一种背腔穿孔板式机匣处理方法

摘要

一种背腔穿孔板式机匣处理方法，首先设计一种只包含一个环形背腔和带有圆孔或斜槽穿孔板的机匣处理，然后将背腔穿孔板式机匣处理设置在轴流压气机转子进口前端并覆盖转子叶片的前缘部分所对应的机匣处。背腔穿孔板式机匣处理方法在背腔中形成自适应流动并在穿孔板处产生非定常脱落涡，波涡相互作用可以有效的吸收和耗散压气机流场中的低频扰动波的能量并抑制失速先兆的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆失速的发生，增加压气机系统的稳定工作范围；此外，本发明不直接影响压气机主流流场结构，因而不会造成压气机系统的压比下降和效率损失，并且结构简单紧凑，能够满足工程上对机匣尺寸的限制要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种背腔穿孔板式机匣处理方法，用来拓宽轴流压气机稳定运行工作范围，尤其是针对现代高负荷跨音轴流压气机；本发明属于叶轮机技术领域。

背景技术：

轴流压气机作为吸气式推进系统的三大关键部件之一，在航空发动机、吸气式巡航导弹以及化工、能源工业的压缩系统中得到了广泛的应用。然而，在现代高负荷跨音轴流压气机设计工作中，以旋转失速为代表的稳定性问题表现得尤为突出，严重影响了轴流压气机的稳定工作范围。随着工作负荷的不断增加，更容易造成压气机在工作范围内的稳定工作裕度不足，因此，高负荷跨音轴流压气机的稳定性设计任务变得越来越艰巨。可以说，对旋转失速的控制得当与否，不仅直接影响轴流压气机的压比、效率等工作性能，更是与吸气式推进系统研制和使用过程中出现的各种问题和故障息息相关。

为了解决上述的压气机运行过程中出现的非稳定工况问题，研究人员尝试了很多方法来扩大压气机的稳定工作范围。但目前来看，工程实际中均采用诸如中间级放气、机匣处理等被动控制措施，但传统的机匣处理技术不但会影响系统的压比、效率等工作特性，而且并无统一的设计准则。

通过大量的实验研究发现，较大穿孔率的机匣处理的确能够提高低速和跨音压气机的裕度，而且不同的结构效果有明显差别。但机匣处理影响的并不仅仅是尖区流动和失速裕度，它同时也影响了压气机的压升性能和效率，并且影响机匣处理应用的关键之处在于如何处理裕度和效率之间的关系。研究人员在应用机匣处理技术时，一般是以效率损失为代价的，而且扩稳裕度越大，所蒙受的损失也越大。设计人员所要做的工作就是按照已有的认识，将效率损失尽可能地减小到最低程度。

这是因为传统的机匣处理设计是基于机匣处理扩稳机理在于控制流动分离，认为轴流压气机的流场中叶尖和叶根处的流动最为复杂和恶劣，失速也通常在叶尖或叶根处发生，对于高负荷高压比的跨音压气机来说，叶尖端壁区流动更为复杂，叶尖泄漏涡和端壁附面层的掺混，激波和附面层的干扰等等更会造成尖部的流动损失和气流堵塞，因此，如果能够有效改善尖部或根部的流动，有效的消除堆积的附面层，减少流动损失，减小叶尖负荷，自然可以延迟失速的发生。

基于经验和“试凑”的办法进行的现有机匣处理设计，固然有可能通过改变压气机叶尖区域的流场结构来获得偶然成功，但很难适应扩稳设计的需要，往往在某种型号的压气机上运用成功的机匣处理技术或专利，而在另一种压气机上要么扩稳效果最佳区域偏离设计点，要么根本毫无效果。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种背腔穿孔板式机匣处理方法，拓宽轴流压气机的稳定工作范围，同时能够保持压气机原有的压比特性和工作效率基本不变。

本发明的技术解决方案：一种背腔穿孔板式机匣处理方法，如图1所示，首先制备一个背腔穿孔板式处理机匣，所述背腔穿孔板式处理机匣包括环形背腔1和带有圆孔或斜槽的穿孔板2，环形背腔1位于穿孔板2外侧并由止口螺栓结构连接组成密闭气室，然后将背腔穿孔板式处理机匣设置在轴流压气机转子进口前端并覆盖转子叶片3的前缘部分所对应的机匣处，背腔穿孔板式处理机匣在环形背腔1中形成自适应流动并在穿孔板2处产生非定常脱落涡，波涡相互作用有效的吸收和耗散压气机流场中的低频扰动波的能量并抑制失速先兆的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆失速的发生，增加压气机系统的稳定工作范围。

