CN114547990A - 用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、通过流体力学软件Numeca进行数值模拟计算，将边界条件进口设置总温和总压，出口设置为平均静压，壁面设置为绝热无滑移边界，获得流场流动参数分布。步骤2、采用实验设计DOE方法进行优化，对某一特定压气机得到最优的结构参数。本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法原理简单，利用缝、槽和喷嘴的耦合设计实现对叶顶泄漏涡和附面层分离进行同时控制，以更好地提高压气机的失速裕度，从而减小叶顶的流动堵塞，改善压气机内部的流动状况，进而达到较大提高压气机失速裕度的目的。

Description

用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，涉及用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法。
背景技术
在航空发动机及燃气轮机中，压气机作为航空发动机的核心部件，失速是制约其性能提高的一项关键。提高压气机的失速裕度，一直是航空发动机高性能设计的迫切需求，压气机一旦失速，轻则造成发动机空中停车，重则造成机毁人亡等重大事故，因此迫切需求探索新的设计技术以提高压气机的失速裕度，保障航空发动机及燃气轮机的安全运行。
机匣处理具有良好的改善压气机失速裕度的能力。然而，机匣处理在改善失速裕度同时会较大程度地降低压气机效率。此外，随着压气机工作条件的愈加复杂，在变转速及进气畸变等条件下，机匣处理可能失去扩稳作用。在文献Hathaway MD.Passive EndwallTreatments for Enhancing Stability[R].NASA Peport,NASA/TM—2007-214409中，Hathaway总结了各类机匣处理的作用机理及优缺点：缝式处理机匣的扩稳效果较好(约为20％)，但对压气机效率的负面影响也较大，其主要扩稳机理在于通过缝内抽吸-喷射的流动循环消除叶顶泄漏涡诱发的通道堵塞；槽式处理机匣的扩稳效果相对较低(约为10％)，对压气机效率的负面影响也较小，可在一定程度上抑制叶片吸力面附面层的分离；叶顶喷气利用高速射流达到降低叶顶负荷、减小叶顶堵塞、抑制叶顶流动不稳定性的目的，但一般需要外接高压气源。在文献高负荷两级轴流压气机耦合式机匣的设计研究[J].推进技术,2017,38(10):2365-2373中，通过对缝和喷嘴的耦合设计，得到了能够较大提高压气机失速裕度且对效率影响较小的机匣处理设计方法。该结构通过抽吸和射流的双重作用，对叶顶泄漏涡起到较强的抑制作用，但无法消除附面层分离导致的通道堵塞。
发明内容
本发明的目的是提供用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，解决了现有技术无法同时抑制叶顶泄漏涡及附面层分离，使压气机在遭遇各类进气条件及在各种工况下均能有效扩稳的问题。
本发明所采用的技术方案是，用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过流体力学软件Numeca进行数值模拟计算，将边界条件进口设置总温和总压，出口设置为平均静压，壁面设置为绝热无滑移边界，获得流场流动参数分布。
步骤2、采用实验设计DOE方法进行优化，对某一特定压气机得到最优的结构参数。
本发明的特点还在于，
步骤2在优化设计过程中具体步骤为：
步骤2.1、针对影响压气机失速裕度较大轴向缝，采用响应面方法进行优化，或者采用单变量析因研究逐一确定各变量的优选值；
步骤2.2、确定周向槽和喷嘴的设计参数，进而得到最优扩稳结构；
步骤2.3、采用两个参数对耦合式机匣的性能进行评价：失速裕度改进SMI和峰值效率的相对变化Δη
Figure BDA0003473269920000031
Δη＝ηCT,peak-ηSC,peak (2)
式中：π*为总压比，stall表示近失速点，CT表示耦合式机匣，SC表示压气机实壁机匣，η表示压气机效率，peak表示峰值效率点。
轴向缝与径向的夹角设计为30～60度。
轴向缝的径向高度为20～30％Ca，缝轴向长度为25％Ca～80％Ca，缝宽度为3.25％Ca～9.75％Ca，缝数量为压气机叶片数的2～6倍，缝的轴向位置位于-50％Ca～20％Ca。
周向槽的轴向长度一般小于10％Ca，轴向位置应位于轴向缝之后且不能超过叶片尾缘，槽沿周向连通形成一闭环回路，径向高度和轴向缝保持一致。
