CN114321014A - 一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，通过设置于径向扩压器叶片通道内靠近机匣或轮毂处的管状气流自循环通道结构实现对扩压器内部气流的控制。由于在扩压器叶片通道中，气流的压强随着流向逐渐升高，因而在扩压器叶片通道中引入一个额外的通道可以将扩压器叶片通道下游压力较高的气体引向压力较低的扩压器叶片通道入口位置。扩压器叶片通道前后的静压差是该自循环结构能够运行的基本保障。该自循环流动控制结构能够改变扩压器入口的攻角，减小近失速点时机匣附近的进口气流角，从而使气流能更贴合扩压器叶片的流动，减弱吸力面附近的分离，拓宽整体的裕度，结构简单、易于加工，特别适用于中小型航空发动机离心压气机。

Description

一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构

技术领域

本发明属于中小型航空发动机/燃气轮机压气机技术领域，涉及一种径向扩压器的流动控制结构，具体涉及一种控制离心压气机径向扩压器流动局部自循环流动控制结构。这种控制结构通过设置于径向扩压器叶片通道内靠近机匣或轮毂处的管状气流自循环通道实现对扩压器进口流动的控制。该流动控制结构能够改变扩压器入口的攻角，使气流能更贴合扩压器叶片的流动，减弱吸力面的分离，拓宽离心压气机稳定工作裕度，同时具有结构简单、易于加工等特征，特别适用于中小型航空发动机离心压气机。

背景技术

离心压气机由于具有单级压比高、工作范围广、结构简单紧凑、零部件少、可靠性高等优点在小型燃气轮机及中小型航空发动机中得到了广泛的应用。现代高性能航空发动机对高推/功重比的需求使得压气机的压比不断提高，然而高压比使得离心叶轮出口气流很不均匀，再加上扩压器入口与离心叶轮出口之间距离很小，两者之间存在强烈的非定常相互作用，同时高压比使得径向扩压器进口马赫数增加，甚至出现超音，进一步恶化叶轮与扩压器之间的匹配，降低离心压气机的效率和工作范围，导致紧凑高效的扩压器的设计非常具有挑战性。

为了增大离心压气机的工作范围，设计者们针对离心叶轮发展了多种流动控制方法，但在公开的文献中关于扩压器的流动控制方法却很少，因此，亟需发展新的离心压气机扩压器流动控制方法。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和不足，为补充和发展离心叶轮流动控制技术，本发明提供了一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，通过设置于径向扩压器叶片通道内靠近机匣或轮毂处的管状气流自循环通道结构实现对扩压器内部气流的控制。由于在扩压器叶片通道中，气流的压强随着流向是逐渐升高的，因而在扩压器叶片通道中引入一个额外的通道可以将扩压器叶片通道下游压力较高的气体引向压力较低的扩压器叶片通道入口位置。扩压器叶片通道前后的静压差是保证该自循环结构能够运行的基本保障。该自循环流动控制结构能够改变扩压器入口的攻角，减小近失速点时机匣附近的进口气流角，从而使气流能更贴合扩压器叶片的流动，减弱吸力面附近的分离，拓宽整体的裕度，结构相对简单、易于加工，特别适用于中小型航空发动机离心压气机。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，包括离心叶轮、径向扩压器，所述径向扩压器包括机匣壁面、轮毂壁面以及设置在所述机匣壁面和轮毂壁面之间并沿周向均匀分布的多个扩压器叶片，相邻两所述扩压器叶片之间的空间形成为扩压器叶片通道，其特征在于，

所述径向扩压器的机匣壁面和/或轮毂壁面上沿周向开设若干管状气流自循环通道，每一所述扩压器叶片通道至少对应开设一所述管状气流自循环通道，每一所述管状气流自循环通道的一端延伸至其对应的扩压器叶片通道的下游位置并形成为吸气口、另一端延伸至其对应的扩压器叶片通道的上游位置并形成为喷气口。

本发明的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，初始离心压气机中扩压器机匣壁面或轮毂壁面为平滑的曲面，并以两相邻叶片所围成的区域为一个周期。本发明在扩压器的机匣壁面或轮毂壁面上开一个管状的空腔通道，该通道连通着扩压器的前端和后端。当扩压器处于小流量工况时，扩压器后部的气流可以通过该通道从扩压器的前端流出，即实现了从扩压器后部吸气后再把气体喷射在扩压器前部的自循环结构；通过该种几何结构的变化，改善了扩压器进口的攻角特性，抑制了小流量工况下扩压器吸力面附近的分离。本发明的管状气流自循环通道设置在扩压器机匣壁面或轮毂壁面处，通过设置空腔实现气流的循环流动，改善扩压器入口处高展向的气流攻角，抑制吸力面附近的流动分离。

