CN114893429B - 基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法及压气机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法及压气机，该控制方法包括在压气机转子叶顶和机匣内壁面之间通过调整间隙泄漏通道的渐扩角度来构建渐扩型泄漏通道，该渐扩型泄漏通道用于使超声速泄漏流在该渐扩型泄漏通道内膨胀加速，使泄漏流在叶顶吸力面侧的泄漏通道出口对应的压力小于叶尖通道主流流体的压力，从而在间隙泄漏通道出口附近形成结尾正激波，借助于激波的减速效应实现对间隙区超音速泄漏射流速度和强度的双重抑制。本方法中泄漏通道的扩张角的大小可以灵活结合间隙泄漏流场结构和压气机综合气动收益等合理选取，方法灵活简洁。此外亦不会明显影响压气机转子叶顶结构强度等，兼容性和可实施性好。

Description

基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法及压气机

技术领域

本发明涉及压气机领域，尤其涉及一种压气机间隙泄漏流控制方法和使用该间隙泄漏控制方法的超/跨声速压气机。

背景技术

增加风扇/压气机的级压比以实现压缩部件的减级、减重是高推重比航空发动机发展的必然趋势。然而压气机级压比的提升，会使转子叶片不同叶高基元级载荷明显增加，叶片两侧的静压差也会不断增大，其内部三维流场变得更加复杂。尤其是进气相对速度更高的超/跨音速压气机。

在其转子叶顶区域，在叶顶两侧较大静压差的驱动下，会在转子间隙区诱发强泄漏流，泄漏流与通道激波、吸力面边界层相互干涉，并与主流流体相互剪切，会在压气机转子叶尖流场诱发较大的低速区，并伴随强泄漏涡结构，严重堵塞转子叶片通道的尖区流场，成为诱发高负荷轴流压气机旋转失速甚至喘振的重要因素，同时还会严重降低压气机叶尖区域的做功能力和工作效率。

针对高负荷压气机所面临的强间隙泄漏流诱发流动堵塞、失稳及损失加剧等显著负面问题，目前国内外常用的做法除了适当优化压气机转子叶尖基元级的流向载荷分布外，主要是采用主动或被动控制方法以有效削弱泄漏流的强度和负面影响范围。

在主动式流动控制方法方面，通过借助于外部能量输入以增强叶尖主流流体的抗干扰能力，如射流、等离子体激励等；相比之下，被动式流动控制方法目前应用的相对较多，也更成熟，如机匣处理、叶片弯掠、涡流发生器等。

考虑到目前常用的主动控制方法需要额外提供流动控制所需的外部能量并附带相应的作动和辅助机构等，一定程度上制约其工程应用；而目前已经采用的一些被动控制方法(如机匣处理等)在非设计工况下会面临失效或者干扰主流流动的现象。

针对强间隙泄漏流所诱发的显著负面影响，中国专利文献CN 108361076 A披露了在转子叶顶设置微型槽缝的机匣处理解决方案，通过转子叶顶槽缝结构诱发小尺度的旋涡结构阻挡泄漏流的通流。然而受制于转子叶尖基元级的厚度相对较小，该种相近似方法一方面会产生一定程度的气动负面影响制约其工程应用，另一方面也会诱发额外的结构和振动问题影响稳定工作运行等，具有一定的实施风险。

基于此，有必要从流动机理的角度提出更简洁、更高效的控制强间隙泄漏流的新方法。

发明内容

本发明提供了一种基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，以对强间隙泄漏流进行更简洁、更高效的控制。

为此，本发明一方面提供了一种基于激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，包括在压气机转子叶顶和机匣内壁面之间通过调整间隙泄漏通道的渐扩角度来构建渐扩型泄漏通道，该渐扩型泄漏通道用于使超声速泄漏流在该渐扩型泄漏通道内膨胀加速，并在间隙泄漏通道出口附近形成结尾正激波，以实现对超音速泄漏射流速度和强度的双重抑制。

