CN117627957A - S形缝式机匣处理 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种S形缝式机匣处理，包括：本体，被构造成圆筒形结构；以及转子，设置于本体内，被构造成绕本体的轴线转动；其中，本体的内壁上的位于转子的上游位置、沿周向均匀间隔设置有多个缝结构，缝结构的靠近来流的第一端被构造成逆转子的旋转方向延伸形成第一凸出部，缝结构的远离来流的第二端被构造成顺转子的旋转方向延伸形成第二凸出部，以使通过缝结构的循环流的抽吸方向及喷射方向均与转子的旋转方向具有大致相同的趋势。本发明还提供一种压气机，包括S形缝式机匣处理。

Description

S形缝式机匣处理

技术领域

本公开的至少一种实施例涉及一种机匣处理，特别是，涉及一种S形缝式机匣处理。

背景技术

压气机作为航空发动机三大部件之一，由于强逆压梯度、强三维非定常流动特征，稳定性问题十分突出。尤其当航空发动机在非设计工况运行时，时常伴随旋转失速和喘振等不稳定现象，轻则导致发动机性能恶化，压比和效率下降，重则引起发动机熄火，诱发强烈的振动，使得叶片断裂。

因此拓宽压气机的稳定裕度对提高发动机性能意义重大，具有十分显著的工程价值。目前提高稳定裕度的方法主要包括：叶顶喷气、中间级放气、大小叶片、机匣处理以及双转子结构等。其中机匣处理以结构简单、抗畸变能力强且易于实施等优点，已成为应用最为广泛的扩稳技术之一。在机匣处理中，在机匣的内壁构造沿径向顺转子的旋转方向偏转的缝结构对效率和裕度有正面作用，而逆旋转方向偏转的缝结构反而会恶化压气机性能。因此，现有的绝大多数缝结构都被构造成顺旋转方向偏转，此时缝结构内的循环流由于气流惯性易于抽吸，但叶片通道的射流却与转子旋转方向相反，易形成较大的掺混损失，对效率产生负面影响。

发明内容

针对于现有的技术问题，本公开提供一种S形缝式机匣处理，机匣的内壁的缝结构被构造成包括逆转子的旋转方向延伸的第一凸出部及顺旋转方向延伸的第二凸出部，以使缝结构被构造成类S形，在转子旋转的状态下，第二凸出部适用于通过气流惯性进行抽吸，经过缝结构的循环流通过第一凸出部改变喷射的方向，以使对循环流的抽吸方向及射流方向均与转子的旋转方向具有相同的趋势。

根据本公开的一个方面，提供了一种S形缝式机匣处理，包括：本体，被构造成圆筒形结构；以及转子，设置于所述本体内，被构造成绕所述本体的轴线转动；其中，所述本体的内壁上的位于所述转子的上游位置、沿周向均匀间隔设置有多个缝结构，所述缝结构的靠近来流的第一端被构造成逆所述转子的旋转方向延伸形成第一凸出部，所述缝结构的远离所述来流的第二端被构造成顺所述转子的旋转方向延伸形成第二凸出部，以使通过所述缝结构的循环流的抽吸方向及喷射方向均与所述转子的旋转方向具有大致相同的趋势。

在一种示意性的实施例中，所述第一端至第二端之间通过包括贝塞尔曲线或B样条曲线连接，且连接位置形成平滑的过渡。

在一种示意性的实施例中，所述第一凸出部与所述旋转方向之间形成第一夹角，所述第二凸出部与所述旋转方向之间形成第二夹角；其中，所述第一夹角的角度包括55°至60°，所述第二夹角的角度包括30°至60°。

在一种示意性的实施例中，缝结构被构造成弧形，在所述本体的子午方向的截面中，所述缝结构被构造成半圆形、半椭圆形及半心形中的任一一种。

在一种示意性的实施例中，所述缝结构的缝高被构造成所述转子的叶片的叶顶轴向弦长的10％至30％。

在一种示意性的实施例中，所述缝长被构造成所述叶顶轴向弦长的30％至60％。

在一种示意性的实施例中，所述第一端的边缘至所述叶片的前缘沿所述机匣的轴向方向的间距被构造成所述叶顶轴向弦长的10％至30％。

在一种示意性的实施例中，在所述本体的周向方向的投影中，所述缝结构与形成缝结构的机匣的内壁的环形区域的开孔面积比被构造成0.2至0.5。

在一种示意性的实施例中，相邻两个所述叶片之间形成的叶片通道所覆盖的缝结构的数量包括4至6个。

本公开的另一方面提供一种压气机，包括S形缝式机匣处理。

根据本公开上述实施例的S形缝式机匣处理，机匣的内壁形成有沿周向均匀间隔设置的缝结构，缝结构的第二凸出部顺转子的旋转方向设置，以在气流惯性的作用下对进行抽吸并在缝结构内形成循环流，第一凸出部逆转子的旋转方向设置，以使循环流由第一凸出部喷射所形成的射流与转子的旋转方向趋势大致相同，在可提高稳定裕度的前提下，减少掺混损失。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开的一种示意性实施例的S形缝式机匣处理的子午方向的局部剖视图；

