一种轴向前移、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣

摘要

本发明公开了一种轴向前移、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣，在压气机机匣上沿与轴向夹角为‑37.1°开一定数目的缝并沿周向均匀布置形成反叶片角向缝处理机匣，反叶片角向缝处理机匣的处理宽度覆盖整个叶顶轴向弦长。通过在反叶片角向缝处理机匣的基础上进一步轴向前移10mm、径向倾斜60°，压气机的稳定裕度进一步提高，同时使压比、效率损失减小。在某亚音轴流压气机转子试验台上开展对比研究，一种是反叶片角向缝处理机匣，另外一种是新形成的径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣。结果表明，与反叶片角向缝处理机匣相比，新形成的处理机匣在进一步提高了综合失速裕度的同时降低了效率损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高轴流压气机稳定裕度的装置，具体是一种径向倾斜、轴向倾斜的缝式处理机匣。

背景技术

压气机在实际工作中，并非总在设计工况下工作。当运行条件改变时，其工况点会偏离设计工况点，在一定的条件下会产生诸如失速、喘振等不稳定流动。当压气机处于不稳定工况时，不仅会降低压气机的压比和效率，而且还会产生强烈的振动，甚至导致压气机叶片断裂。为此，国内外研究者积极探索扩大压气机稳定工作范围的措施。处理机匣作为一种有效的扩稳措施，具有结构简单，易于在机匣上改装等特点，已在多种航空发动机上得到了应用。目前处理机匣主要有槽式、缝式两种结构，槽式处理机匣能够在保证效率损失不大的情况下获得6％左右的失速裕度改进量；缝式处理机匣失速裕度改进量则大得多，一般可以达到15％左右，甚至更高，因而得到了更多研究者的关注。现有的绝大部分缝式处理机匣研究中处理缝不是沿着轴向就是沿着叶片角度方向，处理缝很少与转子叶片型线有一定的角度，更不用说在此基础上沿径向有一定的倾斜。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了扩大压气机的稳定工作范围，尽量减少压气机的损失，本发明在先前处理机匣研究的基础上提出了一种轴向前移、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣方法。该方法重新设计了缝式处理机匣的开口面方向，使之与转子叶片型线有一定的角度而形成反叶片角向缝处理机匣。其相比角向缝处理机匣而言，压比、效率有所下降，但稳定工作范围更大。其次，该方法在反叶片角向缝处理机匣的基础上沿径向倾斜，并且沿轴向前移，结果表明稳定工作范围再次增大，同时压比、效率有所提高。

本发明的技术方案是：一种轴向前移、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣，所述反叶片角向缝处理机匣整体沿发动机轮毂轴线进行轴向平移，使得部分叶片位于机匣外；叶片角向缝处理机匣整体沿发动机轮毂径向倾斜。

本发明的进一步技术方案是：在压气机机匣上周向开有若干条缝，缝的开口方向与叶片角向相反，且缝的开口面与发动机轮毂轴线夹角为α，形成所述反叶片角向缝处理机匣。

本发明的进一步技术方案是：所述反叶片角向缝处理机匣整体沿发动机轮毂径向倾斜角度β，且β角度范围为30～60度。

本发明的进一步技术方案是：所述缝片宽与缝宽之比为0.4～0.6。

发明效果

本发明的技术效果在于：通过处理缝中的回流、处理缝形成的喷射流与叶顶通道主流的相互作用，反叶片角向缝处理机匣改善了叶顶间隙流动，提高了压气机的稳定工作范围。通过在反叶片角向缝处理机匣的基础上进一步轴向前移、径向倾斜，压气机的稳定裕度进一步提高，同时使压比、效率损失减小。从而解决了反叶片角向缝处理机匣在较大幅度提高压气机扩稳能力的同时所造成的效率损失较大的问题。在某亚音轴流压气机转子试验台上开展了两种缝式处理机匣的研究，一种是反叶片角向缝处理机匣，另外一种是新形成的径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣。结果表明，反叶片角向缝处理机匣、新形成的处理机匣获得的综合失速裕度改进量分别为26.71％、39.54％，峰值效率损失分别为9.85％、3.99％。即与反叶片角向缝处理机匣相比，新形成的处理机匣在进一步提高了综合失速裕度的同时降低了效率损失。