本发明的原理：带有气室的机匣处理究竟是改变了导致失速的叶片通道中的阻塞特征还是对失速起始阶段的先兆波发生了作用，而在失速刚刚出现的时候，根本尚不存在任何阻塞。尽管没有控制的先兆波的发展将会导致阻塞甚至失速，但是从控制失速的角度来开展研究则是完全不一样的。如果认为机匣处理是因为抑制了失速的先兆波进而实现了扩稳，则应当用非定常的方法来研究它对扰动波抑制的机理；如果从传统的观点来看，则应从定常的角度解释机匣气室回流所导致的动量、质量交换的结果来解释扩稳的机理，为此将要进行的全部努力则是设计好气室内的回流通道使机匣达到最大的扩稳效果，并减小机匣内部的流动损失使压气机保持较高的效率。

在对多种机匣气室中回流通道进行的实验研究中发现，在固定腔深情况下，无论在气室回流通道中布置流线型叶片还是纯粹长方性隔板，均不能明显的改变机匣处理的扩稳效果，也完全没有因为使用流线型导叶片而导致压气机工作效率上升或使用非流线型导叶片导致效率下降。显然，用传统的流动阻塞来解释机匣处理的扩稳机理是存在疑问的。另外，通过实验证实，流经机匣的流动相对于主流是一小量，对效率的影响并非是直接的。因此，目前对机匣处理扩稳机理的认识具有唯象、经验的性质，要得到更好的设计方法必须要对这种机匣处理扩稳机理有更深刻的认识。

传统机匣处理是希望通过改变流动堵塞特别是叶片尖区的堵塞起作用的，和这些研究的出发点不同，本发明将设计一种新型机匣处理用来影响失速先兆的演化而不是改变压气机任何区域的平均流场。如图1所示，本发明设计了一种不带有复杂几何诸如导流叶片和分流环的机匣处理，该机匣只包含一个环形背腔1和带有圆孔或斜槽的穿孔板2，它可以通过调节穿孔板的穿孔率和背腔容积等调节压气机系统的壁面阻抗边界条件。首先需要明确关于这种机匣处理结构的几个重要参数：a-穿孔板轴向长度，b-穿孔板与转子轴向重合度，c-背腔径向腔深，d-背腔轴向腔深，e-穿孔板厚度，f-穿孔板孔径。这样，安装在叶尖区域的机匣处理，会必然产生类似于已有的凹槽机匣处理一样的回流通道(如图2所示)。显然，无论压气机工作在何种工况下，这个回流会自然存在。对于这种带气室的机匣处理，叶尖气流会从穿孔板孔缝的后缘流进气室，再从穿孔板孔缝前缘流出，这种流进、流出产生的脱落涡街或涡环，会与流场中的各种压力扰动发生相互作用，即波涡相互作用(也称为涡声相互作用)。因此，机匣处理中的这个再流通过程能够提供一个非定常边界来影响与失速先兆相关的低频扰动的产生和发展。

因此，这种机匣处理实际上是改变了系统的边界条件，提供了一种非定常“软”边界，即入射到机匣壁面的失速先兆波的能量由于波涡相互作用机制被耗散掉，进而抑制了它的非线性放大所导致的失稳。本发明从带背腔机匣处理对失速先兆的非定常抑制作用角度出发，来研究轴流压气机流动稳定性问题，会导致更有效的设计，在拓宽高负荷跨音轴流压气机稳定工作范围的同时，不会造成明显的效率损失。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用在轴流压气机进口前缘位置安装带背腔的穿孔板式处理机匣，由于转子加功导致的压力差会形成自适应流动，这种流动将在孔缝边缘产生非定常脱落涡，基于波涡相互作用机制，可以有效的吸收和耗散压气机流场中的低频扰动波的能量，通过抑制失速先兆的非线性放大，从而可以延迟压气机内先兆失速的发生，增加压气机系统的稳定工作范围。此外，由于该处理机设置精巧，不直接干扰压气机主流流场结构，因而不会造成压气机系统的压比下降和效率损失，避免发动机部件重新设计和匹配带来的麻烦，并且结构简单紧凑，能够满足工程上对机匣尺寸的限制要求，具有较好的工程实际应用前景。

(2)本发明已经在北京航空航天大学以及中国科学院工程热物理研究所的实验台上进行了实验验证，取得了较好的扩稳效果，并且均未出现压比特性改变和效率损失等不利情况。

附图说明

图1为本发明的背腔穿孔板式处理机匣的结构示意图；

图2为本发明的背腔穿孔板式处理机匣作用原理图；

图3为光壁条件下压气机流场动态压力扰动信号的能量功率谱密度分析图；

图4为本发明背腔穿孔板式机匣处理条件下压气机流场动态压力扰动信号的能量功率谱密度分析图。

具体实施方式

背腔穿孔板式机匣处理方法是在压气机转子前缘位置进行背腔穿孔板式机匣处理以改变整个动力系统的边界条件来影响其系统演化行为并实现拓宽压气机稳定工作范围的目的。具体的作用机制是由于转子的加功增压作用，如图2所示，在背腔穿孔板式机匣处理背腔1中会自然形成的自适应流动现象5。这种流进流出的气流会在穿孔板2孔缝边缘形成非定常脱落涡，当流场中的压力扰动波入射到该非定常阻抗边界时，波涡相互作用机制将会有效的吸收和耗散掉压力扰动波的能量，从而抑制失速先兆波的非线性放大，实现扩稳目的。

