CN114857092B - 一种机匣及流体动力设备 - Google Patents

Abstract

一种机匣及流体动力设备，包括机匣本体，机匣本体中具有流体通道，流体通道中能够安装具有叶片的叶轮，机匣本体内壁面设置有至少一个凹陷槽，凹陷槽中具有凹陷内腔，凹陷槽沿所述机匣本体的周向连续或间断设置，凹陷槽的开口位置布置有具有一定穿孔率(20％～50％)的网状薄膜。本公开利用网状薄膜中通孔透压且阻碍偏流的特性，在保证扩稳效果的基础上，将网状薄膜作为机匣本体内壁面，削弱了流体通道中主流与单纯凹陷槽内流体泄露流之间的径向动量交换以减少效率的损失，更改了单纯凹陷槽与机匣本体内壁面之间的台阶结构改善了凹陷槽与转子的气动干涉噪声。本公开的机匣结构简单紧凑，能够满足工程上对机匣尺寸的限制要求，具有良好的应用前景。

Description

一种机匣及流体动力设备

技术领域

本公开属于流体动力技术领域，具体涉及一种机匣及流体动力设备。

背景技术

轴流压气机广泛用于燃气轮机装置、高炉鼓风、空气分离、天然气液化、重油催化等装置中压送空气和其他气体，尤其作为航空发动机的关键部件之一，会直接影响到发动机的最终推力和效率。

高负荷压气机叶顶区域强泄漏涡、激波和边界层之间的相互作用对其稳定性具有重要影响，机匣处理是一种能够有效改善压气机叶顶端区流动，提高压气机失速裕度的被动控制方法，具体表现为：在压气机机匣上于一级或几级转子顶部的相应位置，挖槽、开缝或构造成多孔内壁等手段，以改善叶尖区域流动，延缓压气机失速抑制叶尖区气流的失速和减小流动损失，但往往因叶尖区回流量大容易造成动量交换损失，严重影响压气机效率，并伴随着气动噪声的增加。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开的目的在于提供了一种减小压气机效率下降，提高压气机失速裕度效果的机匣。

为了实现本公开的目的，本公开所采用的技术方案如下：

一种机匣，包括机匣本体，所述机匣本体中具有流体通道，所述流体通道中安装有具有叶片的叶轮，所述机匣本体内壁面设置有至少一个凹陷槽，每个所述凹陷槽中具有凹陷内腔，同一个凹陷槽沿所述机匣本体的周向连续或间断设置，每个所述凹陷槽的开口位置均布置有穿孔率为20％～50％的网状薄膜。

可选地，所述凹陷内腔中填充有吸声介质。

可选地，所述吸声介质铺设在所述凹陷槽的底部，所述吸声介质与所述网状薄膜之间具有背腔。

可选地，所述吸声介质的填充厚度是40％～60％所述凹陷槽的深度。

可选地，所述网状薄膜位于所述凹陷内腔的一侧还设置有支撑件。

可选地，所述支撑件的厚度在1～2毫米。

可选地，所述网状薄膜的外表面与机匣本体的内壁面平齐。

可选地，所述网状薄膜的丝径和孔径均在10～100微米。

本公开还提供一种流体动力设备，包括上述机匣，所述流体通道中设置有具有叶片的叶轮，所述凹陷槽与所述叶片的叶尖位置相对应，所述叶尖与所述机匣本体内壁面之间具有叶尖间隙。

可选地，所述凹陷槽开口位置中部距离所述叶尖的前缘的轴向距离是15～30％的叶尖的弦长。

本公开中，利用网状薄膜中通孔透压且阻碍偏流的特性，在保证扩稳效果的基础上，将网状薄膜作为机匣本体内壁面，削弱了流体通道中主流与叶尖间隙内流体泄露流之间的径向动量交换以减少效率的损失，更改了凹陷槽与机匣本体内壁面之间的台阶结构改善了凹陷槽与转子的气动干涉噪声。本公开的机匣结构简单紧凑，能够满足工程上对机匣尺寸的限制要求，具有良好的应用前景。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开中机匣的局部示意图一；

图2是本公开中机匣的局部示意图二；

图3是本公开的流体动力设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

参阅图3所示，本公开实施例的一种流体动力设备，该流体动力设备可以是压气机、发动机、水泵、油泵等；其包括机匣1，机匣1内部具有流体通道2，流体通道2用于通过流体，流体通道2中安装有能够旋转的叶轮，叶轮上设置有一圈叶片3，叶片旋转能够带动流体从流体通道2的一端至流体通道2的另一端；