本发明通过调整压气机转子叶顶间隙泄漏通道的渐扩角度，构建渐扩型泄漏通道，具体扩张角的大小可以灵活结合间隙泄漏流场结构和压气机综合气动收益等合理选取，方法灵活简洁。此外，该方法的实施并不会改变压气机原有的冷态设计间隙值，亦不会明显影响压气机转子叶顶结构强度等，可实施性、可操作性好。

本间隙泄漏流控制方法属于典型的被动控制方法，无需借助于外部辅助机构和能量的注入等，结构简单、易于实现，且该方法亦可在叶型设计阶段与三维叶型设计或子午流道设计充分融合，达到一体化优化设计的目的。

相比于现有的主动式间隙泄漏流控制方法，本发明的实施，既不需要引入额外能量和附加作动装置、机构等，也无需复杂的调控策略，具有控制效果明显、结构简单、实施方便、潜在技术风险小等突出优点。

相比于现有的其它被动式间隙泄漏流控制方法，本发明专利在抑制超/跨声速压气机叶顶间隙泄漏流强度及作用范围的同时，在一定程度上还能明显改善高负荷压气机的总体性能和工作裕度，具有明显的气动和结构优势。

此外，本发明专利所提出的基于激波减速效应的间隙泄漏流控制方法，还可以有效融入到压气机三维叶片和子午流道设计成型过程中，作为优化压气机叶尖流场特性的一个关键几何优化因素，对改善超/跨声速压气机的综合气动性能具有重要的支撑作用。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明的基于激波减速效应的间隙区射流演变示意图；

图2是压气机转子三维结构图；

图3是压气机转子叶顶关键几何参数示意图；

图4是本发明阐述的其中一种基于转子叶顶削切的渐扩流道构建示意图；

图5是本发明提出的采用转子叶顶斜切后的转子叶顶结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

高负荷超/跨声速压气机由转子叶尖两侧静压差诱发的泄漏流动在间隙区形成后，会穿越间隙泄漏通道加速发展，进而以高速射流的形式由叶顶吸力面侧进入通道叶尖流场内，泄漏流流出间隙区后以泄漏涡的形式与叶尖流场的主流流体和激波干涉并诱发较大低速流体团，不仅导致较大气动损失，还会对叶尖通道造成严重堵塞并加剧压气机旋转失速的发生。

鉴于强间隙泄漏流/涡对压气机叶尖流场的显著负面影响，本发明提出了一种基于激波减速效应的超/跨声速压气机叶顶间隙泄漏流控制方法。

本方法是从压气机转静间隙区的泄漏流动演变发展过程出发，如图1所示，通过在转子叶顶泄漏通道内诱发激波结构，借助于激波对气流的强压缩效应，使泄漏气流在相对较短的距离内实现高效减速，以有效抑制超声速泄漏射流在流出叶顶吸力面侧时的泄漏速度，进而削弱间隙泄漏流的强度和影响范围，并实现高负荷超/跨声速压气机流动扩稳和气动减损的双重目的。

优选地借助于压气机转子叶顶的斜切，在转子叶片的叶顶转静间隙区构建渐扩型泄漏通道，此时由叶顶两侧静压差诱导的超声速射流，在渐扩通道内实现高效膨胀，气流速度大幅度增加，且对应的沿程静压也急剧减小。当高速超声射流由转子叶顶吸力面侧流出泄漏通道时，射流气流对应的静压值要远低于通道内的主流流体压力。因此在泄漏通道出口附近，高速射流在泄漏通道口附近较大静压差的作用下，诱发强结尾正激波，使超声速射流瞬间变为亚声速气流，并进入叶尖主流通道内。此时由于泄漏流的出流速度明显下降，其对主流流体的干扰也明显被削弱，进而实现高负荷超/跨声速压气机叶尖流场特性及稳定工作范围改善的目的。

下面对借助于压气机转子叶顶斜切的控制方法的具体实施过程加以描述。

1)明确压气机转子叶片的工作环境、类型及关键几何特征。本实例的描述以跨声速轴流压气机转子为对象、以转子叶顶斜切构建渐扩型泄漏通道的方法为例予以描述，但研究对象不仅限于跨声速轴流压气机转子，亦可扩展至超、跨声速轴流、离心、组合式压气机等；叶顶渐扩型泄漏通道的构建不仅限于压气机转子叶顶斜切，亦可采用机匣内壁面型线分布调整、转子叶顶添加倾斜结构的叶尖小翼等方式予以实现。

