專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種能提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)用壓氣機(jī)的絕熱效率，同時(shí)壓氣機(jī)的總壓升和穩(wěn)定裕度也略有增加的進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器。
背景技術(shù)：
：目前，葉輪機(jī)械工業(yè)已成為了一個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事力量的支柱，在國(guó)家戰(zhàn)略中起著主導(dǎo)作用。但是該領(lǐng)域內(nèi)的人都知道，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)部存在著強(qiáng)烈和復(fù)雜的非定常流動(dòng)。一方面，轉(zhuǎn)/靜葉排的相互干擾形成了壓氣機(jī)內(nèi)特有的非定常性；另一方面，壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)還存在多種旋渦結(jié)構(gòu)和豐富的二次流。這種強(qiáng)烈而無(wú)序的非定常流動(dòng)極大地限制了壓氣機(jī)性能的進(jìn)一步提升。但是，隨著人們對(duì)非定常流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)的逐步深入，已經(jīng)逐漸意識(shí)到非定常流動(dòng)中蘊(yùn)藏著豐富的潛能，因此，人們開(kāi)始采取了很多方法利用和控制非定常潛能來(lái)提高壓氣機(jī)的性能。在利用和控制壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常潛能方面，國(guó)內(nèi)外工作者做了大量的研究工作。比如在壓氣機(jī)的外部或內(nèi)部施加合適頻率和幅值的聲激勵(lì)，一般來(lái)說(shuō)內(nèi)部聲激勵(lì)從功率要求和激勵(lì)效果上要優(yōu)于外部聲激勵(lì)。人們還采用合成射流激勵(lì)也取得了一定的正效果。另外，處理機(jī)匣可以大幅提高壓氣機(jī)喘振裕度，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，北京航空航天大學(xué)的周盛教授和陸亞鈞教授提出了非定常耦合流動(dòng)理論，在此理論指導(dǎo)下研究發(fā)明了一種尾流撞擊發(fā)生器，該尾流撞擊發(fā)生器在壓氣機(jī)進(jìn)口周向均布一定數(shù)目的導(dǎo)流葉片，使壓氣機(jī)的總體性能得到明顯提升。但上述聲激勵(lì)和合成射流的方法在實(shí)際工程應(yīng)用上難度很大；處理機(jī)匣雖然能大幅提高壓氣機(jī)的喘振裕度，單它往往是以降低壓氣機(jī)的絕熱效率為代價(jià)的；尾流撞擊發(fā)生器在實(shí)驗(yàn)中對(duì)壓氣機(jī)的總壓升、效率和失速裕度均略有提高，但是，其對(duì)壓氣機(jī)效率的提高仍很少。因此，如何更有效地利用和控制壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)，設(shè)計(jì)出一種能夠產(chǎn)生多種頻率的激勵(lì)發(fā)生器，使它不僅能對(duì)主流區(qū)進(jìn)行更好地整流而且能對(duì)復(fù)雜的二次流進(jìn)行一定程度的整流，使流場(chǎng)更加有序，減少流動(dòng)損失和減輕葉背分離，在明顯提高壓氣機(jī)絕熱效率的同時(shí)，使得壓氣機(jī)的總壓升和失速裕度也略有提高。這種非定常多頻率激勵(lì)的尾流撞擊發(fā)生器成為本發(fā)明所追求的目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容受非定常耦合流動(dòng)理論的指導(dǎo)以及只能產(chǎn)生單頻率的進(jìn)口導(dǎo)流葉片周向均布的尾流撞擊發(fā)生器的的啟發(fā)，并針對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常多旋渦結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種能產(chǎn)生多頻率激勵(lì)的進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器。設(shè)進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器的導(dǎo)葉總數(shù)為N，則周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器的特征為每隔.iVO數(shù)目的導(dǎo)葉，去掉數(shù)目的導(dǎo)葉，即去掉了50%的進(jìn)口導(dǎo)流葉片，得到相間分布的四個(gè)有O導(dǎo)葉的激勵(lì)區(qū)和四個(gè)無(wú)導(dǎo)葉的緩沖區(qū)。這種周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器包括機(jī)匣、輪轂、四個(gè)有導(dǎo)葉的激勵(lì)區(qū)和四個(gè)無(wú)導(dǎo)葉的緩沖區(qū)。要設(shè)計(jì)周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器，首先對(duì)進(jìn)口導(dǎo)葉均布的尾流撞擊發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1方案A所示，進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器是沿周向均勻分布若干個(gè)導(dǎo)流葉片。