CN113007138A - 一种压气机前置组合式机匣设计方法 - Google Patents

一种压气机前置组合式机匣设计方法 Download PDF

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张耀峰
王维
张皓光
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Abstract

本发明公开了一种轴流压气机前置组合式机匣设计方法，该方法组合了轴向缝式机匣处理与自循环机匣处理结构，将轴向缝机匣处理采取前置叠合的形式置于压气机转子叶顶，自循环机匣处理横跨于轴向缝机匣处理上方，形成了一种前置组合式机匣处理结构。前置组合式机匣处理结构可以弥补单一结构机匣处理的不足，在极大提升压气机失速裕度的同时显著的降低了机匣处理带来的效率损失。

Description

一种压气机前置组合式机匣设计方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，特别涉及一种压气机前置组合式机匣设计方法。
背景技术
当前，航空发动机不断朝着高推重比、低耗油率和高可靠性的方向发展。但对于压气机而言，发动机的高推重比追求与高可靠性间存在着一定的矛盾。随着压气机的负荷越高，其叶片通道内部激波的强度、附面层的分离以及二次流的泄漏均会加剧，这将造成压气机稳定裕度的下降。
目前来看，研究人员一般采取三种方法扩大压气机的稳定工作裕度：①在设计阶段采用弯掠叶片设计、串列叶片或大小叶片技术等为压气机预留充分的稳定裕度；②在使用阶段采取可调节机构如中间级放气、进口可调导叶/静子可调等方式加大压气机的适应能力；③在压气机端壁区加装处理装置如叶顶喷气、端壁造型和机匣处理等扩稳结构来拓宽压气机的稳定工作范围。
处理机匣因为具有结构简单、易于实施及扩稳效果显著等优势，在工程上得到了广泛的应用，经过多年发展已经涌现出如周向槽式、轴向缝式、自循环式等众多机匣处理结构。从现有的关于机匣处理的研究来看，周向槽式机匣处理虽然对压气机效率影响较小，但扩稳效果并不明显；轴向缝式机匣处理可以获得较大的稳定裕度改进，但要以较大的压气机效率损失为代价；自循环式机匣处理虽然可以不降低甚至提高压气机效率，但获得的稳定裕度提升显然无法满足工程需求。可见，单一结构机匣处理设计仍然存在一定的局限性，对于现代压气机的高稳定性需求，单一结构机匣处理往往无法满足稳定裕度需求和高性能之间的平衡。因此依靠单一结构机匣处理的经验性“试错”设计甚至几何结构优化设计，显然已经无法满足当前或未来高负荷压气机的稳定性需求。现有的周向槽、轴向缝、自循环机匣处理及其单一变量优化结构可以带来不同程度的压气机性能提升，但在兼顾扩稳能力和效率方面仍有很大提升空间。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了避免现有单一机匣处理设计存在的不足，本发明提出一种压气机前置组合式机匣设计方法。
本发明的技术方案是：一种压气机前置组合式机匣设计方法，包括以下步骤：
步骤1：在压气机机匣内侧壁面沿轴向开若干条离散的轴向缝，沿周向均匀分布形成轴向缝机匣处理结构，且轴向缝结构覆盖叶顶20％轴向弦长；
步骤2：在轴向缝处理机匣的基础上，将自循环式处理机匣结构横跨于轴向缝上方，形成前置组合式机匣处理结构，自循环机匣处理的周向覆盖比为25％。
本发明进一步的技术方案是：所述轴向缝式机匣的前端位于叶顶前缘上游50％叶顶轴向弦长处，后端位于叶顶前缘下游20％叶顶轴向弦长处；开缝面积比为50％，缝深为30％叶顶轴向弦长；缝的径向倾斜方向与转子旋转方向一致，与径向的夹角为45°。
本发明进一步的技术方案是：自循环式机匣处理的引气位置位于转子尾缘上游10％叶顶轴向弦长处，喷气位置位于叶顶前缘上游80％叶顶轴向弦长处。
本发明进一步的技术方案是：所述自循环处理机匣引气口和喷气口均采用Coanda喷嘴结构，偏航角为10°。
本发明进一步的技术方案是：所述自循环处理机匣喷气口喉部高度为4倍叶尖间隙值。
本发明进一步的技术方案是：所述自循环处理机匣的桥路高度为22％叶顶轴向弦长。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明压气机前置组合式机匣设计方法，在西北工业大学轴流压气机实验台孤立转子上开展了三种机匣处理结构的对比研究，分别为单一缝式结构、单一自循环结构和前置组合式机构。结果表明，单一缝式、单一自循环式和前置组合式机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为33.91％、10.82％和22.00％；效率损失分别为2.48％、0.21％和0.35％。即与单一形式的缝式或自循环式机匣处理相比，前置组合式机匣处理能够在提升较高水平压气机失速裕度的同时显著降低机匣处理带来的效率损失。
附图说明
图1为前置组合式机匣处理三维示意图。
图2为前置组合式机匣处理前视图。
图3为前置组合式机匣处理俯视图。
图4为前置组合式机匣处理子午面视图。
附图标记说明：1—转子叶片，2—轴向缝机匣处理结构，3—自循环机匣处理结构；Z—轴向方向，ω—转子旋转方向，Cax—叶顶轴向弦长；h—缝式机匣处理缝深，
Figure BDA0002973590880000031
