CN112539184B - 一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣，由机匣、进气道、叶轮叶片、前槽道、后槽道和引气桥路组成；引气桥路固定在叶轮机匣外侧，通过连接叶轮机匣上通道的前、后槽道，实现气体在桥路中回流。叶轮自循环处理机匣前槽道、后槽道分别位于距离叶轮进口处轴向弦长不同的位置，内壁面二维型线由结构化曲线拟合优化而成，以保证射流尽可能贴近壁面，外壁面型线为可控收缩型线，使得对气流起到导向和增速的作用。叶轮自循环处理机匣利用自循环前、后槽道对应的转子通道内的气流压差进行抽气和喷气；该处理机匣结构可提高离心叶轮的堵塞裕度和失速裕度，并达到降低效率损失的目的，使得叶轮可在更大的裕度运行工作。

Description

一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣
技术领域
本发明涉及叶轮机技术领域，具体地说，涉及一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣，用于提高离心叶轮的稳定裕度，并降低效率损失。
背景技术
现有技术中，离心叶轮作为一种提高气体压力的通用机械，在国民经济的多个部门得到了广泛的应用，特别是在航空领域占有重要的地位。航空发动机追求的是更高的推重比和更高的可靠性，离心叶轮作为航空发动机中压气机的重要组成部分，也朝着高效率、高压比、高可靠性等方向发展。
为了扩大离心叶轮的稳定裕度，增大其小流量工况下的效率和压比，研究者发展出了多种控制方法。机匣处理作为一种被动控制方法，具有结构简单，适应性强等特点。常见针对离心叶轮的自循环机匣主要存在两个缺陷，第一，传统离心叶轮自循环处理机匣通常为周向100％覆盖，在不同流量工况下的引气量均较大，对设计工况下叶轮的效率会产生较大的负面效果。第二，传统离心叶轮自循环处理机匣结构简单，引气槽道和桥路型线等结构参数均没有进行优化，其稳定工作裕度还存在较大的提升空间。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣；该叶轮自循环处理机匣可有效增强离心叶轮的气动稳定性，扩大离心压气机整体的稳定工作范围，提高航空发动机的安全性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括叶轮机匣、通道前缘、叶轮叶片、前槽道、后槽道和引气桥路，其特征在于所述引气桥路固定在叶轮机匣外侧，通过连接叶轮机匣上通道前缘的前槽道、后槽道，实现气体在桥路中回流；
所述引气桥路为多个，两个叶轮通道对应一个自循环机匣的引气桥路，每个引气桥路的周向覆盖角度为22.5°；引气桥路与前、后槽道相连，其内壁面二维型线由结构化曲线拟合优化而成，外壁面型线为可控收缩型线，使得对气流起到导向和增速的作用，且引气桥路的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接；引气桥路与前、后槽道相连，且引气桥路的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接，使得气流在自循环结构作用时减小流动损失；
所述前槽道形心位于距离叶轮叶片进口处9％轴向弦长位置，所述后槽道形心位于距离叶轮叶片进口处12.8％轴向弦长位置，前槽道轴向宽度为2.5mm，后槽道轴向宽度为6.5mm。
所述引气桥路和前槽道、后槽道连接处射流角度均为10°。
有益效果
本发明提出的一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣，利用自循环前、后槽道对应的转子通道内的气流压差进行抽气和喷气；该叶轮自循环处理机匣可提高离心叶轮的堵塞裕度和失速裕度，达到降低效率损失的目的，使得叶轮可在更大的裕度运行工作；将离心压气机失速裕度提升2.8％，设计工况效率仅下降了0.5％。
本发明叶轮自循环处理机匣可有效增强离心叶轮的气动稳定性，扩大离心压气机整体的稳定工作范围，提高航空发动机的安全。
当离心叶轮工作在大流量工况时，自循环机匣将叶轮进口气流引流到通道内部。自循环机匣前槽抽气，降低了叶轮进口气流轴向速度，使叶轮进口的超音速区范围减小，削弱前缘激波损失，增强叶轮进口的流通能力，提升了叶轮的阻塞裕度。
当离心叶轮工作在小流量工况时，自循环机匣将叶轮通道内叶顶的气流引流到叶轮进口。自循环机匣抽吸叶片前缘吸力面分离涡和叶顶泄漏涡掺混的低能流体，使其在循环回路内加速流回叶轮进口；既提高了进口气流的轴向速度，降低进口的吸力面分离，又降低通道内部的低能流体的堆积，提高了通道的流通能力。两者共同作用提升叶轮的失速裕度。在小流量工况，加装自循环机匣的叶轮内部的非定常脉动集中在通道前缘，并且自循环机匣对叶轮顶部流场的激励具有迟滞效应。在叶轮旋转过程中，随着自循环机匣在通道内部覆盖面积的增加，后槽的扩散整流作用范围扩大，叶轮前缘的堵塞流体逐渐减少。叶顶泄漏涡和叶顶通道涡强度周期性增减，减小其分流通道进口叶顶的掺混损失，提高了通道的流通能力。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣作进一步详细说明。
