CN114183403A - 一种斜孔式处理机匣及压气机 - Google Patents

Abstract

本发明属于处理机匣技术领域，具体涉及一种斜孔式处理机匣及压气机，其中，一种斜孔式处理机匣，包括机匣本体和设置在机匣本体上的若干个气孔，其中，机匣本体的内侧设有压气机，机匣本体的外侧设有外机匣，外机匣扣接在机匣本体上并在二者之间围成附加腔；气孔贯穿机匣本体并连通机匣本体的内侧与附加腔，以使机匣本体内侧的气体通过附加腔循环流动。一种压气机，包括所述的斜孔式处理机匣。一种斜孔式处理机匣及压气机利用气孔导引压气机流道上被滞塞的气体，并推动下方滞塞气体向流道后部流动，降低滞塞气体对压气机流场特性的影响，提高压气机的稳定性裕度。同时，本斜孔式处理机匣兼具工艺要求低、加工成本低、适用性高的特点。

Description

一种斜孔式处理机匣及压气机

技术领域

本发明属于处理机匣技术领域，具体涉及一种斜孔式处理机匣及压气机。

背景技术

压气机是一种通过旋转的叶片对气流做功以提高气流压力的机械。压气机叶轮叶片的前端部分呈弯曲状称为导轮，其起到的作用是将气体无冲击的导入工作叶轮，减小气流冲击损失。小型增压器的压气机叶轮一般将导轮与工作叶轮制成一体。压气机的叶轮出口有扩压器，使气体在叶轮中获得的动能尽可能多地转化为压力。压气机的外壳有气流的进口和出口。进口一般呈轴向布置，流道略呈渐缩，以减小进气阻力。出口一般设计成流道沿圆周渐扩的蜗壳状，使高速气流在出口处可以继续扩压，提高增压器的总效率。

根据结构形式的不同，压气机主要可以分为轴流式、径流式、斜流式和混合式四种。压气机是燃气涡轮发动机（主要包括航空发动机和地面燃气轮机）的重要部件之一，其性能的好坏对燃气涡轮发动机的性能产生重要的影响。

压气机在使用过程中可能出现压气机喘振，即气流沿压气机轴线方向发生低频率、高振幅的震荡现象，压气机喘振一直是制约着燃机性能提升的重要因素。为了解决压气机喘振的问题，现有技术中所采用的一种解决方案是设置处理机匣，处理机匣是一种用来扩大压气机稳定工作范围和改进性能的装置，即在压气机机匣上与一级或几级转子顶部的相应部位，扣、开缝或构造成多孔内壁，以抑制叶尖区气流的失速和改变流动损失。

现有的处理机匣多为槽式处理机匣和缝式处理机匣。槽式处理机匣在应用时，其将堵塞气体引入气腔的难度较大、很难对对引入的气体流动进行控制，对压气机效率的提升微乎其微；缝式处理机匣在应用时，一般情况下要求缝越长越好，这同时又对机匣及叶片的轴向长度起到了一定的限制作用，设计的难度大大增加，制约了其适用性。

发明内容

本发明的目的是提供一种斜孔式处理机匣及压气机，解决了压气机喘振的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种斜孔式处理机匣，包括机匣本体和设置在机匣本体上的若干个气孔，其中，机匣本体的内侧设有压气机，机匣本体的外侧设有外机匣，外机匣扣接在机匣本体上并在二者之间围成附加腔；气孔贯穿机匣本体并连通机匣本体的内侧与附加腔，以使机匣本体内侧的气体通过附加腔循环流动。

上述的斜孔式处理机匣通过外机匣形成附加腔，再利用气孔将滞塞在压气机流道内的气体吸入附加腔，再向外喷射至流道内，提高了滞塞气体的流动性，对主动流量进行补给，改善流道的堵塞情况，保障压气机的空气流量始终高于发生喘振的最高值，有效避免了压气机发生喘振。

在一种可能的设计中，气孔分为进气组和排气组，进气组包括若干排近压气机转子的叶片的气孔，排气组包括若干排近机匣本体进气端的气孔，其中，相邻排的气孔沿机匣本体的轴线方向间隔设置在机匣本体上，相邻排之间的气孔相互错位。