但是，叶片3顶端和流体通道2的侧壁之间具有难以避免的泄露缝隙(叶尖间隙)；在流体动力设备工作时，由于压差的存在，上述缝隙中会形成从叶片3的压力面至吸力面的间隙泄漏流：这种间隙泄漏流会严重影响着流体动力设备的稳定运行。在机匣1内侧壁开设一圈凹槽虽然能够解决部分稳定性问题，但是由于流体通道2中的主流与凹槽内动量交换常常导致流体动力设备效率下降严重；加装周向凹槽的机匣经常伴随着严重的噪声问题的增加，给结构强度带来很大安全隐患。

基于此，本公开实施例提供一种机匣，以达到提高压气机效率，同时能够降低间隙泄漏流对流体动力设备稳定性的影响。

图1和图2示例出本公开示例性实施例提供的机匣1，该机匣1可以用在上述所有流体动力设备上，机匣1包括机匣本体，所述机匣本体中具有流体通道2，所述流体通道2中能够安装具有叶片3的叶轮，所述机匣本体内壁面设置有至少一个凹陷槽4，每个所述凹陷槽4中具有凹陷内腔5，同一个凹陷槽4沿所述机匣本体的周向连续或间断设置，每个凹陷槽4的开口位置均布置有具有一定穿孔率(20％～50％)的网状薄膜6。网状薄膜6可以是金属丝网、凯夫拉布、橡胶膜等。

当所述凹陷槽4在机匣本体的周向连续时；所述凹陷槽4可以是环形结构，沿流体通道2的侧壁设置有一圈或者多圈；凹陷槽4可以直接在机匣本体内壁面上加工；凹陷槽4的宽度是叶片顶端弦长的15％～30％，例如，可以设置为20mm、25mm或30mm等。

凹陷槽4的截面可以是矩形或梯形，方便直接在机匣本体内壁面加工。

在另一些实施例中，所述凹陷槽4也可以是截断的环形凹槽结构，同心且间断的沿流体通道2侧壁的截面设置有一圈或多圈；对机匣1中流体通道2侧边的结构改动较小。多个所述凹陷槽4的情况下，也可以其中一部分凹陷槽4，每个凹陷槽4沿所述机匣本体内壁面连续的设置一圈，另外部分凹陷槽4，每个凹陷槽4沿所述机匣本体内壁面间断的设置一圈。

在一些实施例中，所述凹陷内腔5中填充有吸声介质7。吸声介质7可以是吸声棉或是声衬结构等，以减少噪声。

所述吸声介质7铺设在所述凹陷槽4的底部的一侧，所述吸声介质7与所述网状薄膜6之间具有背腔8，在铺设吸声介质7时需要保留一定的背腔8，形成卸压通道。所述吸声介质7的填充厚度是40％～60％所述凹陷槽4的深度。

网状薄膜6可以首选金属丝网，其厚度相较于叶片3顶部与机匣1的间隙而言可以忽略。所述网状薄膜6的外表面与机匣本体的内壁面平齐，通过将其平整的铺设在机匣空槽的表面，并与周围机匣壁面平齐，作为机匣本体壁面的一部分。

通孔可以在网状薄膜6上均匀设置也可以不规则的设置，所述通孔可以是圆形、三角形、矩形或其他规则或不规则的形状，所述网状薄膜的丝径和孔径均在10～100微米。

在另一些实施例中，如果网状薄膜6的振动幅度过大，所述网状薄膜6位于所述凹陷内腔5的一侧还设置有支撑件10，用于支撑网状薄膜6，减小振动。支撑件10可以为具有刚性的承力框架。

在一具体的实施例中，凹陷槽4的宽度可以设置为10％～20％叶尖弦长，例如15或25mm，凹陷槽4的深度可以设置为5％～10％叶尖弦长，例如10mm，所述凹陷槽4开口位置中部距离所述叶尖的前缘的轴向距离可以设置为15％～30％的叶尖弦长，叶尖的前缘的轴向距离与具体叶型及叶片加载方式有关，例如设置为20、25或30mm等，支撑件10的厚度可以设置为1～2mm，例如1.5mm，网状薄膜6厚度(丝径)在10～100微米量级，例如20、40或100微米等，吸声介质7的厚度可以设置为40％～60％所述凹陷槽4的深度，例如4.5mm。