喷嘴采用Coanda喷嘴使其流动更贴合壁面，喷嘴周向宽度取25％～75％周向覆盖比例，喷嘴数目与叶片通道数目保持一致，喷嘴位置位于叶顶前缘之前0～20％Ca。
背腔用于连通轴向缝、周向槽和喷嘴，背腔高度小于轴向缝径向高度，背腔长和宽和其他结构刚好连接。
本发明的有益效果是：本发明基于各类机匣处理的扩稳特点及耦合设计思想，针对现有机匣处理无法同时抑制叶顶泄漏涡及附面层分离的问题，通过缝、槽和喷嘴三者耦合设计的扩稳方法，利用缝、槽和喷嘴的耦合设计实现对叶顶泄漏涡和附面层分离进行同时控制，以更好地提高压气机的失速裕度，从而减小叶顶的流动堵塞，改善压气机内部的流动状况，进而达到较大提高压气机失速裕度的目的，满足压气机稳定运行的迫切需求，提高压气机的失速裕度对整机的耗油率、推重比等指标都具有重要意义。
附图说明
图1是本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣的结构示意图；
图2是本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣的几何结构图；
图3是本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣的内部流线图；
图4是本发明实施例1总性能图；
图5是本发明实施例2总性能图；
图6是本发明实施例1压气机原型近失速点叶顶泄漏流及轴向反流区分布图；
图7是本发明实施例1耦合式机匣叶顶泄漏流及轴向反流区分布图；
图8是本发明实施例2压气机原型近失速点叶顶泄漏流及轴向反流区分布图；
图9是本发明实施例2耦合式机匣叶顶泄漏流及轴向反流区分布图。
图中，1.轮毂，2.叶轮，3.轮缘，4.耦合式机匣，5.进口，6.出口，7.轴向缝，8.周向槽，9.喷嘴，10.背腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣，如图1所示，在压气机的外机匣壁的轮缘3上增加耦合式机匣4，叶轮2周向安装于轮毂1上，叶轮2沿轮毂1轴向均匀布置若干导流叶片。耦合式机匣的结构如图2所示，包括轴向缝7、周向槽8、喷嘴9及背腔10。
轴向缝7的径向高度Hs为20～30％Ca，Ca为叶顶轴向弦长；轴向长度Ls为25％Ca～80％Ca，缝宽度Ds为3.25％Ca～9.75％Ca，缝数量N为压气机叶片数的2～6倍，缝的轴向位置Zs位于-50％Ca～20％Ca(负值表示位于叶片叶顶前缘之前)，缝在压气机外壁沿周向离散均布。考虑到压气机的旋转，为了使气流平稳流入缝中，缝与径向的夹角设计为30～60度。分别研究上述参数对压气机失速裕度和效率的影响，以确定最终的优选参数。
周向槽8的轴向长度Lg和轴向位置Zg为关键参数，周向槽8的轴向长度Lg不大于10％Ca，周向槽8的轴向位置Zg不小于轴向缝7的轴向位置Zs，且小于Ca，周向槽8的数量为1个，且沿周向连通形成一闭环回路，径向高度和轴向缝保持一致。
喷嘴9采用Coanda喷嘴使其流动更贴合壁面，喷嘴9周向宽度Di取25％～75％周向覆盖比例，喷嘴9数目与叶片通道数目保持一致，喷嘴9位置Zi位于叶顶前缘之前0～20％Ca。
基于轴向缝7、周向槽8和喷嘴9的位置及大小确定背腔10尺寸。
背腔10用于连通轴向缝7、周向槽8和喷嘴9，背腔10高度Hp小于轴向缝7的径向高度Hs，背腔10长和宽以和其他结构刚好连接。
耦合式机匣的工作原理为，当压气机开始工作时，气流从进口1流入叶轮2，绝大部分气流经叶轮2流至出口5，小部分气流经叶片叶顶间隙形成叶顶泄漏流，并与主流相互作用形成叶顶泄漏涡；与此同时，在大攻角工况下，叶片吸力面负荷过载导致附面层分离，严重堵塞叶顶流道。在耦合式机匣4作用下，耦合式机匣4内的三种流动循环，可大幅度减弱叶顶泄漏涡和附面层分离造成的通道堵塞。因此，该结构能够同时抑制叶顶泄漏涡和叶片附面层分离造成的通道堵塞，进而较大提高压气机的失速裕度。
本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣在压气机叶片的驱动下将建立自下游至上游的缝内循环、槽内周向循环，以及由槽和缝至喷嘴间的循环三种流动形式，如图3所示，A为缝内循环；B为槽内循环；C为沿背腔运动的气流；D为喷射气流；E为喷嘴内旋涡。基于这三种流动循环，耦合式机匣结构有效控制叶顶二次流，增大压气机的叶顶负载能力，降低压气机的叶顶泄漏强度和叶片附面层分离强度，最大程度地消除叶顶泄漏涡及叶片吸力面附面层诱发的叶顶堵塞，较大提高压气机的失速裕度。