在一种可能的设计中，进气组包括两排气孔，排气组包括三排气孔。

在一种可能的设计中，相邻排之间的气孔相互错位0.4°-0.6°。

在一种可能的设计中，气孔均倾斜设置，其中，进气组内气孔由上至下向机匣本体进气端方向倾斜，排气组内气孔由上至下向压气机转子的叶片方向倾斜。

在一种可能的设计中，每排气孔沿机匣本体的周向均布在机匣本体上。

在一种可能的设计中，气孔的轴线相对机匣本体的轴线倾斜20°-35°。

在一种可能的设计中，气孔的轴线相对水平方向倾斜40°-50°。

在一种可能的设计中，气孔的孔径为压气机转子的叶片顶轴向弦长的8%～10%。

另一方面，本发明提供了一种压气机，包括所述的斜孔式处理机匣。

上述的压气机利用结构简单、工艺性好的斜孔式处理机匣有效解决了喘振问题，同时，该斜孔式处理机匣加工方便，无需专门制作对应的夹具或刀具，实用性高，相比于缝式处理机匣和槽式处理机匣，加工成本可以至少降低20%。

有益效果：

一种斜孔式处理机匣利用气孔导引压气机流道上被滞塞的气体，并推动下方滞塞气体向流道后部流动，降低滞塞气体对压气机流场特性的影响，提高压气机的稳定性裕度。同时，本斜孔式处理机匣兼具工艺要求低、加工成本低、适用性高的特点。此外，气孔加工时无需专门制作对应的夹具或刀具，加工性能好，实用性高，相比于缝式处理机匣和槽式处理机匣，加工成本可以至少降低20%，有利于推广使用。

一种压气机既减小了滞塞气体对流道稳定性的影响，又提高了气体的利用率，减小了压气机由于转速变化所带来的负面影响，可以很大程度地提高压气机的稳定性裕度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为一种斜孔式处理机匣的结构示意图。

图2为一种斜孔式处理机匣的气体流动示意图。

图3为一种斜孔式处理机匣的俯视结构示意图。

图4为图3中B-B截面的结构示意图。

图5为图3中A-A截面的结构示意图。

图中：

1、机匣本体；2、气孔；3、外机匣；4、附加腔；5、叶片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1：

现有的处理机匣应用于压气机时，对于改善压气机喘振现象、提高压气机的稳定性裕度的帮助不大，而随着时间发展，燃机要求压气机具有高压比、高负荷等性能，如何提高压气机稳定性裕度一直是制约燃机性能提升的难题。因此，亟需一种有别于现有处理机匣的解决方案。

如图1-图5所示，一种斜孔式处理机匣，包括机匣本体1和设置在机匣本体1上的若干个气孔2，即本发明提供了一种斜孔式处理机匣，利用气孔2导引压气机流道上被滞塞的气体，并推动下方滞塞气体向流道后部流动，降低滞塞气体对压气机流场特性的影响，提高压气机的稳定性裕度。同时，本斜孔式处理机匣兼具工艺要求低、加工成本低、适用性高的特点。

下面结合具体的实施方式进行说明：机匣本体1的内侧设有压气机，机匣本体1的外侧设有外机匣3，外机匣3扣接在机匣本体1上并在二者之间围成附加腔4；气孔2贯穿机匣本体1并连通机匣本体1的内侧与附加腔4，以使机匣本体1内侧的气体通过附加腔4循环流动。

压气机的转子上设有若干个叶片5，在压气机工作时，对于机匣本体1内侧的特定位置，转子上的叶片5将依次掠过该位置。叶片5的转动将推动压气机内气体流动并使得叶片5的前后两侧出现压差。利用该压差可推动滞塞在压气机流道内的气体经气孔2向附加腔4流动，附加腔4内压强逐渐增大并将附加腔4内的气体导引回机匣本体1的内腔中，则滞塞气体得以再次流动，流道内气体的流动更顺畅，改善了流道下方气体堵塞的情况，保障压气机的空气流量，有效避免了压气机喘振现象的发生。