图2是图1所示的示意性的实施例的仰视方向的示意图；

图3是图2所示的示意性的实施例的左视方向的示意图；

图4是图1所示的示意性实施例的缝结构抑制泄漏流由叶片的前缘溢出及降低叶顶堵塞区的原理图；以及

图5是C形缝结构及图1所示的示意性的实施例的缝结构对循环流进行抽吸和喷射的对比图；其中，A是C形缝结构对循环流进行抽吸和喷射作用的原理图；B是图1所示的示意性的实施例的缝结构对循环流进行抽吸和喷射作用的原理图。

上述附图中，附图标记含义具体如下：

1、本体；

11、缝结构；

111、第一端；

112、第二端；

2、转子；

21、前缘；以及

22、尾缘。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示意性的，而并非要限制本公开的范围。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公开实施例的全面理解。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。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

图1示意性示出了根据本公开的一种示意性实施例的S形缝式机匣处理的子午方向的局部剖视图。图2是图1所示的示意性的实施例的仰视方向的示意图。

本公开提供一种S形缝式机匣处理，如图1及图2所示，包括本体1及转子2。本体1被构造成圆筒形结构。转子2设置于本体1内，被构造成绕本体1的轴线转动。本体1的内壁上的位于转子2的上游位置、沿周向均匀间隔设置有多个缝结构11，缝结构11的靠近来流的第一端111(如图2所示的左端)被构造成逆转子2的旋转方向延伸形成第一凸出部，缝结构11的远离来流的第二端112(如图2所示的右端)被构造成顺转子2的旋转方向延伸形成第二凸出部，以使通过缝结构11的循环流的抽吸方向及喷射方向均与转子2的旋转方向具有大致相同的趋势(如图2所示由下向上)。

在一种示意性的实施例中，如图2所示，缝结构11被构造成S形。

详细地，第一端111所形成的开口背向转子2的旋转方向，第二端112所形成的开口面向转子2的旋转方向。

在一种示意性的实施例中，循环流的抽吸方向表征为循环流由第二端112的外部进入第二端112的延伸方向，喷射方向表征为循环流由第一端111的内部离开第一端111的延伸方向。

详细地，如图2所示，循环流沿抽吸方向所形成的趋势包括但不限于由第二端112的右下向左上，以进入第二端112。循环流沿喷射方向所形成的趋势包括但不限于由第一端111的右下至左上，以离开第一端111。

进一步的，如图2所示，转子2的旋转方向所形成的趋势包括但不限于由下至上。

这样的实施方式中，循环流的抽吸方向、喷射方向均形成与转子2的转动方向大致相同的趋势(由下至上)。这样既保证了在循环流的抽吸过程中，对机匣的效率和裕度具有正面作用，又保证了在循环流的喷射过程中，减少掺混损失，在维持较高的稳定裕度拓宽量的同时、又减少了峰值效率的损失。

根据本公开的实施例，如图2所示，第一端111至第二端112之间通过包括但不限于贝塞尔曲线或B样条曲线连接，且连接位置形成平滑的过渡。

在一种示意性的实施例中，第一端111和第二端112之间选用两条B样条曲线连接，两条B样条曲线满足光顺度要求。

详细地，光顺度包括但不限于通过经验数据进行人为设置或通过计算得到。

这样的实施方式中，可较为有效的避免缝结构11内形成几何间断，有利于避免造成死区。

根据本公开的实施例，如图2所示，第一凸出部与旋转方向之间形成第一夹角，第二凸出部与旋转方向之间形成第二夹角。第一夹角的角度被构造成包括但不限于55°至60°，第二夹角的角度被构造成包括但不限于30°至60°。

在一种示意性的实施例中，第一夹角与第二夹角被构造成不同角度。

在另一种示意性的实施例中，第一夹角及第二夹角被构造成相同的角度。

详细地，第一角度(β)被构造成包括但不限于60°，第二夹角(α)被构造成包括但不限于60°，以使缝结构11形成中心对称构形。

这样的实施方式中，缝结构11的第二凸出部可较为充分的利用流体的惯性以第二凸出部的切向方向产生较大的抽吸速度，有利于降低转子2的叶片的叶顶的低能流体区域的形成，第一夹角及第二夹角的角度一致所形成的中心对称构形，有利于增强缝结构11的抽吸作用。