本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣的设计方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过流体力学软件Numeca进行数值模拟计算，将边界条件进口设置总温和总压，出口设置为平均静压，壁面设置为绝热无滑移边界，获得流场流动参数分布。
步骤2、采用实验设计DOE方法进行优化，对某一特定压气机得到最优的结构参数。
在优化设计过程中具体步骤为：
步骤2.1、针对影响压气机失速裕度较大轴向缝，采用响应面方法进行优化，或者采用单变量析因研究逐一确定各变量的优选值；
轴向缝与径向的夹角设计为30～60度。缝的径向高度为20～30％Ca，缝轴向长度为25％Ca～80％Ca，缝宽度为3.25％Ca～9.75％Ca，缝数量为压气机叶片数的2～6倍，缝的轴向位置位于-50％Ca～20％Ca。
周向槽的轴向长度一般小于10％Ca，轴向位置应位于轴向缝之后且不能超过叶片尾缘，槽沿周向连通形成一闭环回路，径向高度和轴向缝保持一致。
喷嘴采用Coanda喷嘴使其流动更贴合壁面，喷嘴周向宽度取25％～75％周向覆盖比例，喷嘴数目与叶片通道数目保持一致，喷嘴位置位于叶顶前缘之前0～20％Ca。
背腔用于连通轴向缝、周向槽和喷嘴，其高度小于缝高，其长和宽以和其他结构刚好连接为宜。
针对不同的压气机采用适合该压气机的不同优选方式，以期获得最大的失速裕度改进与最小的效率损失，进而得到最优的结构。
步骤2.2、确定周向槽和喷嘴的设计参数，进而得到最优扩稳结构；
步骤2.3、采用两个参数对耦合式机匣的性能进行评价：失速裕度改进SMI和峰值效率的相对变化Δη；
Figure BDA0003473269920000071
Δη＝ηCT,peak-ηSC,peak (2)
式中：π*为总压比，stall表示近失速点，CT表示耦合式机匣，SC表示压气机实壁机匣，η表示压气机效率，peak表示峰值效率点。
实施例1
本实施例以NASArotor37轴流压气机为研究对象。该压气机的设计质量流量为20.19kg/s，转速为17188rpm，设计压比为2.106，等熵效率为0.889，叶片数36，轮毂比0.7，叶顶轴向弦长Ca＝28mm，叶顶间隙0.35mm。通过NUMECA软件计算得到的该压气机近失速工况叶顶泄漏流以及轴向反流区的分布由图6给出。由图6可知，该压气机叶顶存在大面积的流动堵塞，该堵塞由叶顶泄漏涡的破碎诱发。
针对该压气机对耦合式机匣进行优选设计，设计结果如表1所示。
表1实施例1中耦合式机匣的最优结构参数
Figure BDA0003473269920000072
图4给出了压气机原型以及耦合式机匣的压比特性和效率特性，由图4可知，在耦合式机匣的作用下，压气机的失速点向小流量方向偏移，即压气机失速裕度得到了较大的提升。按照公式(1)评估其失速裕度，失速裕度提高了11.77％；按照公式(2)评估其效率变化，效率损失为0.84％。
如图6和图7所示，给出了压气机原型和耦合式机匣在近失速工况下叶顶泄漏流以及轴向反流区的分布。由图6和图7可知，在耦合式机匣的作用下，压气机叶顶泄漏涡不再发生破碎，通道堵塞大幅度减少，因此耦合式机匣对叶顶泄漏涡诱发的堵塞具有较好的抑制作用；叶片吸力面附面层产生一定分离，该分离造成了一定的通道堵塞。与文献变转速下跨音速压气机的耦合扩稳方法研究.航空学报,2021,42(8):124942中的缝与喷嘴耦合后的作用效果(失速裕度提高9.31％)相比，附面层分离造成的通道堵塞大幅度降低。因此，本发明中的耦合式机匣对压气机失速裕度的提升幅度更大。
实施例2
本实施例以西北工业大学某单级轴流压气机的孤立转子作为研究对象。
该压气机的设计质量流量为5.6kg/s，转速为15200rpm，设计压比为1.249，等熵效率为0.905，叶片数30，轮毂比0.61，叶顶轴向弦长Ca＝18mm，叶顶间隙0.35mm。通过NUMECA软件计算得到的该压气机近失速工况叶顶泄漏流以及轴向反流区的分布由图8给出。由图8可知，该压气机叶顶存在大面积的流动堵塞，该堵塞由叶顶泄漏涡的膨胀诱发。
针对该压气机对耦合式机匣进行优选设计，设计结果如表2所示。
表2实施例2中耦合式机匣的最优结构参数
Figure BDA0003473269920000081
图5给出了压气机原型以及耦合式机匣的压比特性和效率特性。由图5可知，在耦合式机匣的作用下，压气机的失速点向小流量方向偏移，即压气机失速裕度得到了较大的提升。按照公式(1)评估其失速裕度，失速裕度提高了24.13％；按照公式(2)评估其效率变化，效率损失为1.5％。
