CN114517794A - 一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，包括自循环机匣和轴对称端壁造型，所述自循环机匣安装在压气机匣壁面上，所述轴对称端壁造型设置在压气机转子通道上；所述自循环机匣与压气机机匣一端形成引气口，另一端形成射流口，且所述引气口的截面大于所述射流口的截面，形成收缩的流道；所述轴对称端壁造型设置在转子的叶顶‑10％～48％轴向弦长上。本发明公开了一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，通过在压气机机匣壁面上安装自循环机匣，然后在压气机转子通道上进行轴对称端壁造型，有效改善了压气机的稳定工作裕度并提高了设计点的效率。

Description

一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构
技术领域
本发明涉及轴流压气扩稳技术领域，尤其涉及一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构。
背景技术
航空发动机在往更大推力、更低油耗和适应更多工况方向发展的过程中，必然会受到旋转失速和喘振的限制。处理机匣是有效扩大轴流压气机稳定工作范围的有效措施之一，作为机匣处理技术的一种方案，自循环机匣处理同样可以增大轴流压气机的稳定工作范围。由于在设计工况下自循环流道内的回流是不必要的，在设计良好的压气机中，自循环机匣处理将导致设计点效率下降，这对飞机巡航状态的耗油率是不利的。因此，在自循环机匣处理的工程应用中，如何在扩稳的同时不引起轴流压气机设计点效率下降是必须解决的难题。
发明内容
本发明提供一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，为解决应用机匣处理技术扩稳时效率下降的问题提供了一种可行的办法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，包括自循环机匣和轴对称端壁造型，所述自循环机匣安装在压气机匣壁面上，所述轴对称端壁造型设置在压气机转子通道上；所述自循环机匣与压气机机匣一端形成引气口，另一端形成射流口，且所述引气口的截面大于所述射流口的截面，形成收缩的流道；所述轴对称端壁造型设置在转子的叶顶-10％～48％轴向弦长上。
进一步地，所述轴对称端壁造型中的机匣造型曲线为设置在转子机匣上的下凹曲线，且位于自循环机匣的引气口与射流口之间。
进一步地，所述机匣造型曲线的控制函数为：
Figure BDA0003526457360000011
其中，ΔHmax为最大造型高度；z为轴向坐标长度，-10％Ca＜z＜48％Ca；Ca为无量纲轴向弦长，在转子叶尖前缘为0，在转子叶尖尾缘为1；r为压气机机匣的半径。
进一步地，所述机匣造型曲线的下方设有转子叶尖造型曲线，所述转子叶尖造型曲线与所述机匣造型曲线相吻合。
进一步地，所述射流口的宽度为压气机轴向弦长的0～0.25倍，且位于转子前缘上游5％轴向弦长的上游处。
进一步地，所述引气口的宽度大于所述射流口的宽度，且位于转子尾缘上游，靠近叶顶在近失速工况下的吸力面分离区。
进一步地，所述射流口沿转子转动方向偏转一定角度，使引气口与射流口之间的中轴线与轴向在等叶高平面上的投影形成偏转角。
进一步地，所述偏转角大于0°，且小于90°。
本发明公开了一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，通过在压气机机匣壁面上安装自循环机匣，然后在压气机转子通道上进行轴对称端壁造型，有效改善压气机的稳定工作裕度和设计点效率的提高。另外，通过数值模拟验证了所述压气机无损失扩稳结构的有效性，具体指标的改进量为：在最大造型高度仅为4倍叶顶间隙时，所述跨音速轴流压气机级的综合稳定裕度提高了约6％、设计点效率提高约0.42％和近失速工况下的压气机级效率提高0.74％。从而证明应用该自循环机匣和进行轴对称端壁造型处理压气机机匣，一定程度上可以在扩稳的同时保证压气机级的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明跨音速轴流压气机三维结构示意图；
图2为本发明自循环机匣与轴对称端壁造型装配关系的子午面示意图；
图3为本发明自循环机匣安装位置俯视图；
图4为本发明自循环机匣与轴对称端壁造型装配关系的三维示意图；
图5为本发明压气机等熵效率和总压比曲线图；
图6为本发明转子叶顶静压分布图；
图7为本发明转子出口静压分布图。