根据本公开的实施例，如图1所示，缝结构11被构造成弧形，在本体1的子午方向的截面中，缝结构11被构造成半圆形、半椭圆形及半心形中的任一一种。

在一种示意性的实施例中，缝结构11被构造成半圆形。

根据本公开的而实施例，如图1所示，缝结构11的缝高被构造成所述转子2的叶片的叶顶轴向弦长的10％至30％。

在一种示意性的实施例中，缝结构11的缝高(L2)被构造成叶顶轴向弦长的20％。

根据本公开的实施例，如图1所示，缝长被构造成叶顶轴向弦长的30％至60％。

在一种示意性的实施例中，缝长(L1)包括但不限于被构造成叶顶轴向弦长的50％。

根据本公开的实施例，如图1所示，叶片包括前缘21及尾缘22，第一端111的边缘至叶片的前缘21沿机匣的轴向方向的间距包括但不限于被构造成叶顶轴向弦长的10％至30％。

在一种示意性的实施例中，第一端111的边缘至叶片的前缘21沿机匣的轴向方向的间距(L3)包括但不限于被构造成叶顶轴向弦长的25％。

根据本公开的实施例，如图2所示，在本体1的周向方向的投影中，缝结构11与形成缝结构11的机匣的内壁环形区域的开孔面积比被构造成0.2至0.5。

在一种示意性的实施例中，环形区域表征为以缝结构11的第一端111及第二端112之间的间距为宽度所覆盖的机匣的内壁的区域。

详细地，开孔面积比包括但不限于0.35。

根据本公开的实施例，如图2所示，相邻两个叶片之间形成的叶片通道所覆盖的缝结构11的数量包括但不限于4至6个。

在一种示意性的实施例中，相邻两个叶片之间形成的叶片通道所覆盖的缝结构11的数量包括但不限于4个。

图3是图2所示的示意性的实施例的左视方向的示意图。

在一种示意性的实施例中，如图3所示，在本体1的轴向方向的截面中，缝结构11被构造成具有开口的矩形结构。应当理解，本公开的实施例不限于此。

例如，缝结构11被构造成具有开口的向一侧倾斜延伸的平行四边形结构。

本公开还提供一种压气机，包括S形缝式机匣处理。

在一种示意性的实施例中，机匣的内壁被构造成直圆筒结构。

详细地，机匣的内壁被构造成光面。

进一步的，机匣内的单转子包括但不限于下表1所示的设计参数。

表1压气机单转子设计参数

在一种示意性的实施例中，如图1所示，在子午方向的截面中，缝结构11被构造成半椭圆形。

详细地，缝结构11包括但不限于下表2所示的几何参数。

表2S形缝结构几何参数

图4是图1所示的示意性实施例的缝结构11抑制泄漏流由叶片的前缘21溢出及降低叶顶堵塞区的原理图。

在一种示意性的实施例中，如图4所示，随着压气机节流，压气机由设计工况向非设计工况过渡，来流由零攻角状态过渡到大攻角状态，此时叶顶负荷加剧，压力面如图4所示凸面与吸力面如图4所示凹面压差逐渐增加，叶顶泄漏流加强，同时叶顶泄漏涡在叶片通道内形成大面积堵塞区，主流与泄漏流交界面逐渐前移至叶片前缘21，压气机做功能力降低。通过在机匣内设置的缝结构11，受压差作用，缝结构11内形成一股循环流，以将低能流体抽吸至叶片前缘21后喷出，使得最大堵塞区后移，堵塞面积减少。同时循环流增加了主流轴向动量，使得主流与泄漏流交界面后移，抑制压气机不稳定现象的发生。

图5是C形缝结构11及图1所示的示意性的实施例的缝结构11对循环流进行抽吸和喷射的对比图。其中，A是C形缝结构11对循环流进行抽吸和喷射作用的原理图；B是图1所示的示意性的实施例的缝结构11对循环流进行抽吸和喷射作用的原理图。

基于本公开的示意性实施例及现有技术中较为常用的C形缝的机匣结构进行对比试验，如图5所示。

参考图5的A，在绝对坐标系下，大多数压气机主流方向为轴向或者稍偏向转子2旋转方向，经典C形轴向缝机匣处理内部，循环流顺转子2方向抽吸，逆转子2方向喷射，借助压差实现低能流体的再利用，由于抽吸方向与转子2旋转方向相同，因此能够充分利用流体的惯性，流体具有较大的周向速度，但由于喷射方向与转子2旋转方向相反，对叶顶来流攻角具有负面影响，不利于降低吸力面附面层的分离。