2)将压气机转子三维叶型分为吸力面、压力面、叶顶平面、前缘线、尾缘线等部分，并予以标识，如图2和图3所示。

3)定义压气机转子吸力面与叶顶相交的线为“切割线1”、压力面与叶顶相交的线为“切割线2”，由“切割线1”和“切割线2”组合形成叶顶的基准拉伸面，如图4所示。

4)以步骤3)中的基准拉伸面作为旋转面，以转子叶顶弦线为旋转轴(由前缘指向尾缘的弦线方向为旋转轴的正方向)，使旋转面绕着旋转轴沿顺时针进行旋转，形成新的斜切面2，此时斜切面与基准拉伸面的夹角即为斜切角α。斜切角α以不超过16°为宜，但不局限于该角度范围，具体值视最终的叶尖流场结构和气动收益而定。

5)以步骤4)中的斜切面2为切割工具面，对压气机转子的叶顶三维几何结构进行切削处理。切除掉斜切面以外少量的叶顶几何部分后，在压气机转子叶顶形成新的叶顶面，此时转子叶顶面与机匣内壁形成渐扩型的间隙泄漏通道，且对应的间隙通道渐扩角即为斜切角α。

6)在兼顾气动性能改善效果的同时，通过合理调整斜切角α的具体值，确保转子叶顶面的压力面侧与机匣内壁的实际间隙值δ₁不小于斜切前的转子冷态径向间隙尺寸，如图5所示。

下面对本发明的控制方法的特点/优势进行详细说明。

1)本发明所提出的基于激波减速效应的超/跨声速压气机叶尖间隙泄漏流控制方法，其目的是在尽量减少对压气机效率和增压能力的影响、简化流动控制方法的前提下，通过在叶尖间隙区出口附近(叶顶间隙区吸力面侧)构建结尾正激波，以实现明显抑制叶尖泄漏流射流速度和强度的目的，进而最大限度的改善超/跨声速压气机的叶尖流场，并增大其稳定工作裕度。

2)本发明所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，构建减速激波的前提条件是，间隙泄漏流须为超声速射流，否则无法形成结尾正激波，因此控制对象选取为超/跨声速压气机。但不仅限于此，该方法同样适用于存在超声速泄漏流射流的高亚声速压气机。

3)本发明所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，叶顶间隙区减速激波构建须通过两步实现：

第一，在叶顶间隙区构建渐扩型泄漏通道结构(由压力面指向吸力面)，具体机匣和叶顶之间渐扩通道的成型可以通过切削叶顶实现，但不仅限于此，亦可通过调整机匣内壁面型线分布特征实现；第二，通过控制叶顶渐扩泄漏流道的扩张角度，实现叶顶间隙区内超声速泄漏射流的充分膨胀加速，以实现泄漏流由间隙区流出时在叶顶吸力面侧边缘线附近对应的射流压力远小于叶尖区主流流体的压力，进而在该区域快速建立起结尾正激波，以达到间隙区内外气流压力的平衡。

正是借助于该结尾正激波的减速效应，实现了超声速射流强度和速度的双重抑制效果，进而有效改善压气机的叶尖流场和稳定工作裕度。

4)本发明所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，此处以通过转子叶顶的切削方法构建机匣内壁面和叶顶之间的渐扩泄漏流道，但渐扩流道的成型不仅限于此，亦可在保持转子叶顶不变的情况下，调整机匣内壁面型线分布特征的方式予以实现。

该渐扩泄漏通道(由压力面指向吸力面)的扩张角度宜控制在16°以内(对应叶顶斜切方式的转子叶顶斜切角α不宜超过16°)，否则会导致吸力面侧的叶顶间隙值过大，且会导致叶顶结构强度不足等问题。具体扩张角度的取值，应结合压气机叶尖流场结构和综合气动性能的变化和收益而定。