优选地，所述管状气流自循环通道的形状整体呈U形、C形或圆弧形，其横截面为圆形、椭圆形、多边形管等构型，其主要目的是通过该构型实现引气。管状气流自循环通道的一端在扩压器入口的机匣或轮毂处，另一端在扩压器通道机匣壁面或轮毂壁面靠近尾部的位置。

优选地，所述管状气流自循环通道的截面积为所述扩压器叶片通道喉部面积的1％-4％，通过所述管状气流自循环通道的气流流量占所述扩压器叶片通道主流最大流量的1％左右。本发明所述的管状气流自循环通道，所述自循环管状结构由一个圆形面或是多边形面等沿一根U形的线扫掠而成。圆形面的直径和U形线的跨度决定了流过该通道气流的流量。为了把通过该管的流量控制在适当的范围内，进而保证使用最小的循环流量来达到控制流场的目的，需要把管子的截面积和管在扩压器中的弦向跨度做一个限制。所述管的截面积主要由扩压器的大小决定，与扩压器的喉部密切相关，因为扩压器喉部的大小决定了通过扩压器的流量。

优选地，所述管状气流自循环通道的吸气口和喷气口由参数化的方法确定，分别沿周向和弦向设置控制线。所述管状气流自循环通道的引气和喷气位置用参数化的方法确定。由于该管中气流流动的驱动力是管子两侧的压差，压差大小需要控制在一定的范围才能取得更好的效果。在扩压器内部，沿着弦长方向，静压平滑地逐步升高，因而在扩压器的入口处设置一个管口作为喷气口，在扩压器的下游设置一个管口作为吸气口，以保证两个管口之间有一个较为合适的压差，从而把扩压器下游的高压气体通过管子自循环结构引至扩压器入口喷出。喷气口和吸气口的弦向位置及周向位置是影响整个自循环效应的关键。在扩压器入口处取3*5个参考点，作为设置喷气口位置的参考，沿弦向位置布置三排，沿周向位置布置五排；同样，在扩压器的下游取3*5个参考点，作为吸气口位置的参考点。在这些参考点中选择最合适的周向及弦向分布，找到最适合该扩压器的管状自循环结构，以达到改善扩压器内部流动，并拓宽离心压气机稳定工作裕度的目的。

同现有技术相比，本发明的离心压气机径向扩压器的局部自循环流动控制结构具有显著的技术特点：

1)本发明的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，具有结构简单、设计加工方便、易于实现等优点，对原有离心压气机扩压器机匣壁面或轮毂壁面进行改型加工，无需改变原有扩压器的主体构型；

2)本发明的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，可以有效弥补现有技术的不足：离心压气机工作的裕度范围较小，现有技术通常以改善叶轮通道的流场来拓宽整体的工作裕度但扩稳的能力有限，尤其是在高转速的工况下。本发明通过自循环引气，在不增加其他引气来源的情况下，利用占主流约1％流量的高压气流，来改善扩压器叶顶区域的流动状况，抑制分离区的发展，实现整体离心压气机的裕度的拓宽，即可对现有技术形成补充，也可单独使用；

3)本发明的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，管状自循环机匣壁面造型方法多样，可以有多种不同形状的截面设计；管口的分布也十分多变灵活，适用于不同扩压器；在子午面的截面也不限于U形，可以是圆弧形等。

附图说明

图1为带本发明的径向扩压器局部自循环流动控制结构的离心压气机子午流道图；

图2为本发明的径向扩压器局部自循环流动控制结构示意图；

图3为管状气流自循环通道的喷气口、吸气口及喉部位置的轴向视图；

图4为管状气流自循环通道的参数化的气口位置分布示意图。

附图标记说明：

10-离心叶轮，20-径向扩压器，21-管状气流自循环通道，211-吸气口，212-喷气口，22-扩压器机匣或轮毂壁面，23-扩压器叶片，24-喉部位置。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～3所示，本发明的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，包括离心叶轮10、径向扩压器20，初始径向扩压器20的机匣壁面或轮毂壁面23为平滑的曲面，并以两相邻扩压器叶片23所围成的区域为一个周期。本发明在扩压器的机匣壁面或轮毂壁面23上开设一个管状的空腔通道，即管状气流自循环通道21，该管状气流自循环通道21连通着扩压器叶片通道的前端和后端。当扩压器处于小流量工况时，扩压器叶片通道后部的气流可以通过该管状气流自循环通道21从扩压器叶片通道的前端流出，即实现了从扩压器叶片通道的后部吸气后再把气体喷射在扩压器叶片通道前部的自循环结构；通过该种几何结构的变化，改善了径向扩压器进口的攻角特性，抑制了小流量工况下扩压器吸力面附近的分离。