具体来说，参见图1-图2，转子的叶片5转动并掠过一气孔2，以叶片5转动方向为基准，叶片5上朝向转动方向的侧面为前端面，背离转动方向的侧面为后端面，那么，滞塞气体将在前端面的推动下经气孔2流入附加腔4内。叶片5转过气孔2后，叶片5的后端面压强较小，而附加腔4内压强较大，故附加腔4内气体再经气孔2流回，实现对压气机的空气流量的有效补给。

机匣本体1上沿叶片5转动方向间隔设置了多个气孔2，则叶片5掠过每个气孔2将重复一次上述的气体流动过程，如此一来，极大提高了滞塞气体的流动性。但在实际使用过程中，转子的转速极快，而气体流动的速度相对较慢，因此，转子转过所有气孔2时，气体只能完成一次循环，即沿叶片5转动方向间隔设置的多个气孔2中，部分气孔2仅进气，部分气孔2仅出气。

那么，将上述气体流动过程由图1所示的一列气孔2扩展至机匣本体1的周向上，则有效提高了滞塞气体的流动性，充分保障了压气机的空气流量。

同样的，对于位于机匣本体1上的若干个气孔2按照功能进行分组，即气孔2分为进气组和排气组，气孔2的排布方式包括但不限于：

参见图1-图3，进气组包括若干排近压气机转子的叶片5的气孔2，排气组包括若干排近机匣本体1进气端的气孔2，其中，相邻排的气孔2沿机匣本体1的轴线方向间隔设置在机匣本体1上，相邻排之间的气孔2相互错位。

即在转子叶片5的转动方向上，叶片5先掠过的部分气孔2为排气组，后掠过的部分气孔2为进气组。如此一来，叶片5推动气体通过进气组进入附加腔4内，直至附加腔4与叶片5前端面二者的压强一致；当叶片5已经掠过排气组后，则排气组位于叶片5的后方，而叶片5的后端面压强较小，附加腔4内压强较大，故附加腔4内气体再经排气组流回并推动流道下方滞塞的气体往流道后部流动，对主动流量进行有效的补给。

同时，气孔2错位有助于降低气孔2的加工难度，即相邻排的气孔2不错位时，机匣本体1的壁厚较小，且两相邻气孔2之间的间距较小，在加工时有破壁的风险。实际加工过程中，为了避免在加工过程中造成机匣本体1的破裂，需采用难度相对较高的加工方法进行加工，但此时也大幅度提高了加工成本，且增幅至少是40%，极大提高了预算成本。因此，通过错位的设计，第一方面保证了机匣本体1在加工过程中不会出现损坏，第二方面方便于气孔2的加工，第三方面又可以大大减少经济成本。

气孔2的数量越多，对滞塞气体的吸收率就越高，但气孔2过多将会影响机匣本体1的静强度，影响到机匣本体1的正常使用。因此，应当结合机匣本体1的轴向长度、机匣本体1的孔径、压气机工况等实际工作条件，以确定气孔2的数量。

具体的，在一种可能的实现方式中，进气组包括两排气孔2，排气组包括三排气孔2。基于上述设计，既可以保证附加腔4的气体吸收率，降低喘振发生的概率，又可以保障机匣本体1的静强度，延长机匣本体1的使用寿命。

在一种可能的实现方式中，相邻排之间的气孔2相互错位0.4°-0.6°。可选地，错位角度可以是0.4°、0.45°、0.5°、0.55°或0.6°中的任一者，具体的错位角度可以根据实际使用条件进行选择。

此外，对气孔2的结构进行改进：气孔2均倾斜设置，如此一来，改变了气孔2与叶片5之间的相对角度，以此来改善附加腔4的进气效率和出气效率，提高滞塞气体的流动性。

优选地，进气组内气孔2的倾斜方向如下：进气组内气孔2由上至下向机匣本体1进气端方向倾斜。同理，排气组内气孔2的倾斜方向如下：排气组内气孔2由上至下向压气机转子的叶片5方向倾斜。

