣，属于压气机技术领域。其中处理机匣包括：压气机转子的动叶片设置于处理机匣内，动叶片的边缘朝向处理机匣的内壁；在处理机匣的内壁对应动叶片边缘上游至下游的区域开设有多条沿处理机匣的轴向延伸的缝式结构，多条缝式结构沿处理机匣的周向均匀、错位分布。本发明提供的处理机匣，通过轴向错位的缝式结构能够利用通道内上下游的压差将位于动叶片顶部堵塞流动的低能流体抽吸入缝内，同时可以最大限度地将靠近通道下游的低能流体吸入缝内，把这部分流体在动叶片上游喷射出来，改善进入动叶片顶部的流动状况，推迟压气机失速的发生，拓宽压气机的裕度，并且对压气机峰值效率的负面影响较小。

Description

一种轴向缝式处理机匣

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，特别地，涉及一种轴向缝式处理机匣。

背景技术

风扇/压气机作为发动机核心部件之一，其优劣影响着发动机的性能。近年来，高性能的发动机要求压气机具有高压比、高负荷，致使压气机内部流动变得更为复杂，二次流加剧，边界层加厚，叶顶泄漏流加剧，分离区变大，压气机稳定性裕度降低。在压气机设计中提高稳定裕度的方法分为主动控制和被动控制两大类。相比主动控制，作为被动控制技术之一的机匣处理，易于实现、改造成本低，被广泛研究。图1a至1d是现有周向槽机匣处理和轴向缝机匣处理两种典型被动控制方法，其中1a是轴向缝示意图，图1b是轴向缝示意图，图1c是轴向斜缝示意图，图1d是折线缝示意图。相比周向槽机匣处理，轴向缝机匣处理由于更强的扩稳能力而被广泛地研究，尽管轴向缝对效率的负面影响较大。近几年来，截面形状为半圆形和半心形的轴向缝相继提出，极大地降低了损失，对效率的负面影响也随之减弱。研究发现轴向缝越长，对动叶片下游低能流体的吸入作用越强，因此对压气机稳定性裕度的改善越好，同时带来了更多的损失，对压气机效率的负面影响较大。

可见，亟需一种能兼顾轴向缝的长度适度、实现较大扩稳和对压气机效率的处理方案。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种轴向缝式处理机匣，至少解决上述部分技术问题。

本发明实施例提供了一种轴向缝式处理机匣，应用于压气机，所述压气机转子的动叶片设置于所述处理机匣内，所述动叶片的边缘朝向所述处理机匣的内壁；

在所述处理机匣的内壁对应所述动叶片边缘上游至下游的区域开设有多条沿所述处理机匣的轴向延伸的缝式结构，多条所述缝式结构沿所述处理机匣的周向均匀、错位分布。

根据本公开的一种具体实现方式，所述缝式结构的周向截面形状为椭圆形、圆形或者半心形；和/或，

所述缝式结构为轴向缝、折线缝或轴向斜缝。

根据本公开的一种具体实现方式，多条所述缝式结构周期性错位排列为平行四边形或者V字形。

根据本公开的一种具体实现方式，每个周期轴向缝的个数为4至8；和/或，

每个周期内相邻所述缝式结构之间的错位距离为所述动叶片叶顶轴向弦长0％至25％。

根据本公开的一种具体实现方式，所述处理机匣内壁的缝式结构的对应所述动叶片叶顶边缘上游的预设位置至叶顶尾缘区域，所述动叶片叶顶边缘上游的预设位置距离所述动叶片叶顶边缘预设长度，所述预设长度为所述动叶片叶顶轴向弦长的0至20％。

根据本公开的一种具体实现方式，每个所述缝式结构的轴向长度为所述动叶片叶顶轴向弦长的50％。

根据本公开的一种具体实现方式，每个所述缝式结构的开口面积比为 0.15至0.3。

根据本公开的一种具体实现方式，每个所述缝式结构的沿径向倾斜角度为45°至60°。

根据本公开的一种具体实现方式，每个所述缝式结构的高度为所述动叶片叶顶轴向弦长的0.3至0.5倍。

根据本公开的一种具体实现方式，所应用的压气机为单级或者多级结构的径流式、混流式或者轴流式压气机。

上述本公开实施例提供的轴向缝式处理机匣，通过在转子动叶片外围的处理机匣内壁沿轴向和周向均匀周期性的分布多个轴向缝，以实现利用转子通道内沿流向产生的压差，将机匣壁面边界层与泄漏流产生的沿弦向分布的低能堵塞流体吸入缝内，缓解叶顶区域的堵塞。此外，还能将将低能堵塞流体输送至上游，再重新喷射入流道内，改善前缘泄漏涡的影响作用。对动叶片下游低能堵塞流体进行有效输运，且极大降低缝长对效率的负面影响，推迟压气机失速的发生。本公开的方案大大地改善了压气机叶顶流动状况，在不同转速下有效地提高了压气机的稳定性裕度，并且对效率的负面影响较小。