這種進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法為(1)導(dǎo)流葉片的個(gè)數(shù)的確定方法首先用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算的方法確定某一轉(zhuǎn)速n(RMP)時(shí)轉(zhuǎn)子葉片的旋渦脫落頻率fsted，則由式⑴可得到IGV(進(jìn)口導(dǎo)流葉片)的個(gè)數(shù)(1)n(2)直導(dǎo)流葉片的選取為了減少流動(dòng)損失，進(jìn)口導(dǎo)流葉片選用中弧線(xiàn)為直線(xiàn)段的直導(dǎo)流葉片、最大厚度點(diǎn)距葉片前緣的相對(duì)位置e=30%,尾緣相對(duì)于軸線(xiàn)為直角，尾緣厚度為弦長(zhǎng)的1%，葉型最大相對(duì)厚度c=4%。進(jìn)口直導(dǎo)流葉片的前緣垂直于壓氣機(jī)軸線(xiàn)，尾緣從葉根到葉尖距轉(zhuǎn)子前緣的軸向距離均為5士1mm。(3)輪轂為等外徑，機(jī)匣為等內(nèi)徑設(shè)計(jì)。進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器的設(shè)計(jì)是每隔數(shù)目的導(dǎo)葉，去掉]數(shù)oo目的導(dǎo)葉，即去掉了50%的進(jìn)口導(dǎo)流葉片，得到相間分布的四個(gè)有導(dǎo)葉的激勵(lì)區(qū)和四個(gè)無(wú)導(dǎo)葉的緩沖區(qū)，顯然，每個(gè)激勵(lì)區(qū)葉片的數(shù)目約為^激勵(lì)區(qū)的圓心角為a，緩沖n8區(qū)的圓心角為0，=90°，具體如圖2方案B所示。方案B中，在激勵(lì)區(qū)，下游流場(chǎng)能感受到連續(xù)的尾跡虧損，而在緩沖區(qū)，下游流場(chǎng)則不能感受到尾跡虧損。尾跡信號(hào)的這種從有到無(wú)，再?gòu)臒o(wú)到有的轉(zhuǎn)變過(guò)程，就是一個(gè)典型的低頻方波激勵(lì)信號(hào)，這是進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊方案所不能提供的。此外，在激勵(lì)區(qū)，轉(zhuǎn)子流場(chǎng)還會(huì)感受到多個(gè)尾跡連續(xù)經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的高頻率的尾流激勵(lì)信號(hào)。而這個(gè)高頻激勵(lì)信號(hào)就是進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器能對(duì)下游流場(chǎng)產(chǎn)生耦合激勵(lì)頻率。從進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的非定常激勵(lì)頻率分析，可以知道本發(fā)明所述的進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的激勵(lì)是多頻率的，而進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的激勵(lì)頻率為單一頻率。因此，本發(fā)明所述的進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器相對(duì)進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器來(lái)說(shuō)，可以對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)多種旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合整流，可進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的性能。這種周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器能夠?qū)簹鈾C(jī)主流區(qū)及端壁區(qū)二次流產(chǎn)生明顯的非定常激勵(lì)整流作用，使得流場(chǎng)變得更為有序，因而能取得與進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器不同的效果，使壓氣機(jī)絕熱效率明顯提高的同時(shí)，也使得壓氣機(jī)的總壓升和失速裕度略有提高。圖1為進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊發(fā)生器(方案A)示意圖；圖2為進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器(方案B)示意圖；圖3尾流撞擊方案A和B對(duì)壓氣機(jī)效率特性的影響；圖4尾流撞擊方案A和B對(duì)壓氣機(jī)總壓升特性的影響；圖5為進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊方案A激勵(lì)頻譜；圖6為進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊方案B的激勵(lì)頻譜；具體實(shí)施例方式舉例說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。