参考图5的B，基于本公开所提供的S形缝结构11的示意性实施例，循环流的抽吸方向与转子2的旋转方向大致相同，喷射方向同样与转子2的旋转方向大致相同，可以较为充分的发挥轴向缝的扩稳潜力，降低来流攻角，并且减少射流与主流的掺混损失，降低轴向缝机匣处理对效率的负面影响。

进一步的，在低速轴流压气机孤立转子2上开展C形缝及S形缝的数值模拟。

在转子2域生成HOH型网格，在S形轴向缝机匣处理内生成蝶形网格。近壁网格采用加密处理，网格正交性大于30°，第一层网格距离壁面3mm，保证y+＜2，满足湍流模型计算需求。采用shear-stress-transport湍流模型求解单通道三维雷诺平均Navier-Stokes方程，进口给定大气总温总压边界条，出口给定平均静压，壁面给定无滑移边界条件。

逐渐增加压气机背压，直至失速状态，获得全流量工况下，设置C形缝的机匣处理和设置S形缝的机匣处理的压升系数-流量系数特性线。

稳定裕度拓宽量的计算公式如下：

峰值效率的计算公式如下：

其中φ_SC为光壁机匣近失速点流量系数，φ_CT为机匣处理近失速点流量系数。π^*为进出口总压比，为出口总温，/>为进口总温。

研究结果表明，设置有C形缝的机匣的稳定裕度拓宽量为8.62％，而设置有S形缝的机匣的扩稳裕度达到13.9％，且二者峰值效率损失均在0.2％以内。因此，基于本公开提供的机匣具有较高的扩稳裕度及交底的峰值效率损失。

在一种示意性的实施例中，压气机包括但不限于单级或多级构形的离心式、斜流式或者轴流式压气机中的任一一种。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种S形缝式机匣处理，其特征在于，包括：

本体(1)，被构造成圆筒形结构；以及

转子(2)，设置于所述本体(1)内，被构造成绕所述本体(1)的轴线转动；

其中，所述本体(1)的内壁上的位于所述转子(2)的上游位置、沿周向均匀间隔设置有多个缝结构(11)，所述缝结构(11)的靠近来流的第一端(111)被构造成逆所述转子(2)的旋转方向延伸形成第一凸出部，所述缝结构(11)的远离所述来流的第二端(112)被构造成顺所述转子(2)的旋转方向延伸形成第二凸出部，以使通过所述缝结构(11)的循环流的抽吸方向及喷射方向均与所述转子(2)的旋转方向具有大致相同的趋势。

2.根据权利要求1所述的机匣处理，其特征在于，所述第一端(111)至第二端(112)之间通过包括贝塞尔曲线或B样条曲线连接，且连接位置形成平滑的过渡。

3.根究权利要求2所述的机匣处理，其特征在于，所述第一凸出部与所述旋转方向之间形成第一夹角，所述第二凸出部与所述旋转方向之间形成第二夹角；

其中，所述第一夹角的角度包括55°至60°，所述第二夹角的角度包括30°至60°。

4.根据权利要求1所述的机匣处理，其特征在于，缝结构(11)被构造成弧形，在所述本体(1)的子午方向的截面中，所述缝结构(11)被构造成半圆形、半椭圆形及半心形中的任一一种。

5.根据权利要求4所述的机匣处理，其特征在于，所述缝结构(11)的缝高被构造成所述转子(2)的叶片的叶顶轴向弦长的10％至30％。

6.根据权利要求5所述的机匣处理，其特征在于，所述缝长被构造成所述叶顶轴向弦长的30％至60％。

7.根据权利要求6所述的机匣处理，其特征在于，所述第一端(111)的边缘至所述叶片的前缘(21)沿所述机匣的轴向方向的间距被构造成所述叶顶轴向弦长的10％至30％。

8.根据权利要求1至7中任一所述的机匣处理，其特征在于，在所述本体(1)的周向方向的投影中，所述缝结构(11)与形成缝结构(11)的机匣的内壁的环形区域的开孔面积比被构造成0.2至0.5。

9.根据权利要求1至7中任一所述机匣，其特征在于，相邻两个所述叶片之间形成的叶片通道所覆盖的缝结构(11)的数量包括4至6个。

10.一种压气机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的S形缝式机匣处理。