附图说明

图1为反叶片角向缝处理机匣三维视图，

图2为反叶片角向缝处理机匣开口面在压气机机匣上的轮廓视图

图3为反叶片角向缝处理机匣在轴向方向上的轮廓视图。

图4为径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣三维视图，

图5为向倾斜的反叶片角向缝处理机匣开口面在压气机机匣上的轮廓视图，

图6为径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣在轴向方向上的轮廓视图

图中，1-轴向，2-周向，3-反叶片角向缝处理机匣，4-转子叶片，5-开口面，6-转子叶顶，7-处理机匣在轴向某一位置上的轮廓，8-径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣。

具体实施方式

参见图1-图6，一种基于亚音速轴流压气机径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣，其特点是包括下述步骤：

步骤一：在压气机机匣上沿与轴向1夹角为α开一定数目的缝并沿周向2均匀布置形成反叶片角向缝处理机匣3，反叶片角向缝处理机匣3的处理宽度覆盖整个叶顶6的轴向弦长；

步骤二：将反叶片角向缝处理机匣3沿轴向1前移一定距离，此处前移是通过数值模拟后比较所做的选择，同时沿径向倾斜一定角度β使之形成新的处理机匣8；

步骤三：缝宽为3.5mm，缝片宽与缝宽之比为0.5，即开缝面积/处理面积为66.7％；

步骤四：缝深约为11mm；

步骤五：反叶片角向缝处理机匣3轴向偏转角α＝-37.1°，径向倾斜角β＝0°；定义α为缝的开口面5与轴向的夹角，定义β为处理机匣在轴向的轮廓7与径向的夹角；转子叶片4顶部安装角为37.1°，夹角的正负按右手螺旋进行判断；

步骤六：新形成的处理机匣8处理宽度覆盖整个叶顶6轴向弦长的60％左右，轴向偏转角α＝-37.1°，径向倾斜角β＝60°；

步骤七：单通道缝的数目为5；

下面结合附图对发明技术方案做进一步说明。

本发明应用在某亚音轴流压气机试验台的孤立转子上，该转子的主要参数如表1所示。

表1主要几何和性能参数

1、在压气机机匣上沿与轴向1夹角为-37.1°开一定数目的缝并沿周向2均匀布置形成反叶片角向缝处理机匣3，反叶片角向缝处理机匣3的处理宽度覆盖整个叶顶6轴向弦长；

2、将反叶片角向缝处理机匣3沿轴向1前移10mm，使处理宽度覆盖整个叶顶6轴向弦长的60％左右，同时沿径向倾斜60°使之形成新的处理机匣8；

3、缝宽为3.5mm，缝的缝宽/缝片宽为2/1，即开缝面积/处理面积为66.7％；

4、缝深约为11mm；

5、缝的数目为5。

上述反叶片角向缝处理机匣、新的径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣的主要几何结构参数如表2所示。

表2两种处理机匣主要几何结构参数

在亚音轴流压气机试验台的孤立转子上开展反叶片角向缝处理机匣、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：

1、使用NUMECA软件包的Igg/Autogrid5模块对压气机转子和处理机匣进行结构化网格划分；

2、使用NUMECA FINE/Turbo软件包的Euranus求解器对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，具体配置为，压气机转子的转速为8130r/min，空间离散采用Jameson有限体积2阶迎风格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对全三维雷诺时均方程在相对坐标系下进行求解，对于时间离散，定常计算时选择显式四阶Runge-Kuutta时间推进方法，同时加入二阶和四阶人工粘性项来消除数值计算中的伪数值计算振荡，并采用多重网格法、当地时间步长和隐式残差光顺等方法来加快收敛速度；非定常计算时利用隐式双时间步方法，物理时间步设置为2400，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为为20；

3、获取数值计算结果并进行数据处理，获得反叶片角向缝处理机匣、径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣的综合失速裕度改进量和峰值效率改进量。

研究结果表明，径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣获得的综合裕度改进量比反叶片角向缝处理机匣的高12.83％，同时峰值效率损失比之低5.86％，即径向倾斜的反叶片角向缝处理机匣的扩稳能力比反叶片角向缝处理机匣的更强，同时效率损失比之更小。