CN114576205A - 一种带模式转换的高效自循环处理机匣 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带模式转换的高效自循环处理机匣，属于压气机技术领域，包括环形腔体、多个导流片和模式转换机构，在压气机第一级或第二级转子的机匣内侧壁面开设与压气机同轴设置的环形腔体。本发明所提出的带模式转换的本自循环处理机匣，在打开自循环模式时，利用腔体内的压差，减弱了叶尖前缘溢流的强度，抑制了间隙泄漏流的发展，使得叶顶通道内无大面积的回流循环区域存在，提高了转子顶部通道的流通能力，进而减少叶顶区的流动损失，使得转子叶片上游区域的大尺度堵塞团被削弱，抑制了在小流量情况下转子通道内部的分离，从而改善了压气机中低转速的稳定工作裕度。在关闭自循环模式时，可以避免机匣处理使设计点效率较低的问题。

Description

一种带模式转换的高效自循环处理机匣
技术领域
本发明属于压气机技术领域，具体是一种带模式转换的高效自循环处理机匣。
背景技术
压气机作为发动机的核心部件之一，其优劣直接影响航空发动机的性能。近年来，随着压气机压比和负荷不断提高，致使其内部流动更加不稳定，进而影响发动机的稳定工作，因此，拓宽压气机稳定工作裕度成为设计人员亟待解决的关键问题。处理机匣用于提高压气机稳定工作裕度，由于该装置具有结构简单、成本低廉，可靠性高等特点被广泛应用于许多发动机中。
图1为缝式处理机匣的结构形式，是典型的处理机匣结构形式，该结构是在机匣上沿压气机的周向开槽，具有轴对称的结构外形。在均匀来流情况下，该结构以降低设计点效率的代价提高压气机的稳定工作裕度。
传统的处理机匣结构形式可在一定范围内提高压气机的稳定工作裕度，但是通常以降低设计点效率为代价，效率降低量约为0.5％-2％，在航空发动机中，压气机部件效率的降低将导致耗油率增加，进而影响到发动机的经济性。因此，如何改进传统处理机匣的结构形式，设计出全转速范围内拓宽压气机工作裕度，同时不降低设计点效率的本自循环处理机匣是本发明的初衷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带模式转换的高效自循环处理机匣，既明显提高中低转速内压气机稳定工作裕度又不降低近设计点效率的本自循环处理机匣结构，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提供一种带模式转换的高效自循环处理机匣，包括：
开设于所述机匣内侧壁面的环形腔体，所述环形腔体内设置有多个导流片，多个导流片绕着压气机轴的轴线周向均匀分布，用于引导环形腔体内气流方向；
模式转换机构，所述模式转换机构包括：用于封闭环形腔体的光壁带；用于穿行光壁带的光壁带槽；以及用于卷入和卷出光壁带的卷扬机；所述光壁带槽开设于环形腔体内两侧的机匣上，所述卷扬机设置于机匣的外侧。
进一步地，所述导流片沿着机匣径向的剖面呈折线形。
进一步地，所述导流片的折角B为110°-180°。
进一步地，所述导流片数量为对应级转子叶片数目的3-8倍。
进一步地，所述环形腔体的前端壁面与机匣内壁呈D角，D角为110°-165°。
进一步地，所述环形腔体的后端壁面与机匣壁呈G角，G角为30°-90°。
进一步地，所述环形腔体后壁面距转子叶尖前缘距离Lb为转子叶尖基元轴向长度Ca的20％-60％。
进一步地，所述环形腔体轴向宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-120％。
进一步地，所述机匣为压气机第一级和/或第二级转子的机匣。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所提出的带模式转换的本自循环处理机匣，在打开自循环模式时，利用腔体内的压差，将压力面部分气体向转子上游区域输运并重新注入转子通道，减弱了叶尖前缘溢流的强度，抑制了间隙泄漏流的发展，迫使泄漏涡向叶片后部转移，使得叶顶通道内无大面积的回流循环区域存在，提高了转子顶部通道的流通能力，进而减少叶顶区的流动损失，该作用机制使得转子叶片上游区域的大尺度堵塞团被削弱，抑制了在小流量情况下转子通道内部的分离，从而改善了压气机中低转速的稳定工作裕度。在关闭自循环模式时，可以避免机匣处理使设计点效率较低的问题。
附图说明
图1是现有技术提供的缝式处理机匣的结构形式；