图中，1、静子，2、轮毂，3、压气机机匣，4、转子，5、转子前缘，6、转子尾缘，7、转子叶尖，8、叶尖间隙，9、引气口，10、轴对称端壁造型，11、自循环机匣，12、射流口，13、机匣造型曲线，14、转子叶尖造型曲线，15、最大造型高度，16、轴向(Z轴)，17、偏转角。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
附图5-7中的baseline表示原型压气机，用C4表示联合机匣造型压气机；在压气机机匣壁面上安装自循环机匣，然后在压气机转子通道上进行轴对称端壁造型以下简称为联合机匣处理。
如图1-7所示为一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，包括自循环机匣11和轴对称端壁造型10，所述自循环机匣11安装在压气机匣3壁面上，所述轴对称端壁造型10设置在压气机转子通道上；所述自循环机匣11与压气机机匣3一端形成引气口9，另一端形成射流口12，且所述引气口9的截面大于所述射流口12的截面，形成收缩的流道；所述轴对称端壁造型10设置在转子4的叶顶-10％～48％轴向弦长上。在本实施例中，以一台跨音速轴流压气机为研究对象，其含20个转子叶片和31个静子叶片，机匣外径为432mm，转子叶尖转速大于360m/s。对跨音速轴流压气机进行联合机匣处理时，首先在压气机机匣3壁面上安装自循环机匣11，然后在压气机转子通道上进行轴对称端壁造型10。
进一步地，所述轴对称端壁造型10中的机匣造型曲线13为设置在转子机匣上的下凹曲线，且位于自循环机匣11的引气口与射流口12之间。在本实施例中，下凹的机匣造型曲线13占据转子4的前半部分，其可以是如图1中所指的曲线，也可以是其他下凹的曲线，与引气口9的位置和射流口12的位置互不影响，机匣造型曲线13的轴向范围覆盖了转子叶顶间隙泄漏涡的生成与发展区，占-10％～48％轴向16弦长。
进一步地，所述机匣造型曲线13的控制函数为：
Figure BDA0003526457360000041
其中，ΔHmax为最大造型高度；z为轴向坐标长度，-10％Ca＜z＜48％Ca；Ca为无量纲轴向弦长，在转子叶尖前缘为0，在转子叶尖尾缘为1；r为压气机机匣的半径。在本实施例中，C4压气机中ΔHmax＝4t，t是叶顶间隙。
进一步地，所述机匣造型曲线13的下方设有转子叶尖造型曲线14，所述转子叶尖造型曲线14与所述机匣造型曲线13相吻合。在本实施例中，为了使所述轴对称端壁造型10不会改变转子叶顶间隙8，轴对称端壁造型的转子叶尖7随着机匣造型曲线13变化而变化，在轴对称端壁造型形成下凹的转子叶尖造型曲线14。
进一步地，所述射流口12的宽度为压气机轴向弦长的0～0.25倍，且位于转子前缘5上游5％轴向弦长的更上游处。
进一步地，所述引气口9的宽度大于所述射流口12的宽度，且位于转子尾缘6上游，靠近叶顶在近失速工况下的吸力面分离区。在本实施例中，叶顶在近失速工况下的吸力面分离区并非是叶尖泄漏涡区。
进一步地，所述射流口12沿转子4转动方向偏转一定角度，使引气口与射流口之间的中轴线与轴向在等叶高平面上的投影形成偏转角17。
进一步地，所述偏转角17大于0°，且小于90°。
自循环机匣和机匣造型曲线改进压气机机匣稳定裕度的工作原理：当气体从转子前缘5向转子尾缘6流动时，自循环机匣11的引气口9将其下面的附面层低速团抽走；被抽走的低速流体在收缩型的自循环机匣11中加速后从射流口12高速喷出，使进入轴对称端壁造型10的流体初速度增大；被喷出的流体在与转子叶尖7附近的流体掺混后，从转子前缘5向转子尾缘6流动。由于机匣造型曲线13是下凹的，相比于压气机机匣3，它使流道的面积减小了，而且机匣造型曲线13在最大造型高度15之前是收敛型的，在最大造型高度15之后是扩张型的，当气体在流经轴对称端壁造型10时，超音速部分的流体将在最大造型高度15之前减速增压，在最大造型高度15之后加速降压；亚音速的流体将在最大造型高度15之前加速降压，在最大造型高度15之后减速增压。而当不安装自循环机匣11和机匣造型曲线13的压气机机匣中，转子超音速部分仅分布在转子的吸力面侧。因此，下凹的轴对称端壁造型10可以使转子叶顶前缘附近的叶尖压力差降低，这有助于诱导出更弱的间隙泄漏涡。通过自循环机匣11和机匣造型曲线13处理的压气机机匣3正是通过引气口位置对叶顶附面层低俗团的抽吸作用、射流口对叶顶附面层低速团的加速作用与轴对称机匣造型曲线13降低转子叶尖前缘负荷的作用使所述压气机的稳定裕度得到改善。
气体自引气口9到射流口12的流动被剧烈扭转后，从射流口12喷出时又经过与转子通道的主流掺混，不可避免的会产生流动损失和掺混损失。通过自循环机匣和机匣造型曲线改进压气机机匣后，可以削弱间隙泄漏涡和整个转子叶顶的低速区，使跨音速轴流压气机的整体损失都减小。因此，通过自循环机匣和机匣造型曲线改进压气机不仅可以对压气机进行扩稳而且可以保证压气机的效率不降低。