5)本发明所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，在兼顾气动性能改善效果进行转子叶顶扩张角(或斜切角α)调整时，不应改变压气机转子原有的冷态间隙值，即要保持转子叶片的叶顶压力面侧冷态间隙值与其原设计冷态间隙值保持不变，间隙泄漏通道扩张角的调整和成型是通过减小转子叶顶吸力面侧冷态间隙值δ₂而实现的。

6)本发明专利所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，压气机转子叶顶渐扩型间隙泄漏通道的型线分布特征可以是等曲率分布的直线型线分布，亦可以是渐变曲率且曲率连续的任意光顺曲线型线分布。

7)本发明所提出的基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法，在压气机转子叶顶间隙区构建渐扩型泄漏通道时，亦可在采用压力面叶尖小翼等方式增加叶顶几何面积后再予以实施，由此所形成的转子叶顶渐扩型间隙泄漏通道对超声速泄漏射流的控制效果更佳。

本发明还提供一种基于叶顶间隙区激波减速效应的超/跨声速压气机间隙泄漏流控制方法的超/跨声速压气机，其应用范围较广如：轴流式压气机、斜流式压气机、离心式压气机以及基于上述压气机的各种组合压气机。其应用领域既可用于航空燃气涡轮发动机，也可应用于地面/舰船燃气轮机，还可应用于化工机械、矿山机械、通风机械等设备及领域。

以上所述仅为本发明的优选实施案例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，其特征在于，包括在压气机的转子叶顶和机匣内壁面之间通过调整间隙泄漏通道的渐扩角度来构建渐扩型泄漏通道，该渐扩型泄漏通道由转子叶顶压力面侧指向吸力面侧，所述间隙泄漏通道扩张角度由增大转子叶顶吸力面侧冷态间隙值来实现，该渐扩型泄漏通道的扩张角度控制在16°以内，用于使超声速泄漏流在该渐扩型泄漏通道内膨胀加速，并使泄漏流流出泄漏通道时的压力小于叶尖通道主流流体的压力，进而在转子叶顶吸力面侧间隙泄漏通道出口附近形成结尾正激波，以实现对超音速泄漏射流速度和强度的双重抑制。

2.根据权利要求1所述的基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，其特征在于，在机匣内壁面和压气机的转子叶顶之间构建渐扩型泄漏通道，该渐扩型泄漏通道通过切削转子叶顶的方法实现。

3.根据权利要求1所述的基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，其特征在于，所述压气机的转子叶顶渐扩型间隙泄漏通道的型线分布特征为等曲率分布的直线型线分布，或渐变曲率且曲率连续的任意光顺曲线型线分布。

4.根据权利要求1所述的基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，其特征在于，转子叶片通过在转子叶顶压力面侧设置具有倾斜式叶尖小翼的几何结构，以增加转子叶顶几何面积，并且在该转子叶顶上形成斜切面，进而构成转子叶顶宽度更大的渐扩型泄漏通道。

5.根据权利要求1所述的基于激波减速效应的压气机间隙泄漏流控制方法，其特征在于，该控制方法应用于超/跨声速压气机、以及存在超声速泄漏流射流的高亚声速压气机。

6.一种超/跨声速压气机，其特征在于，其转子叶顶和机匣内壁面之间通过调整间隙泄漏通道的渐扩角度构建有渐扩型泄漏通道，该渐扩型泄漏通道由转子叶顶压力面侧指向吸力面侧，所述间隙泄漏通道扩张角度由增大转子叶顶吸力面侧冷态间隙值来实现，该渐扩型泄漏通道的扩张角度控制在16°以内，用于使超声速泄漏流在渐扩型流道内膨胀加速，进而使得转子叶顶吸力面侧间隙泄漏通道出口附近的泄漏流压力小于叶尖主流流体的压力，从而在间隙泄漏通道出口附近形成结尾正激波，以实现对超音速泄漏射流速度和强度的双重抑制。

7.根据权利要求6所述的超/跨声速压气机，其特征在于，所述超/跨声速压气机为轴流式压气机、斜流式压气机、离心式压气机中的一种或两种以上的组合。