附图说明

图1中的1a至1d为现有技术处理机匣的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种处理机匣的结构示意图；

图3和图4为本发明实施例提供的处理机匣的缝式结构作用于转子动叶片顶端吸入和喷出流体示意图；

图5和图6分别为本发明实施例提供的处理机匣中的缝式结构错位排列成平行四边形和V字型的示意图；

图7为本发明实施例提供的处理机匣中的缝式结构的几何造型与参数的示意图。

附图标记汇总：

1—缝式结构；2—处理机匣；3—动叶片；4—轮毂；5—中心轴线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

参见图2，为本发明实施例提供的一种轴向缝式处理机匣的结构示意图。如图2至图4所示，所述轴向缝式处理机匣(以下简称处理机匣2) 应用于压气机，所述压气机转子的动叶片3设置于所述处理机匣2内，所述动叶片3的边缘朝向所述处理机匣2的内壁；

在所述处理机匣2的内壁对应所述动叶片3边缘上游至下游的区域开设有多条沿所述处理机匣2的轴向延伸的缝式结构1，多条所述缝式结构 1沿所述处理机匣2的周向均匀、错位分布。

本实施例提供的处理机匣2，为具有一定厚度呈喇叭状的处理机匣。动叶片3设置于压气机转子的轮毂4上，且位于所述处理机匣2内，所述动叶片3可以沿所述处理机匣2的中心轴线4旋转。考虑到轴向缝越长对堵塞的低能流体抽吸作用越强，改善稳定性裕度则越好，却引起效率损失更严重，而通过不加长缝的长度且将缝排列错开的方式，能够有效增强对叶片尾缘附近的堵塞流体，既更好地拓宽了裕度，又保证了对压气机效率负面影响小的特性。

具体实施时，所述缝式结构1的周向截面形状为椭圆形、圆形或者半心形；和/或，

所述缝式结构1为轴向缝、折线缝或轴向斜缝。

轴向缝式结构1的周向截面形状可以为半圆形，但不限于半圆形，也可以是椭圆形或半心形。拥有一定圆弧状的缝，使得被吸入的流体可以更加顺畅地流动，可以大大减小缝内的损失，从而对降低对效率损失的负面影响。

根据本公开的一种具体实现方式，如图5和图6所示，多条所述缝式结构1周期性错位排列为平行四边形或者V字形。

压气机转子的动叶片3扫掠通过缝式结构1，使得叶片压力面和吸力面跨越缝的时间越长，抽吸效果越明显，相应的扩稳效果越好。符合使得叶叶片跨越缝的时间越长的周期性排列，都可以很好的使扩稳效果达到最优，具体方案可以通过优化方法来实现。如图5和图6所示，缝式结构1 的周期性排列成平行四边形或者V字型。

进一步的，如图7所示，为缝式结构的几何造型与参数的示意图。其中，L表示缝式结构的长度；W表示缝式结构的宽度；P表示缝式结构的间距；θ表示缝式结构的倾斜角度；H表示缝式结构的高度；ΔS表示缝式结构的错位距离。可选的，

每个周期轴向缝的个数为4个至8个；和/或，

每个周期内相邻所述缝式结构1之间的错位距离ΔS为所述动叶片3 叶顶轴向弦长0％至25％。

处理机匣2中的缝式结构1的长度取值不同，每个周期内缝式结构1 的个数不同时，为使对转子通道内低能流体充分的吸入作用，改善堵塞状况，缝排列应尽量覆盖叶片足够的长。本实施方式，每个周期的缝数为4，该错位距离应该根据缝的长度和每个周期缝的个数而定。通过数值模拟的方式研究每个周期内缝数分别为4和8的例子，结果显示缝的个数为8时，对效率的负面影响降低，每个周期内缝的个数设为4至8。

所述每个周期内相邻缝的错位距离ΔS为0％至25％的叶顶轴向弦长，当取值为0％时，该周期性错位缝退化为常规排列形式。本发明中该值取值范围为0％至25％的叶顶轴向弦长，但不限于该范围。每个周期内缝的个数与压气机的额定转速与部分转速等参数有关联，因此，具体每个周期内缝数为多少，应当根据具体情况而定。

在本公开的一种具体实现方式，所述处理机匣2内壁的缝式结构1的对应所述动叶片3叶顶边缘上游的预设位置至叶顶尾缘区域，所述动叶片 3叶顶边缘上游的预设位置距离所述动叶片3叶顶边缘预设长度，所述预设长度为所述动叶片3叶顶轴向弦长的0至20％。