根據(jù)上述進(jìn)口導(dǎo)流葉片周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法對(duì)一臺(tái)單級(jí)低速軸流壓氣機(jī)進(jìn)行進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流發(fā)生器設(shè)計(jì)，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其作用效果。該軸流壓氣機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。表1軸流壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>首先用實(shí)驗(yàn)的方法確定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速nd=3000rpm時(shí)轉(zhuǎn)子葉片的旋渦脫落頻率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定該壓氣機(jī)在nd=3000rpm時(shí)的旋渦脫落頻率fshed為1854HZ。然后用公式(1)算出導(dǎo)葉的個(gè)數(shù)為37片，這里可近似地取為40片。然后由
發(fā)明內(nèi)容內(nèi)所述的方法可知，每個(gè)激勵(lì)區(qū)的葉片數(shù)均為5。轉(zhuǎn)子前沒(méi)有IGV(進(jìn)口導(dǎo)流葉片)的稱(chēng)為基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)子前有如圖1所示40IGV的周向均勻分布的稱(chēng)為A方案。尾流撞擊方案A和B對(duì)壓氣機(jī)效率特性和對(duì)壓氣機(jī)總壓升的影響分別如圖3、4所示。與基準(zhǔn)相比，40IGV周向均勻分布的尾流撞擊方案A的激勵(lì)效果不明顯，最高效率僅能比基準(zhǔn)高0.2%。但是方案A中40片導(dǎo)葉自身的尾跡損失并沒(méi)有使壓氣機(jī)的總體性能下降，這說(shuō)明了下游轉(zhuǎn)子流場(chǎng)確實(shí)受到尾流激勵(lì)的作用而變得更加高效了。由圖3、4可知，周向多分區(qū)的尾流撞擊方案B的激勵(lì)效果明顯好于方案A，壓氣機(jī)的最高效率比基準(zhǔn)提高了1.2%，同時(shí)總壓升和穩(wěn)定裕度也有一定增加。如圖5所示為進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊方案A頻譜特性，它的激勵(lì)頻譜為單一的激勵(lì)頻率2000HZ。如圖6所示為進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊方案B的頻譜特性，它產(chǎn)生了一個(gè)200HZ的低頻方波激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)在2000HZ的高頻激勵(lì)信號(hào)附近出現(xiàn)了ISOOHz和2200HZ的副頻成分，形成了一個(gè)圍繞2000HZ的激勵(lì)頻帶。這種低頻方波和圍繞2000HZ的激勵(lì)頻帶更容易與圍繞2000HZ上下跳動(dòng)的脫落頻率和復(fù)雜的二次流渦系產(chǎn)生耦合，使流動(dòng)由無(wú)序變?yōu)橛行?。而且，IGV減少了50%也必然減少了流動(dòng)損失。在這三種方案下，壓氣機(jī)的性能參數(shù)如表2所示。由表而可以看出方案A、B的最高效率、設(shè)計(jì)點(diǎn)總壓升、穩(wěn)定裕度均比基準(zhǔn)有所提高，但是進(jìn)口導(dǎo)葉周向均布的尾流撞擊方案A的最高效率僅比基準(zhǔn)提高了0.2%，而進(jìn)口導(dǎo)葉周向多分區(qū)的尾流撞擊方案B效率提高了1.2%。表2三種方案下壓氣機(jī)的性能參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器，其特征是本發(fā)明所述周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器包括機(jī)匣(1)、輪轂(2)、四個(gè)有導(dǎo)葉(3)的激勵(lì)區(qū)(4)和四個(gè)無(wú)導(dǎo)葉的緩沖區(qū)(5)。激勵(lì)區(qū)(4)與緩沖區(qū)(5)相間分布，相鄰激勵(lì)區(qū)(4)的圓心角α與緩沖區(qū)(5)的圓心角β之和α+β均為90°。2.如權(quán)利要求1所述的周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器，其特征在于每個(gè)激勵(lì)區(qū)(4)葉片的數(shù)目為，其中N為每個(gè)激勵(lì)區(qū)⑷葉片的數(shù)目，fsted為轉(zhuǎn)子葉片后占n8優(yōu)的旋渦脫落頻率，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(RPM)。全文摘要本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在軸流壓氣機(jī)上的進(jìn)口導(dǎo)流葉片周向多分區(qū)的尾流撞擊發(fā)生器，其包括機(jī)匣、輪轂、四個(gè)有導(dǎo)葉的激流區(qū)和四個(gè)無(wú)導(dǎo)葉的緩沖區(qū)。該設(shè)計(jì)考慮到了壓氣機(jī)里強(qiáng)烈的無(wú)序非定常多旋渦結(jié)構(gòu)流動(dòng)損失。當(dāng)合理安排進(jìn)口導(dