CN112177981A - 一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，所述机匣整体沿压气机轮毂径向倾斜，并且该自循环机匣与压气机轴线存在夹角，且在一个叶顶栅距周向范围内分布3个自循环装置，该机匣的处理宽度覆盖叶顶的部分轴向弦长；该自循环处理机匣引气口和喷气口所在平面的中心连线方向与轴向存在角度。相比于传统的自循环处理机匣，新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，形成的抽吸流、喷射流更强，同时带来的流动损失更小，因此，获得的压气机稳定裕度更高，对压气机性能带来的损失更小。

Description

一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣及设计方法

技术领域

本发明属于叶轮机械内部流动控制技术领域，是一种提高轴流压气机稳定裕度的装置，具体是一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣。

背景技术

压气机在实际工作中，并非总在设计工况下工作。当运行条件改变时，其工况点会偏离设计工况点，在一定的条件下会产生诸如失速、喘振等不稳定流动。当压气机处于不稳定工况时，不仅会降低压气机的压比和效率，而且还会产生强烈的振动，甚至导致压气机叶片断裂。为此，国内外研究者积极探索扩大压气机稳定工作范围的措施。处理机匣作为一种有效的扩稳措施，具有结构简单，易于在机匣上改装等特点，已在多种航空发动机上得到了应用。目前处理机匣主要有槽式、缝式结构。但是，传统的槽、缝式机匣处理在提升压气机综合稳定裕度的同时对效率有较大影响，槽式机匣处理获得的稳定裕度一般小于10％，压气机最大效率降低程度约在0～1％之间。一些缝式机匣处理获得的稳定裕度为20％左右，但压气机最大效率降低程度约在0.5～2％之间。而自循环机匣与槽式和缝式机匣相比，能在提高压气机稳定工作裕度的同时，对压气机效率的负面作用很小，甚至还能少量提高压气机最大效率。然而，传统的自循环处理机匣沿径向和轴向均无倾斜，同时获得的稳定裕度一般小于15％。自循环处理机匣沿着径向和轴向倾斜后，是否能在获得更大的稳定裕度的同时并提高压气机最大效率，这仍是一个需要解决的技术疑题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了进一步地扩大压气机的稳定工作范围，尽量减小给压气机带来的效率损失，本发明在传统自循环处理机匣研究的基础上提出了一种径向、轴向倾斜的自循环处理机匣方法。该方法在传统自循环处理机匣的基础上改变自循环装置的周向分布形式，同时将改变后的自循环装置分别沿径向、轴向倾斜，结果表明：相较于传统自循环处理机匣，本发明的新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣可使压气机的稳定工作范围进一步增大，同时提高了压气机的最大效率。解决了传统自循环机匣扩大压气机稳定工作范围的效果小和使得压气机最大效率降低的问题。

本发明的技术方案是：一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，所述自循环处理机匣整体为U型状，包括引气段、喷气段和中间弧段，且沿轴向气流方向从前到后分别为喷气段、中间弧段和引气段；自循环处理机匣整体沿压气机轮毂径向倾斜，并且该自循环机匣与压气机轴线存在夹角。

本发明的进一步技术方案是：所述径向倾斜角度β＝65～71度。

本发明的进一步技术方案是：所述轴向偏转角α＝28.5～31.5°。

本发明的进一步技术方案是：所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.38～1.68。

本发明的进一步技术方案是：所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣引气口的抽吸角是86～94度，喷气口的喷气角是32～46度。

本发明的进一步技术方案是：所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣抽吸口轴向长度为7～9.4mm、喷气口轴向长度为3.3～4.4mm。

本发明的进一步技术方案是：一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：在压气机机匣上沿与轴向夹角α建立若干桥道并沿周向均匀布置形成与压气机轴线存在夹角的自循环处理机匣，该自循环处理机匣的处理宽度覆盖叶顶的部分轴向弦长；定义α为引气口和喷气口开口面中心连线与压气机轴线的夹角，且α＝28.5～31.5°；

