CN112283167B - 一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，该设计方法利用两段光滑过渡的圆弧构成周向槽剖面形状，下游的圆弧造型使得叶尖流动从下游顺利进入处理槽，流动损失低；进入槽内的叶尖流体，经过圆滑过渡的圆弧循环后，从叶尖前缘上游射入主流，射流效果增强，裕度拓宽能力提高。本发明设计方法简单，易于利用高压压气机几何特征进行周向槽剖面的构造。

Description

一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法
技术领域
本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法。
背景技术
燃气轮机压气机间隙区域的流动过程非常复杂，间隙流造成的损失在动叶和压气机级的总能量损失中占很大的比重。而压气机性能对叶尖间隙有着较高的敏感性，在运行过程中间隙的增大通常会导致压气机性能的衰退。在实际服役过程中，叶尖间隙可能发生暂时或永久性的增大，从而影响燃气轮机运行的经济性和稳定性。
端壁处理技术是一项较早研究和成功运用的压气机间隙流动控制方法，能够有效拓宽压气机稳定裕度，已经被广泛应用于众多发动机实际型号中，如美国的JT-9D发动机、CFM-56发动机，俄罗斯的ЛH-31Ф发动机以及我国的WP-14等航空燃气轮机发动机。基础的周向槽类及轴向缝类端壁处理示意图如图1及图2所示。
通常来说，周向槽类机匣处理对压气机效率的不利影响小于轴向缝类机匣处理，但是扩稳能力较弱，这是由于周向槽内空间较小，无法形成能量较强的射流导致的。若借鉴轴向缝类机匣处理的设计特点，以增强压气机周向槽的射流强度，可以在保持效率损失尽可能小的情况下增强扩稳能力的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，该方法基于高压压气机后面级转子叶尖前缘位置及叶尖间隙大小，采用射流加强型的周向槽式机匣处理，利用双圆弧造型使周向槽剖面造型圆滑过渡，从而使流体更为顺畅地流入、流出处理槽，提升扩稳能力，降低流动损失。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，该设计方法利用两段光滑过渡的圆弧构成周向槽剖面形状，下游的圆弧造型使得叶尖流动从下游顺利进入处理槽，流动损失低；进入槽内的叶尖流体，经过圆滑过渡的圆弧循环后，从叶尖前缘上游射入主流，射流效果增强，裕度拓宽能力提高。
本发明进一步的改进在于，在转子流域的子午面视图中，以90％～98％叶高范围内的前缘点作为圆心O1，作半径为r1的圆弧
Figure BDA0002790140920000021
该圆弧左侧端点记为A，右侧与机匣交点记为B。
本发明进一步的改进在于，该圆弧
Figure BDA0002790140920000022
与机匣壁面的夹角为α1，α1的取值范围为30°～60°；该圆弧
Figure BDA0002790140920000023
的半径r1的取值范围为：(τ+h)/cos30°≤r1≤(τ+h)/cos60°,其中τ为转子叶尖间隙的大小，h为圆心O1与叶尖的距离。
本发明进一步的改进在于，圆弧
Figure BDA0002790140920000024
的左侧端点A与圆心O1的连线与机匣壁面交于D点，AD与径向方向的夹角为θ，θ的取值范围为0°～30°。
本发明进一步的改进在于，以连线AD的中点为圆心O2，以AD为直径，作圆弧与机匣壁面相较于C点，形成圆弧
Figure BDA0002790140920000025
本发明进一步的改进在于，圆弧
Figure BDA0002790140920000026
的半径r2＝(r1-DO1)/2＝[r1-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2，其中γ为机匣壁面与轴向方向的夹角。
本发明进一步的改进在于，圆弧
Figure BDA0002790140920000027
点处切线与机匣壁面的夹角α2＝θ+γ。
本发明进一步的改进在于，两段光滑连结的圆弧
Figure BDA0002790140920000028
与
Figure BDA0002790140920000029
形成了周向槽的剖面形状，该剖面形状在周向方向上形成同槽，即构成了射流加强型的周向槽机匣处理。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，该设计方法简单，易于利用高压压气机几何特征进行周向槽剖面的构造。两段光滑连结的圆弧与机匣壁面形成两个锐角，使得叶尖气流更容易地从处理槽后部进入槽内，并在处理槽前部以指向下游地方向回到叶尖，达到降低槽内循环损失及增强上游射流的目的，从而在对效率影响较小的前提下，拓宽压气机的稳定裕度。
附图说明
图1为常规周向槽类机匣处理结构示意简图，其中图1(a)为主视图，图1(b)为剖视图。
图2为常规轴向缝类机匣处理结构示意简图，其中图2(a)为主视图，图2(b)为剖视图。
图3为本发明的子午面结构示意图。
图4为本发明的俯视示意图。
图5为针对某压气机转子设计的射流增强型的周向槽机匣处理。
具体实施方式
以某燃气轮机高压压气机第一级转子为例来说明本发明的具体实施方式。
该压气机转子的部分设计参数见表1所示。
表1某燃气轮机高压压气机第一级转子部分设计参数。
Figure BDA0002790140920000031
如图3至图5，本发明提供的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，进行如下设计：
1)在转子流域的子午面视图中，以95％叶高的前缘点作为圆心O1，则h＝5％H＝6.75mm；
2)选定α1取值为45°，则r1＝(τ+h)/cosα1＝10.54mm，以O1为圆心做半径为r1的圆弧，与机匣壁面相较于B点；
3)选定θ为15°，则确定圆弧左侧端点A的位置。端点A与圆心O1的连线交于D；
4)以AD中点为圆心O2，以AD为直径，作圆弧与机匣壁面相较于C点。圆弧
Figure BDA0002790140920000041
的半径r2为：
r2＝(r1-DO1)/2＝[r1-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2＝1.2mm
5)根据步骤4)中确定的圆弧
Figure BDA0002790140920000042
可知C点处切线与机匣壁面的夹角为：
α2＝θ+γ＝23.6°
6)根据上述设计步骤确定的两段光滑连结的圆弧
Figure BDA0002790140920000043
与
Figure BDA0002790140920000044
形成了周向槽的剖面形状，该剖面形状在周向方向上形成同槽，即构成了射流加强型的周向槽机匣处理。
根据如上方法设计得到的射流加强的周向槽式机匣处理，利用两段光滑连接的圆弧，使得叶尖流体能够顺利地从处理槽后部流入处理槽内，并从处理槽前部射入前缘上游，达到减低流动损失地同时提高裕度拓宽能力的目的。