图2是本发明实施例提供的本自循环处理机匣腔体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的本自循环处理机匣模式转换结构示意图；
图4是本发明实施例提供的导流片截面示意图；
图5是本发明实施例提供的导流片垂直于叶尖叶型弦线方向示意图；
图6是本发明实施例提供的本自循环处理机匣的压比-流量特性图；
图7是本发明实施例提供的本自循环处理机匣的效率-流量特性图。
图中：1、机匣；2、环形腔体；3、光壁带；4、密封装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。一种带模式转换的高效自循环处理机匣限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
根据本发明的一个总体技术构思，如图1-7所示，提供一种带模式转换的高效自循环处理机匣，适用于各种流量等级的高裕度压气机、鼓风机、航空\船用\发电等各种用途的燃气轮机，包括环形腔体2、多个导流片和模式转换机构，在压气机第一级或第二级转子的机匣1内侧壁面开设与压气机同轴设置的环形腔体2，环形腔体2内部的导流片采用倾斜折线形设计，环形腔体2的前端和后端壁面均与机匣1壁呈一定角度，以减少气流在腔体内流动产生的损失。
模式转换机构包括：用于封闭环形腔体2的光壁带3；用于穿行光壁带3的光壁带槽；以及用于卷入和卷出光壁带3的卷扬机；卷扬机设置于机匣1的外侧。在环形腔体2内靠近转子尖部处设有一圈光壁带槽，光壁带槽内可以穿过光壁带3，光壁带3的下边与机匣1流道平齐，无台阶。光壁带3可以穿出对半机匣1，通过对半机匣1上的卷扬机使光壁带3在光壁带槽内的卷入和卷出，在光壁带3的出口处设置密封装置4，用于保证机匣1的气密性，从而实现本自循环处理机匣自循环模式的开关。
本实施例中，导流片沿着机匣1径向方向的一端与环形腔体2的顶面固定连接，导流片沿着机匣1轴向方向的一侧边与环形腔体2的前端固定连接；具体地，在机匣1内壁面采用铣削加工出环形腔体2和导流片，即环形腔体2和导流片一体成型，或者导流片焊接于环形腔体2内；环形腔体2的内壁面与前端壁面和后端壁面均以圆弧面过渡。
导流片数量为对应级转子叶片数目的3-8倍，导流片数越多扩稳效果越显著，但太多摩擦损失增加会降低压气机效率，而导流片数过少则扩稳效果不明显。模式转换机构可以根据需要打开和关闭本自循环处理机匣的自循环。模式转换是通过图3所示的光壁带3通过卷扬机卷出和卷入实现的。
请参阅图2所示，环形腔体2后壁面与机匣1子午投影夹角G为30°-90°；环形腔体2前壁面与机匣1子午投影夹角D为110°-165°。
请参阅图2和4所示，环形腔体2内导流片的长度方向与第一级转子叶尖基元弦向夹角A为70°-90°；在另一实施例中，环形腔体2内导流片的长度方向与第一级转子叶尖基元弦向夹角A为80°-90°。
本实施例中，环形腔体2后壁面距转子叶尖前缘距离Lb为转子叶尖基元轴向长度Ca的20％-60％；在另一实施例中，环形腔体2后壁面距转子叶尖前缘距离Lb为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-50％。
本实施例中，的环形腔体2子午投影宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-120％；在另一实施例中，环形腔体2子午投影宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的60％-90％。
本实施例中，环形腔体2子午投影宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-120％；在另一实施例中，环形腔体2子午投影宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的60％-90％。
本实施例中，环形腔体2内的导流片为转折片，转折点T轴向投影位置距转子叶尖前缘，La为轴向长度Ca的-10％-20％位置(为负则轴向位置在尖部前缘点之前)；在另一实施例中，La为轴向长度Ca的5％-15％位置。
本实施例中，环形腔体2内的导流片两段的折角B为110°-180°；在另一实施例中，环形腔体2内的导流片两段的折角B为120°-150°。