步骤二：将步骤一所述自循环处理机匣沿径向倾斜一定角度β使之形成新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣；定义β为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣在轴向的轮廓与径向的夹角，径向倾斜角β＝65～71°；

步骤三：喷气口中心距离叶顶叶片前缘5～6.8mm，喷气口的喷气角是39度；引吸口中心距离叶顶叶片前缘7～9.6mm，引气口的抽吸角是90度。

本发明的进一步技术方案是：所述自循环处理机匣宽为3.48～4.72mm，且自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.38～1.68。

本发明的进一步技术方案是：所述自循环处理机匣高约为6.8～9.2mm。

本发明的进一步技术方案是：所述压气机单通道时，桥道的数目为3。

发明效果

本发明的技术效果在于：相比于传统的自循环处理机匣，新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，在传统自循环处理机匣的基础上改变自循环装置的周向分布形式，同时将改变后的自循环装置分别沿径向、轴向倾斜，形成的抽吸流、喷射流更强，同时带来的流动损失更小，因此，获得的压气机稳定裕度更高，对压气机性能带来的损失更小。本发明在某亚音轴流压气机转子上开展了两种处理机匣的研究，一种是传统自循环处理机匣，另外一种是所述新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣。结果表明，传统自循环处理机匣，新型径向、轴向倾斜的处理机匣获得的综合失速裕度改进量分别为14.5％、26.4％，峰值效率增加量分别为-1.8％、0.2％。即与传统自循环处理机匣相比，新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣进一步提高了综合失速裕度，同时提高了压气机的最大效率。该自循环机匣克服了传统自循环机匣扩大压气机稳定工作范围的效果小和使得压气机最大效率降低的问题。

附图说明

图1为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣三维视图

图2为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣引气口、喷气口开口面在压气机机匣上的轮廓视图

图3为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣在某一轴向截面方向上的轮廓视图

图4为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣气流方向示意图

图中，1-轴向，2-周向，3-转子叶片，4-新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，5-转子叶顶，6-引气口开口面，7-喷气口开口面，8-处理机匣在轴向某一位置上的轮廓。

具体实施方式

参见图1—图4，本发明的技术方案是：一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，所述自循环处理机匣整体沿压气机轮毂径向倾斜，并且该自循环处理机匣与压气机轴线有一定的夹角。此外，在自循环处理机匣周向覆盖率相同的条件下，传统自循环处理机匣在一个叶顶栅距周向范围内分布1个自循环装置，而本发明的新型自循环处理机匣在一个叶顶栅距周向范围内分布3个自循环装置。

需要说明的是，本发明在传统自循环处理机匣的基础上改变自循环装置的周向分布形式。同时定义各个方向称谓分别为：轴向——沿圆柱体轴线方向；径向——沿截面半径方向(垂直于轴线)；周向——绕圆柱体轴线方向(垂直于轴线，同时垂直于截面半径)。

在压气机机匣上沿周向建立自循环处理机匣结构，自循环处理机匣结构引气口和喷气口所在平面的中心连线方向与轴向存在一定的角度α＝30°。

所述新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣整体沿压气机轮毂径向倾斜角度β＝68°。

所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.53。

所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣引气口的抽吸角是90度，喷气口的喷气角是39度。

所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣抽吸口轴向长度为8.2mm、喷气口轴向长度为3.845mm。

图1反映新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣三维视图机构，3压气机转子，4为该自循环处理机匣结构。图2反映新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣引气口、喷气口开口面在压气机机匣上的轮廓视图。1所指方向为压气机轴向，2为周向，5为压气机转子叶顶截面，6为引气口开口面，7为喷气口开口面。图3为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣在某一轴向截面方向上的轮廓视图，3为压气机转子叶片在轴向方向上的截面，8为自循环处理机匣在轴向上的轮廓。图4反映自循环处理机匣的工作过程，3为转子叶片，4为自循环处理机匣结构轮廓图。沿着轴向气流流动方向，分别为喷气口和引气口。气流从自循环处理机匣后方的的引气口引入再通过喷气口喷出。