Claims (6)

1.一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，该设计方法利用两段光滑过渡的圆弧构成周向槽剖面形状，下游的圆弧造型使得叶尖流动从下游顺利进入处理槽，流动损失低；进入槽内的叶尖流体，经过圆滑过渡的圆弧循环后，从叶尖前缘上游射入主流，射流效果增强，裕度拓宽能力提高；
在转子流域的子午面视图中，以90％～98％叶高范围内的前缘点作为圆心O1，作半径为r1的圆弧
Figure FDA0003496833910000011
该圆弧左侧端点记为A，右侧与机匣交点记为B；
该圆弧
Figure FDA0003496833910000012
与机匣壁面的夹角为α1，α1的取值范围为30°～60°；该圆弧
Figure FDA0003496833910000013
的半径r1的取值范围为：(τ+h)/cos30°≤r1≤(τ+h)/cos60°，其中τ为转子叶尖间隙的大小，h为圆心O1与叶尖的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，圆弧
Figure FDA0003496833910000014
的左侧端点A与圆心O1的连线与机匣壁面交于D点，AD与径向方向的夹角为θ，θ的取值范围为0°～30°。
3.根据权利要求1所述的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，以连线AD的中点为圆心O2，以AD为直径，作圆弧与机匣壁面相较于C点，形成圆弧
Figure FDA0003496833910000015
4.根据权利要求3所述的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，圆弧
Figure FDA0003496833910000016
的半径r2＝(r1-DO1)/2＝[r1-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2，其中γ为机匣壁面与轴向方向的夹角。
5.根据权利要求3所述的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，圆弧
Figure FDA0003496833910000017
点处切线与机匣壁面的夹角α2＝θ+γ。
6.根据权利要求3所述的一种用于轴流压气机的周向槽类机匣处理设计方法，其特征在于，两段光滑连结的圆弧
Figure FDA0003496833910000018
与
Figure FDA0003496833910000019
形成了周向槽的剖面形状，该剖面形状在周向方向上形成同槽，即构成了射流加强型的周向槽机匣处理。
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