图1为分布式参数化叶轮自循环处理机匣结构示意图。
图2为某离心压气机的三维示意图。
图3为离心叶轮自循环处理机匣的三维空间示意图。
图中
1.前槽道 2.后槽道 3.引气桥路 4.主叶片 5.分流叶片 6.通道前缘
具体实施方式
本实施例是一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣。
参阅图1～图3，本实施例分布式参数化叶轮自循环处理机匣，由叶轮机匣、通道前缘6、叶轮叶片、前槽道1、后槽道2和引气桥路3组成；其中，引气桥路固定在叶轮机匣外侧，通过连接叶轮机匣上通道前缘6的前槽道1、后槽道2，利用离心叶轮通道前后压差，实现气体在桥路中回流。
本实施例中，引气桥路3为多个，两个叶轮通道对应一个自循环机匣的引气桥路，每个引气桥路3的周向覆盖角度为22.5°；内壁面二维型线由结构化曲线拟合优化而成，外壁面型线为可控收缩型线，使得对气流起到导向和增速的作用。引气桥路3与前槽道1、后槽道2相连接，且引气桥路3的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接；引气桥路3和前、后槽连接处射流角度均为10°。
自循环机匣前槽道位于距离叶轮进口处12.0mm，即9％轴向弦长位置，轴向宽度为2.5mm，喉部高度为0.84mm；自循环机匣后槽道位于距离叶轮叶片进口17.0mm，即12.8％轴向弦长位置，轴向宽度为6.5mm；且前槽道和后槽道子午面内气流流过的角度与轴向夹角为10°，周向覆盖角度为22.5°。内壁面二维型线由结构化曲线拟合优化而成，以保证射流尽可能贴近壁面；外壁面型线为可控收缩型线，使得对气流起到导向和增速的作用。引气桥路与前后槽道相连接，且引气桥路的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接，使得气流在自循环结构作用时流动损失较小。
叶轮自循环处理机匣具体实施步骤:
步骤1.确定离心叶轮压气机机匣线的基本数据，前槽二维型线在距离叶轮叶片进口前13.25mm给定可控收缩型线作为喷嘴的外壁面，在距离叶轮进口前10.75mm部位采用曲线拟合优化后的型线作为喷嘴的内壁面，喉部高度为8个叶顶间隙，内壁面型线切线方向与轴向夹角为10°；
步骤2.后槽的二维型线与步骤1相似，其内、外壁面与机匣线相交的位置相对发生改变，内壁面与机匣相交的位置距离叶轮进口后13.75mm，外壁面与机匣线相交的位置距离叶轮进口后20.25mm，并用直线将其连接形成引气桥路；
步骤3.根据上述步骤，再绕着Z轴旋转10.125°，使得周向覆盖率为22.5％，并保证两个叶轮通道对应一个自循环机匣的引气桥路。
本实施例应用在某高速离心叶轮上，离心叶轮的主要几何和性能参数如表1所示。
表1
在某高速离心压气机上开展了上述分布式参数化自循环机匣的非定常数值模拟实施过程:
1、使用NUMECA软件包的Igg/Autogrid5模块对压气机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，叶轮的转速为21789r/min，采用SA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，时间离散采用四阶显式龙格-库塔时间推进方法，空间离散采用中心差分格式；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18。采用多重网格方法、当地时间步长法以及隐式残差光顺法技术加速计算收敛。
3、根据数值计算结果进行数据处理，获得加装管式自循环机匣的离心压气机的稳定工作裕度以及设计工况效率损失量。
结果显示，通过在离心叶轮增设分布式参数化自循环处理机匣，能够提高离心叶轮的堵塞裕度和失速裕度，并达到降低效率损失的目的，使得叶轮可以在更大的裕度里运行工作。

Claims (1)

1.一种分布式参数化叶轮自循环处理机匣，包括叶轮机匣、通道前缘、叶轮叶片、前槽道、后槽道和引气桥路，其特征在于:所述引气桥路固定在叶轮机匣外侧，通过连接叶轮机匣上通道前缘的前槽道、后槽道，实现气体在桥路中回流；
所述引气桥路为多个，两个叶轮通道对应一个自循环机匣的引气桥路，每个引气桥路的周向覆盖角度为22.5°；引气桥路与前、后槽道相连，前、后槽道内壁面二维型线由结构化曲线拟合优化而成，前、后槽道外壁面型线为可控收缩型线，使得对气流起到导向和增速的作用，且引气桥路的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接；引气桥路与前、后槽道相连，且引气桥路的二维型线与前、后槽道的型线平滑连接，使得气流在自循环结构作用时减小流动损失；
所述前槽道形心位于距离叶轮叶片进口前9％轴向弦长位置，所述后槽道形心位于距离叶轮叶片进口后12.8％轴向弦长位置，前槽道轴向宽度为2.5mm，后槽道轴向宽度为6.5mm；
所述引气桥路和前槽道、后槽道连接处射流角度均为10°。
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