如图1、2所示，背腔穿孔板式处理机匣由环形背腔1、带有孔缝的穿孔板2组成，孔缝可以为圆孔或斜槽。其中，穿孔板2的穿孔率为所在环形区域面积的4％-30％，穿孔板2尾缘位于压气机转子上方1/3-2/3轴向弦长位置处，以形成由压气机主流流场进入机匣处理背腔1的气流；穿孔板2前缘位于转子3前缘位于转子3进口前端1/3-1倍轴向弦长位置处，以形成由机匣处理背腔1进入压气机主流流场的气流，背腔1的径向深度为5mm-200mm，以形成由穿孔板2尾缘流向前缘的流动通道5，以及环形背腔1轴向长度尺寸为2/3-2倍轴向弦长，以保证建立自适应流动通道、减小流动损失为原则，目的在于抑制和吸收低频扰动波6的能量，从而拓宽轴流压气机的稳定工作范围，但受实际应用限制，应考虑具体情况而定。

穿孔板2与转子3轴向重合度是影响背腔穿孔板式机匣处理扩稳效果的一个非常重要的参数，选择合适的轴向重合度将能得到较大的失速裕度改进并保持压气机的工作效率，反之，扩稳效果不明显或造成压气机工作效率下降。穿孔板2的穿孔率和背腔1的几何尺寸也是重要的结构参数，均会对扩稳效果和压气机工作特性产生明显的影响，需要依据壁面阻抗模型或者实验测试方法调节机匣处理结构参数，结合实际使用情况以获取较大的壁面阻抗，从而抑制压气机流场中低频扰动的放大，实现拓宽轴流压气机稳定工作范围的目的。

穿孔板2尾缘在轴流压气机中的位置应在转子叶片3前缘的下游，由于转子的加功作用，主流流场中的压力高于机匣处理背腔1内的压力。在机匣处理背腔1内外压力差的作用下，将会在穿孔板2尾缘形成由压气机主流流场流入机匣处理背腔的流进气流。当非定常压力扰动波入射到该非定常阻抗界面时，会在穿孔板2外壁面的孔缝边缘由于波涡相互作用，将压力扰动波的能量转换为非定常脱落涡的涡能，从而耗散和吸收压力扰动波的能量。

在穿孔板2前缘同样会存在上述机制，这是由于此时背腔1中的压力将高于转子3前缘主流流场的压力，因而会形成由机匣处理背腔1流向压气机主流流场的流出气流。当主流流场中的各种非定常压力扰动波入射时，将会在穿孔板2的内壁面孔缝边缘处发生波涡相互作用，同样能够耗散压力扰动波的能量，抑制其非线性放大，从而达到扩稳目的。

在对流场中动态压力扰动信号进行的能量功率谱密度分析中可以看到，在相同流量起始点，相同截流速度时，低频扰动在光壁条件下，其幅值在超过1E-6量级时会进入失速(如图3中180转后)，而此流量状态下，机匣处理的存在，不仅会吸收扰动的能量使其维持在较低水平(如图4中的180转位置)，而当流量进一步降低(即时间轴向右推移)，低频扰动的幅值可以逐步增大，甚至超过1E-6量级，达到1.5E-6的水平而不失速，直到流量随着更进一步的截流而降低到更低的状态(如图4中680转后)才进入失速。这充分说明机匣处理能够有效的抑制失速先兆波的发展，从而推迟压气机系统进入失速状态，扩大其稳定工作的范围。

随着流量的减小，扰动波的能量逐渐增加，这意味着低频扰动波的能量和压气机的稳定性密切相关。在较大流量状态下，机匣处理存在情况下，低频扰动能量幅值要低于光壁情况。随着流量的降低，扰动激励的幅值逐渐增加，压力扰动波和脱落涡二者之间的相互作用也逐渐加强。在光壁情况下，当系统无法克服不断增大的扰动时，系统将突然出现失稳，压气机进入失速状态。而在机匣处理存在情况下，使得系统的边界阻抗特性发生了改变，增强了对低频扰动波能量的吸收能力，可以抑制低频扰动波进一步放大，使其能量维持在较低水平。所以，机匣处理情况下低频扰动的尖峰能量在光壁机匣失速以后虽然会有所上升，但机匣处理提供的非定常阻抗边界依然能够克服这种能量不断增强的扰动激励，直到降低到更低的流量才会出现失速。

因此，背腔穿孔板式机匣处理不仅能将扰动能量控制在较低水平，而且使系统能够承受较光壁情况更高水平的扰动而不失稳。这充分说明机匣处理通过改变壁面的边界条件而影响了系统的演化行为。

另外，背腔穿孔板式新型机匣处理，不管失速先兆波是何种类型，经过波涡的相互作用，都可以使失速先兆波得到有效抑制，改变系统的演化过程，并最终实现压气机稳定工作范围的拓宽。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。