如图8和图9所示，给出了压气机原型和耦合式机匣在近失速工况下叶顶泄漏流以及轴向反流区的分布。由图8和图9可知，在耦合式机匣的作用下，压气机叶顶泄漏涡不再过度膨胀，通道堵塞大幅度减少，因此耦合式机匣对叶顶泄漏涡诱发的堵塞具有较好的抑制作用；叶片吸力面附面层略微分离，该分离造成了微小的通道堵塞。与文献轴流压气机端壁失速的耦合扩稳方法及机理研究.推进技术,2020,41(3):544-552中的缝与喷嘴耦合后的作用效果(失速裕度提高18％)相比，附面层分离造成的通道堵塞大幅度降低。因此，本发明中的耦合式机匣对压气机失速裕度的提升幅度更大。
本发明用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法原理简单，耦合式机匣结构具有同时控制叶顶泄漏涡和附面层分离的能力，因而较已有的机匣处理能够更大地提高压气机的失速裕度，且对压气机效率的负面影响较小。因此，该结构能够作为压气机扩稳的一种设计思路。用于改善气流流动的耦合式机匣设计方法，整体上符合压气机设计要求，同时由于其不需要外部能量的输入，能够有效减少具体实施的难度，因此该设计方法具有广阔的发展前景。

Claims (7)

1.用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过流体力学软件Numeca进行数值模拟计算，将边界条件进口设置总温和总压，出口设置为平均静压，壁面设置为绝热无滑移边界，获得流场流动参数分布。
步骤2、采用实验设计DOE方法进行优化，对某一特定压气机得到最优的结构参数。
2.根据权利要求1所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述步骤2在优化设计过程中具体步骤为：耦合式机匣的结构包括轴向缝(7)、周向槽(8)、喷嘴(9)及背腔(10)；
步骤2.1、针对影响压气机失速裕度较大轴向缝，采用响应面方法进行优化，或者采用单变量析因研究逐一确定各变量的优选值；
步骤2.2、确定周向槽(8)和喷嘴(9)的设计参数，进而得到最优扩稳结构；
步骤2.3、采用两个参数对耦合式机匣的性能进行评价：失速裕度改进SMI和峰值效率的相对变化Δη；
Figure FDA0003473269910000011
Δη＝ηCT,peak-ηSC,peak (2)
式中：π*为总压比，stall表示近失速点，CT表示耦合式机匣，SC表示压气机实壁机匣，η表示压气机效率，peak表示峰值效率点。
3.根据权利要求2所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述轴向缝(7)与径向的夹角设计为30～60度。
4.根据权利要求2所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述轴向缝(7)的径向高度为20～30％Ca，Ca为叶顶轴向弦长，缝轴向长度为25％Ca～80％Ca，缝宽度为3.25％Ca～9.75％Ca，缝数量为压气机叶片数的2～6倍，缝的轴向位置位于-50％Ca～20％Ca。
5.根据权利要求2所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述周向槽(8)的轴向长度一般小于10％Ca，轴向位置应位于轴向缝之后且不能超过叶片尾缘，槽沿周向连通形成一闭环回路，径向高度和轴向缝(7)保持一致。
6.根据权利要求2所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述喷嘴(9)采用Coanda喷嘴使其流动更贴合壁面，喷嘴周向宽度取25％～75％周向覆盖比例，喷嘴数目与叶片通道数目保持一致，喷嘴位置位于叶顶前缘之前0～20％Ca。
7.根据权利要求2所述的用于改善压气机叶顶流动的耦合式机匣设计方法，其特征在于，所述背腔(10)用于连通轴向缝(7)、周向槽(8)和喷嘴(9)，背腔高度小于轴向缝径向高度，背腔长和宽和其他结构刚好连接。
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CN115186400A (zh) * 2022-06-15 2022-10-14 中国船舶重工集团公司第七0三研究所 一种轴流压气机叶片失速与堵塞裕量的预设计方法

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