本实施例中，环形腔体2内的导流片的前段轴向投影长度Lf为转子叶尖基元轴向长度Ca的20％-80％；在另一实施例中，环形腔体2内的导流片的前段轴向投影长度Lf为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-60％。
本实施例中，环形腔体2内的导流片的后段轴向投影长度Lr为转子叶尖基元轴向长度Ca的20％-80％；在另一实施例中，环形腔体2内的导流片的后段轴向投影长度Lr为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-60％。
本实施例中，环形腔体2内的导流片的宽度b为转子叶尖基元最大厚度Cmax的1.2-5倍；在另一实施例中，环形腔体2内的导流片的宽度b为转子叶尖基元最大厚度Cmax的2-4倍。
请参阅图5所示，环形腔体2内导流片呈倾斜状，其导流片展高线沿叶尖基元弦线方向倾斜，倾斜角度E为-45°-25°(为负则沿弦线偏向前缘)。
请参阅图6和7所示，为轴流压气机采用光壁机匣和采用本发明所述的本自循环处理机匣特性图。可以看出，本自循环处理机匣在90％转速以下均显著提高了压气机的稳定工作裕度，并且近设点附件效率保持不变。在Nc＝90％转速以下，带自循环机匣处理后压气机的稳定工作范围得到明显增大。其中0.75转速时近失速点总压比增大22.0％，近失速流量拓宽18.1％。在Nc＝0.95转速以上，带自循环机匣处理后压气机的特性保持不变，体现出自循环模式转换的优势。
本发明的工作原理：在打开自循环模式时，利用环形腔体2内的压差，将压力面部分气体向转子上游区域输运并重新注入转子通道，减弱了叶尖前缘溢流的强度，抑制了间隙泄漏流的发展，迫使泄漏涡向叶片后部转移，使得叶顶通道内无大面积的回流循环区域存在，提高了转子顶部通道的流通能力，进而减少叶顶区的流动损失，该作用机制使得转子叶片上游区域的大尺度堵塞团被削弱，抑制了在小流量情况下转子通道内部的分离，从而改善了压气机中低转速的稳定工作裕度。在关闭自循环模式时，可以避免机匣1处理使设计点效率较低的问题。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，包括：
开设于机匣(1)内侧壁面的环形腔体(2)，所述环形腔体(2)内设置有多个导流片，多个导流片绕着压气机轴的轴线周向均匀分布，用于引导环形腔体(2)内气流方向；
模式转换机构，所述模式转换机构包括：用于封闭环形腔体(2)的光壁带(3)；用于穿行光壁带(3)的光壁带槽；以及用于卷入和卷出光壁带(3)的卷扬机；所述光壁带槽开设于环形腔体(2)内两侧壁面上，所述卷扬机设置于机匣(1)的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述导流片沿着机匣(1)径向的剖面呈折线形。
3.根据权利要求2所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述导流片的折角B为110°-180°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述导流片数量为对应级转子叶片数目的3-8倍。
5.根据权利要求1所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述环形腔体(2)的前端壁面与机匣(1)内壁呈D角，D角为110°-165°。
6.根据权利要求1或5所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述环形腔体(2)的后端壁面与机匣(1)壁呈G角，G角为30°-90°。
7.根据权利要求1或5所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述环形腔体(2)后壁面距转子叶尖前缘距离Lb为转子叶尖基元轴向长度Ca的20％-60％。
8.根据权利要求1或5所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述环形腔体(2)轴向宽度Lc为转子叶尖基元轴向长度Ca的30％-120％。
9.根据权利要求1所述的一种带模式转换的高效自循环处理机匣，其特征在于，所述机匣(1)为压气机第一级和/或第二级转子的机匣。
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