即气孔2与叶片5之间越接近于垂直，进气越容易，提高了进气效率，也就有助于加快排气，气体流动速度加快，从而保证在高转速下，空气流量大于发生喘振的最高值。且排气对着流道斜向朝下，从气孔2内喷射出来的气流可以推动流道下方滞塞的气体往流道后部流动，对主动流量进行有效的补给，良好地改善了流道下方气体的堵塞情况，使得通道内气体流动更加顺畅。

在一种可能的实现方式中，每排气孔2沿机匣本体1的周向均布在机匣本体1上。基于上述设计，气孔2沿机匣本体1的周向设置，有效提高了滞塞气体的流动性，充分保障了压气机的空气流量。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，气孔2的轴线相对机匣本体1的轴线倾斜20°-35°。可选地，气孔2的轴线相对机匣本体1的轴线倾斜20°、22.5°、25°、27.5°、30°、32.5°或35°中的任一者，具体倾斜角度可以根据实际条件进行选择。

在一种可能的实现方式中，如图4-图5所示，气孔2的轴线相对水平方向倾斜40°-50°。可选地，气孔2的轴线相对水平方向倾斜40°、42.5°、45°、47.5°或50°中的任一者，具体倾斜角度可以根据实际条件进行选择。

同时，气孔2的轴线与机匣本体1的轴线的夹角，以及气孔2的轴线与水平方向的夹角，二者对滞塞气体的吸收率的影响均呈抛物线状，且前者在20-35°之间趋于峰值，后者在40°-50°之间趋于峰值。因此，上述的两个夹角可以在上述提供的范围内选择任意一个合适的角度。

在一种可能的实现方式中，气孔2的孔径为压气机转子的叶片5顶轴向弦长的8%～10%。如此一来，方便于快速确定气孔2的尺寸，简化设计，降低设计成本。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，对使用实施例1中所述的斜孔式处理机匣的使用进行说明：一种压气机，包括所述的斜孔式处理机匣。

通过结构简单、工艺性好的斜孔式处理机匣，将压气机流道上方气体吸入附加腔4内，再往外喷射，推动流道下方滞塞的气体，对主动流量进行补给，改善整个流道的堵塞情况，使得流道内气体流动更加顺畅。如此一来，既减小了滞塞气体对流道稳定性的影响，又提高了气体的利用率，减小了压气机由于转速变化所带来的负面影响，可以很大程度地提高压气机的稳定性裕度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。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 (10)

1.一种斜孔式处理机匣，其特征在于，包括机匣本体（1）和设置在机匣本体（1）上的若干个气孔（2），其中，机匣本体（1）的内侧设有压气机，机匣本体（1）的外侧设有外机匣（3），外机匣（3）扣接在机匣本体（1）上并在二者之间围成附加腔（4）；气孔（2）贯穿机匣本体（1）并连通机匣本体（1）的内侧与附加腔（4），以使机匣本体（1）内侧的气体通过附加腔（4）循环流动。

2.根据权利要求1所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，气孔（2）分为进气组和排气组，进气组包括若干排近压气机转子的叶片（5）的气孔（2），排气组包括若干排近机匣本体（1）进气端的气孔（2），其中，相邻排的气孔（2）沿机匣本体（1）的轴线方向间隔设置在机匣本体（1）上，相邻排之间的气孔（2）相互错位。

3.根据权利要求2所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，进气组包括两排气孔（2），排气组包括三排气孔（2）。

4.根据权利要求2-3中任一项所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，相邻排之间的气孔（2）相互错位0.4°-0.6°。

5.根据权利要求4所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，气孔（2）均倾斜设置，其中，进气组内气孔（2）由上至下向机匣本体（1）进气端方向倾斜，排气组内气孔（2）由上至下向压气机转子的叶片（5）方向倾斜。

6.根据权利要求4所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，每排气孔（2）沿机匣本体（1）的周向均布在机匣本体（1）上。

7.根据权利要求1所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，气孔（2）的轴线相对机匣本体（1）的轴线倾斜20°-35°。

8.根据权利要求1所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，气孔（2）的轴线相对水平方向倾斜40°-50°。

9.根据权利要求1所述的斜孔式处理机匣，其特征在于，气孔（2）的孔径为压气机转子的叶片（5）顶轴向弦长的8%～10%。

10.一种压气机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的斜孔式处理机匣。

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