为了验证所述联合机匣处理的效果，在NUMECA软件中进行单通道的数值仿真。用于单通道计算的网格总数为164万，所用网格和计算设置均进行了仿真可靠性验证并通过了网格无关性检验。在所述压气机中，原型压气机的性能曲线和应用了所述联合机匣处理的压气机性能曲线列在附图四中。优选的，在最大造型高度15为叶顶间隙8的4倍时，所述联合机匣处理压气机的失速裕度、效率和压比都有改进，其中失速裕度增大5.91％，效率提高约0.7％。根据仿真结果，这种增益将随着最大造型高度15的增大而增大。
从流场中提取出转子叶顶静压分布曲线，如图5所示。所述联合机匣处理压气机中，0～5％弦长位置的吸力面静压明显减小，静压差随之减小。与自循环机匣射流口对气体的的负预旋相结合，将诱导出更弱的间隙泄漏涡。增大叶顶的通流能力，降低间隙泄漏涡的损失。所述联合机匣处理压气机使转子叶顶通流能力大大改善，这一方面是由于间隙泄漏涡的弱化，另一方面是由于自循环机匣的抽吸射流作用。这将极大地改进所述原型压气机的失速裕度。
如图5所示为所述联合机匣处理使压气机全工况下的效率和压比都有提高。在最大造型高度15仅为4倍叶顶间隙时，所述跨音速轴流压气机级的综合稳定裕度提高了约6％、设计点效率提高约0.42％和近失速工况下的压气机级效率提高0.74％。证明了所述联合机匣处理在扩稳的同时可以保证压气机级效率不降低。
如图6所示为联合机匣处理使转子叶顶的负载重新分配，0～5％弦长位置的吸力面静压明显减小，静压差随之减小，与自循环机匣射流口对气体的负预旋相结合，将诱导出更弱的间隙泄漏涡，增大叶顶的通流能力，降低间隙泄漏涡的损失。
如图7所示为应用了所述联合机匣处理的C4压气机，在约85％叶高以上转子出口密流大于原型压气机，说明所述联合机匣处理使转子通道的叶顶通流能力大大改善。这一方面是由于间隙泄漏涡的弱化，另一方面是由于自循环机匣的抽吸作用可以显著抑制了转子尾缘附近分离区的发展。这将极大地改进所述原型压气机的失速裕度。
通过在NUMECA软件中仿真，其结果证实了所述联合机匣处理对所述压气机的有效性。具有工程应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，包括自循环机匣(11)和轴对称端壁造型(10)，所述自循环机匣(11)安装在压气机匣(3)壁面上，所述轴对称端壁造型(10)设置在压气机转子通道上；所述自循环机匣(11)与压气机机匣(3)一端形成引气口(9)，另一端形成射流口(12)，且所述引气口(9)的截面大于所述射流口(12)的截面，形成收缩的流道；所述轴对称端壁造型(10)设置在转子(4)的叶顶-10％～48％轴向弦长上。
2.根据权利要求1所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述轴对称端壁造型(10)中的机匣造型曲线(13)为设置在转子机匣上的下凹曲线，且位于自循环机匣(11)的引气口与射流口(12)之间。
3.根据权利要求2所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述机匣造型曲线(13)的控制函数为：
Figure FDA0003526457350000011
其中，ΔHmax为最大造型高度；z为轴向坐标长度，-i0％Ca＜z＜48％Ca；Ca为无量纲轴向弦长，在转子叶尖前缘为0，在转子叶尖尾缘为1；r为压气机机匣的半径。
4.根据权利要求2所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述机匣造型曲线(13)的下方设有转子叶尖造型曲线(14)，所述转子叶尖造型曲线(14)与所述机匣造型曲线(13)相吻合。
5.根据权利要求1所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述射流口(12)的宽度为压气机轴向弦长的0～0.25倍，且位于转子前缘(5)上游5％轴向弦长的上游处。
6.根据权利要求1所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述引气口(9)的宽度大于所述射流口(12)的宽度，且位于转子尾缘(6)上游，靠近叶顶在近失速工况下的吸力面分离区。
7.根据权利要求1所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述射流口(12)沿转子(4)转动方向偏转一定角度，使引气口与射流口之间的中轴线与轴向在等叶高平面上的投影形成偏转角(17)。
8.根据权利要求7所述的一种跨音速轴流压气机联合机匣处理结构，其特征在于，所述偏转角(17)大于0°，且小于90°。
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