—缝式机匣处理径向夹角，L—缝式机匣处理缝长，Ws—缝式机匣处理缝宽，Wb—缝式机匣处理缝片宽，Lo—缝式机匣处理轴向叠合量；Za—自循环式机匣处理喷气口轴向位置，HRCT—自循环式机匣处理桥路高度，Hthroat—自循环式机匣处理喷气口喉部高度，ccp—自循环式机匣处理周向覆盖比，bleed—自循环式机匣处理引气段，bridge—自循环式机匣处理桥路，injection—自循环式机匣处理喷气段。
具体实施方式
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。
参见图1-图4，为了避免现有单一机匣处理设计存在的不足，本发明提出一种轴流压气机前置组合式机匣处理方法。该方法组合了轴向缝式机匣处理与自循环机匣处理结构，将轴向缝机匣处理采取前置叠合的形式置于压气机转子叶顶，自循环机匣处理横跨于轴向缝机匣处理上方，形成了一种前置组合式机匣处理结构。前置组合式机匣处理的扩稳优势在于：一方面，轴向缝机匣处理和自循环机匣处理带来的双重循环有效抑制了叶顶泄漏涡导致的通道堵塞，显著提升了压气机的稳定裕度；另一方面，置于前端的自循环机匣处理形成的气流预喷射作用，弱化了缝式机匣处理和通道主流的强烈掺混，解决了单一缝式机匣处理作用下压气机效率损失过大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在压气机机匣上沿轴向开多条离散的轴向缝，沿周向均匀分布形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝结构覆盖叶顶20％轴向弦长；
步骤二：在轴向缝机匣处理的基础上，将自循环式机匣处理结构横跨于轴向缝上方，形成前置组合式机匣处理结构。沿周向自循环机匣处理覆盖25％圆周面积，即自循环机匣处理的周向覆盖比为25％；
步骤三：优选地，缝式机匣处理的前端位于叶顶前缘上游50％叶顶轴向弦长处，后端位于叶顶前缘下游20％叶顶轴向弦长处；缝宽与缝片宽之比为1:1，即开缝面积比为50％，沿圆周方向均布120个轴向缝结构；缝深为30％叶顶轴向弦长；缝的径向倾斜方向与转子旋转方向一致，与径向的夹角为45°；
步骤四：优选地，自循环式机匣处理的引气位置位于转子尾缘上游10％叶顶轴向弦长处，喷气位置位于叶顶前缘上游80％叶顶轴向弦长处；引气口和喷气口均采用Coanda喷嘴结构，偏航角为10°；自循环机匣处理喷气口喉部高度为4倍叶尖间隙值；自循环机匣处理的桥路高度为22％叶顶轴向弦长；自循环机匣处理的周向覆盖比为25％，沿圆周方向均布10个自循环结构。
本实施例是一种压气机前置组合式机匣处理方法。首先，在压气机机匣上沿轴向开多条离散的轴向缝，沿周向均匀分布形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝结构覆盖叶顶20％轴向弦长；然后，在轴向缝机匣处理的基础上，将自循环式机匣处理结构横跨于轴向缝上方，形成前置组合式机匣处理结构。沿周向自循环机匣处理覆盖25％圆周面积，即自循环机匣处理的周向覆盖比为25％。
本实施例应用在西北工业大学轴流压气机实验台孤立转子Rotor704上，该转子的基本参数如表1所示。
表1 Rotor704基本参数
Figure BDA0002973590880000051
本实施例中，缝式机匣处理的前端位于叶顶前缘上游50％叶顶轴向弦长处，后端位于叶顶前缘下游20％叶顶轴向弦长处；缝宽与缝片宽之比为1:1，即开缝面积比为50％；缝深为30％叶顶轴向弦长；缝式机匣处理的径向夹角为45°；自循环式机匣处理的引气位置位于转子尾缘上游10％叶顶轴向弦长处，喷气位置位于叶顶前缘上游80％叶顶轴向弦长处；引气口和喷气口均采用Coanda喷嘴结构，偏航角为10°；自循环机匣处理喷气口喉部高度为4倍叶尖间隙值；自循环机匣处理的桥路高度为22％叶顶轴向弦长；自循环机匣处理的周向覆盖比为25％。
优选地，前置组合式机匣处理的基本几何结构参数如表2所示。
表2前置组合式机匣处理几何结构参数
Figure BDA0002973590880000061
在西北工业大学轴流压气机实验台孤立转子Rotor704上开展前置组合式机匣处理的多通道非定常数值模拟研究，其实施过程如下：
1)采用商业软件NUMECA FINE/Turbo集成的前处理软件IGG/Autogrid5模块生成压气机转子和机匣处理的数值计算网格。其中，单一形式轴向缝和单一形式自循环机匣处理网格及参数设置与组合式机匣处理设置保持一致；
2)采用NUMECA FINE/Turbo软件包中Euranus求解器对上述生成的计算网格进行全三维非定常数值计算，计算配置为：转子转速设定为常用转速10765r/min，采用Jameson有限体积法并结合k-ε(low Re yang shih)湍流模型，空间离散采用TVD 2阶迎风格式对相对坐标系下三维雷诺时均方程进行求解，非定常计算采用隐式双时间步方法，物理时间步设置为180步，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为30；
3)采用48核高性能计算机进行高速并行计算，获取数值结果并进行数据处理，分别获得单一轴向缝机匣处理、单一自循环机匣处理和前置组合式机匣处理的综合失速裕度改进量和峰值效率损失量。
研究结果表明，前置组合式机匣处理获得的综合失速裕度改进量略低于单一轴向缝式机匣处理，但较单一自循环式机匣处理高11.2％；同时效率损失比单一缝式机匣处理低2.13％，即前置组合式机匣处理能够在提升较高水平压气机失速裕度的同时显著降低机匣处理带来的效率损失。