压气机在小流量工况下，转子动叶片3前缘攻角变大，叶顶间隙内的泄漏流增强，引起转子顶部堵塞严重。当在转子叶片前缘注入能量时，可以改善泄漏流堵塞状况，若位于前缘上游太远的地方，该股射入的能量影响则减弱。位于转子叶片前缘上游的具体位置应该根据当地流动状况和作用效果而定。优选地，缝式结构1的预设位置可以位于转子叶片上游的叶顶轴向弦长处0％至50％。

此外，每个所述缝式结构1的轴向长度L为所述动叶片3叶顶轴向弦长的50％。

轴向长度的取值与每个周期的缝的个数和缝之间的错位距离有关，最终使每个周期内的缝尽量沿轴向方向将叶片覆盖，以保证对下游低能流体的抽吸作用。本实施方式中，设定缝式结构1的轴向长度为叶顶轴向弦长的50％。

根据本公开的一种具体实现方式，每个所述缝式结构1的开口面积比为0.15至0.3。

通过数值模拟手段可以得出，缝缝式结构1的开口面积比越大，尽管扩稳效果也越明显，但过大会引起效率损失增大。为了保证效率损失较小，开口面积比要小于0.3。可选的，设定缝式结构1的开口面积比为0.15 至0.3，优选为0.3，在保证扩文效果的前提下降低效率损失。

另一方面，每个所述缝式结构1的沿径向倾斜角度θ为45°至60°。

研究发现，缝式结构1想着旋转方向的倾斜角度θ为45°至60°时，对压气机的扩稳能力最强。优选缝式结构1向着旋转方向倾斜60°，保证最强的扩稳能力。

进一步的，每个所述缝式结构1的高度H为所述动叶片3叶顶轴向弦长的0.3至0.5倍。

根据对缝式结构1的高度对压气机性能的影响研究，在0.3至0.5倍的叶顶轴向弦长的高度H对压气机性能的影响较小，压气机性能基本维持不变。缝式结构1的高度H越高，对低能流体的抽吸和射入效果越好，相应地，扩稳效果越好。针对缝高的具体选择数值，不同压气机的负荷、压比等特性不同，应当在可接受的范围内通过优化得到。

在上述实施方式的基础上，所应用的压气机为单级或者多级结构的径流式、混流式或者轴流式压气机。

上述本公开实施例提供的轴向缝式处理机匣，通过在转子动叶片外围的处理机匣内壁沿轴向和周向均匀周期性的分布多个轴向缝，以实现利用转子通道内沿流向产生的压差，将机匣壁面边界层与泄漏流产生的沿弦向分布的低能堵塞流体吸入缝内，缓解叶顶区域的堵塞。此外，还能将将低能堵塞流体输送至上游，再重新喷射入流道内，改善前缘泄漏涡的影响作用，对主流动量进行补给，抑制泄漏流在转子前缘发生溢出，改善前缘流动状况，从而推迟压气机失速的发生。本公开的方案大大地改善了压气机叶顶流动状况，在不同转速下有效地提高了压气机的稳定性裕度，并且对效率的负面影响较小。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轴向缝式处理机匣，其特征在于，应用于压气机，所述压气机转子的动叶片设置于所述处理机匣内，所述动叶片的边缘朝向所述处理机匣的内壁；

在所述处理机匣的内壁对应所述动叶片边缘上游至下游的区域开设有多条沿所述处理机匣的轴向延伸的缝式结构，多条所述缝式结构沿所述处理机匣的周向均匀、错位分布；

所述处理机匣内壁的缝式结构对应所述动叶片叶顶边缘上游的预设位置至叶顶尾缘区域；

所述缝式结构的周向截面形状为椭圆形、圆形或者半心形；和/或，所述缝式结构为轴向缝、折线缝或轴向斜缝，多条所述缝式结构周期性错位排列为平行四边形或者V字形；

每个周期轴向缝的个数为4个至8个；和/或，

每个周期内相邻所述缝式结构之间的错位距离为所述动叶片叶顶轴向弦长0％至25％；

每个所述缝式结构的轴向长度为所述动叶片叶顶轴向弦长的50％，每个所述缝式结构的开口面积比为0.15至0.3，每个所述缝式结构的高度为所述动叶片叶顶轴向弦长的0.3倍至0.5倍。

2.根据权利要求1所述的处理机匣，其特征在于，所述动叶片叶顶边缘上游的预设位置距离所述动叶片叶顶边缘预设长度，所述预设长度为所述动叶片叶顶轴向弦长的0至20％。

3.根据权利要求1所述的处理机匣，其特征在于，每个所述缝式结构的沿径向倾斜角度为45°至60°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的处理机匣，其特征在于，所应用的压气机为单级或者多级结构的径流式、混流式或者轴流式压气机。

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