一种基于亚音速轴流压气机新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特点是包括下述步骤：

步骤一：在压气机机匣上沿与轴向1夹角为α建立一定数目的桥道并沿周向2均匀布置形成与压气机轴线有一定的夹角的自循环处理机匣，该自循环处理机匣的处理宽度覆盖叶顶5的部分轴向弦长；

步骤二：将上述自循环处理机匣沿径向倾斜一定角度β使之形成新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣4；

步骤三：上述自循环处理机匣宽为4.1mm，自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.53；

步骤四：上述自循环处理机匣高约为8mm；

步骤五：新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣4轴向偏转角α＝30°，径向倾斜角β＝68°；定义α为引气口和喷气口开口面中心连线与压气机轴线的夹角，定义β为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣在轴向的轮廓8与径向的夹角；

步骤六：喷气口中心距离叶顶叶片前缘5.9mm，抽吸口中心距离叶顶叶片前缘8.3mm。

步骤七：压气机单通道时，的数目为3；

本发明应用在某亚音轴流压气机试验台的孤立转子上，该转子的主要参数如表1所示。

表1主要几何和性能参数

上述新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣、传统自循环处理处理机匣的主要几何结构参数如表2所示。

表2两种处理机匣主要几何结构参数

在亚音轴流压气机试验台的孤立转子上开展传统自循环处理机匣，新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：

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10765r/min，空间离散采用Jameson有限体积2阶迎风格式并结合k-e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2400，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，获得传统自循环处理机匣、新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的综合失速裕度改进量和峰值效率增加量。

研究结果表明，新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣获得的综合裕度改进量比传统自循环处理机匣的高11.9％，同时压气机峰值效率增加比之高2％，即新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的扩稳能力比传统自循环处理机匣的更强，同时压气机峰值效率更大。

Claims (10)

1.一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述自循环处理机匣整体为U型状，包括引气段、喷气段和中间弧段，且沿轴向气流方向从前到后分别为喷气段、中间弧段和引气段；自循环处理机匣整体沿压气机轮毂径向倾斜，并且该自循环机匣与压气机轴线存在夹角。

2.如权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述径向倾斜角度β＝65～71度。

3.如权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述轴向偏转角α＝28.5～31.5°。

4.如权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.38～1.68。

5.如权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣引气口的抽吸角是86～94度，喷气口的喷气角是32～46度。

6.如权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣，其特征在于，所述新型径向、轴向倾斜的自循环机匣抽吸口轴向长度为7～9.4mm、喷气口轴向长度为3.3～4.4mm。

7.基于权利要求1所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在压气机机匣上沿与轴向夹角α建立若干桥道并沿周向均匀布置形成与压气机轴线存在夹角的自循环处理机匣，该自循环处理机匣的处理宽度覆盖叶顶的部分轴向弦长；定义α为引气口和喷气口开口面中心连线与压气机轴线的夹角，且α＝28.5～31.5°；

步骤二：将步骤一所述自循环处理机匣沿径向倾斜一定角度β使之形成新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣；定义β为新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣在轴向的轮廓与径向的夹角，径向倾斜角β＝65～71°；

步骤三：喷气口中心距离叶顶叶片前缘5～6.8mm，喷气口的喷气角是39度；引吸口中心距离叶顶叶片前缘7～9.6mm，引气口的抽吸角是90度。

8.如权利要求6所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的设计方法，其特征在于，所述自循环处理机匣宽为3.48～4.72mm，且自循环机匣之间的宽度与自循环机匣宽度之比为1.38～1.68。

9.如权利要求6所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的设计方法，其特征在于，所述自循环处理机匣高约为6.8～9.2mm。

10.如权利要求6所述的一种新型径向、轴向倾斜的自循环处理机匣的设计方法，其特征在于，所述压气机单通道时，桥道的数目为3。

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