Claims (6)

1.一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在压气机机匣内侧壁面沿轴向开若干条离散的轴向缝，沿周向均匀分布形成轴向缝机匣处理结构，且轴向缝结构覆盖叶顶20％轴向弦长；
步骤2：在轴向缝处理机匣的基础上，将自循环式处理机匣结构横跨于轴向缝上方，形成前置组合式机匣处理结构，自循环机匣处理的周向覆盖比为25％。
2.根据权利要求1所述的一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于：所述轴向缝式机匣的前端位于叶顶前缘上游50％叶顶轴向弦长处，后端位于叶顶前缘下游20％叶顶轴向弦长处；开缝面积比为50％，缝深为30％叶顶轴向弦长；缝的径向倾斜方向与转子旋转方向一致，与径向的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于：自循环式机匣处理的引气位置位于转子尾缘上游10％叶顶轴向弦长处，喷气位置位于叶顶前缘上游80％叶顶轴向弦长处。
4.根据权利要求1所述的一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于：所述自循环处理机匣引气口和喷气口均采用Coanda喷嘴结构，偏航角为10°。
5.根据权利要求1所述的一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于：所述自循环处理机匣喷气口喉部高度为4倍叶尖间隙值。
6.根据权利要求1所述的一种压气机前置组合式机匣设计方法，其特征在于：所述自循环处理机匣的桥路高度为22％叶顶轴向弦长。
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