本公开的机匣1可以直接将流体设备的机匣壁面进行加工，不必引入其他作动装置，不会产生附加重量以及极大简化了结构复杂程度。

本公开中，具有通孔的网状薄膜6具有透压的特性，能够通过凹陷内腔5将叶片3吸力面与压力面连通起来，将压力扰动传至网状薄膜6的背腔8内，起到卸载压力的作用，以增大稳定裕度。相对于现有技术，能够减小流体通道2中的主流与叶尖间隙9中的泄露流之间的径向动量交换以减少对效率的影响，同时也减少了转子与光槽的干涉噪声。

为了实现本公开的第二目的，本公开所采用的技术方案如下：

参阅图3所示，一种流体动力设备，可以是压气机、发动机、水泵、油泵等，包括上述机匣1，所述流体通道2中设置有具有叶片3的叶轮，所述凹陷槽4与所述叶片3的叶尖位置相对应，所述叶尖与所述机匣本体内壁面之间具有叶尖间隙9。

在一具体的实施例中，在实验状态下，凹陷槽4的宽度可以设置为15mm，凹陷槽4的深度可以设置为10mm，所述凹陷槽4开口位置中部距离所述叶尖的前缘的轴向距离可以设置为30mm，支撑件的厚度为可以设置为1.5mm，吸声介质7厚度可以设置为4.5mm。对流体动力设备的扩稳降噪性能提升较高。

本公开还具有以下优点：

基于本发明的机匣1和流体动力设备的结构，其相对于传统机匣处理的优势还在于：

机匣1上开周向凹陷槽4形式的处理能够改善叶尖区域的流动堵塞，但会引起轴径向动量交换导致压气机效率的下降，并且增加转子与光槽壁面台阶结构的气动干涉噪声。本公开将一层具有一定穿孔率(20％～50％)的网状薄膜6(金属丝网，橡胶膜，丝绸等)紧密的铺设在凹陷槽4的开口表面作为机匣本体内壁面的一部分，该种网状薄膜6结构具有透压的特性，能够在对流体通道2中偏流起到一定抑制作用的同时，将压力扰动传至背腔8内。相对凹陷槽4的光槽而言，减小了流体通道2中主流与叶尖间隙9内流体泄露流之间的径向动量交换以减少对效率的影响；改善了槽壁面台阶结构减少了气动干涉噪声，其背腔8内可填充吸声介质7以进一步减少噪声。

另一方面，流体动力设备的流动稳定性问题可以用一个具有分布参数性质的微分动力系统描述，而初始条件和边界条件的改变均可以影响动力系统的演化行为。由于网状薄膜6透压的特性，叶尖处与凹陷槽4内会自然形成压差而发展出微弱流动，气流在流进流出网状薄膜6的过程中会产生非定常脱落涡10，并且高声强环境会增强这种效果。非定常脱落涡10与动力系统中的低频扰动波11(失速先兆)进行波涡相互作用，对扰动波产生耗散作用，抑制其非线性放大，最终达到扩稳的效果。并且由于网状薄膜6不会对主流结构有直接影响，对流体动力设备压比及效率的干扰较小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种流体动力设备，其特征在于：机匣，所述机匣包括机匣本体，所述机匣本体中具有流体通道，所述流体通道中安装有具有叶片的叶轮，所述机匣本体内壁面设置有至少一个凹陷槽，每个所述凹陷槽中具有凹陷内腔，同一个凹陷槽沿所述机匣本体的周向连续或间断设置，每个所述凹陷槽的开口位置均布置有穿孔率为20％～50％的网状薄膜，所述网状薄膜的丝径和孔径均在10～100微米，所述网状薄膜的外表面与机匣本体的内壁面平齐，以减小流体通道中主流与叶尖间隙内流体泄露流之间的径向动量交换以减少对效率的影响；

所述流体通道中设置有具有叶片的叶轮，所述凹陷槽与所述叶片的叶尖位置相对应，所述叶尖与所述机匣本体内壁面之间具有叶尖间隙；

所述凹陷槽开口位置中部距离所述叶尖的前缘的轴向距离是15～30％的叶尖的弦长。

2.如权利要求1所述的流体动力设备，其特征在于：所述凹陷内腔中填充有吸声介质。

3.如权利要求2所述的流体动力设备，其特征在于：所述吸声介质铺设在所述凹陷槽的底部，所述吸声介质与所述网状薄膜之间具有背腔。

4.如权利要求3所述的流体动力设备，其特征在于：所述吸声介质的填充厚度是40％～60％所述凹陷槽的深度。

5.如权利要求1所述的流体动力设备，其特征在于：所述网状薄膜位于所述凹陷内腔的一侧还设置有支撑件。

6.如权利要求5所述的流体动力设备，其特征在于：所述支撑件的厚度在1～2毫米。