本发明的局部气流自循环管结构设置在扩压器机匣壁面或轮毂壁面22处，通过设置管状气流自循环通道实现气流的循环流动，改善径向扩压器入口处高展向的气流攻角，抑制吸力面附近的流动分离。

管状气流自循环通道21的形状整体呈U形、C形或圆弧形，管状气流自循环通道21的横截面可以为圆形、椭圆形、多边形等构型，其主要目的是通过该构型实现引气。管状气流自循环通道21的一端，即喷气口212，设置在扩压器入口的机匣或轮毂处，管状气流自循环通道21的另一端，即吸气口211，设置在扩压器通道机匣壁面或轮毂壁面靠近尾部的位置。

管状气流自循环通道21由一个圆形面或是多边形面等沿一根U形的线扫掠而成。圆形面的直径和U形线的跨度决定了流过该通道气流的流量。为了把通过该管状气流自循环通道21的流量控制在适当的范围内，进而保证使用最小的循环流量来达到控制流场的目的，需要把管状气流自循环通道21的截面积和管状气流自循环通道21在扩压器中的弦向跨度做一个限制。

管状气流自循环通道21的截面积主要由扩压器的大小决定，与扩压器的喉部截面积密切相关，因为扩压器喉部截面积的大小决定了通过扩压器叶片通道的流量。控制管状气流自循环通道的截面积在1％-4％的喉部面积为佳。

如图4所示，管状气流自循环通道21的吸气口211、喷气口212的位置用参数化的方法确定。由于管状气流自循环通道21中气流流动的驱动力是自循环管两端的压差，压差大小需要控制在一定的范围才能取得更好的效果。在扩压器叶片通道内部，沿着弦长方向，静压平滑地逐步升高，因而在扩压器叶片通道的入口处设置一个管口作为喷气口212，在扩压器叶片通道的下游设置一个管口作为吸气口211，以保证两个管口之间有一个较为合适的压差，从而把扩压器叶片通道下游的高压气体通过自循环管引至扩压器叶片通道的入口喷出。喷气口212和吸气口211的弦向位置及周向位置是影响整个自循环效应的关键。在扩压器入口处取3*5个参考点，作为设置喷气口212位置的参考，沿弦向位置布置三排，沿周向位置布置五排；同样，在扩压器的下游取3*5个参考点，作为吸气口211位置的参考点。在这些参考点中选择最合适的周向及弦向分布，找到最适合该扩压器的管状自循环结构，以达到改善扩压器内部流动，并拓宽离心压气机稳定工作裕度的目的。此外，本发明的气流自循环流动控制结构位于扩压器机匣或轮毂比较平滑的位置，管状气流自循环通道21的截面几何规整，结构相对简单、易于加工。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，包括离心叶轮、径向扩压器，所述径向扩压器包括机匣壁面、轮毂壁面以及设置在所述机匣壁面和轮毂壁面之间并沿周向均匀分布的多个扩压器叶片，相邻两所述扩压器叶片之间的空间形成为扩压器叶片通道，其特征在于，

所述径向扩压器的机匣壁面和/或轮毂壁面上沿周向开设若干管状气流自循环通道，每一所述扩压器叶片通道至少对应开设一所述管状气流自循环通道，每一所述管状气流自循环通道的一端延伸至其对应的扩压器叶片通道的下游位置并形成为吸气口、另一端延伸至其对应的扩压器叶片通道的上游位置并形成为喷气口。

2.根据上述权利要求所述的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，其特征在于，所述管状气流自循环通道的形状整体呈U形、C形或圆弧形，其横截面为圆形、椭圆形、多边形管等构型。

3.根据上述权利要求所述的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，其特征在于，所述管状气流自循环通道的截面积为所述扩压器叶片通道喉部面积的1％-4％，通过所述管状气流自循环通道的气流流量占所述扩压器叶片通道主流最大流量的1％左右。

4.根据上述权利要求所述的离心压气机径向扩压器局部自循环流动控制结构，其特征在于，所述管状气流自循环通道的吸气口和喷气口由参数化的方法确定，分别沿周向和弦向设置控制线。

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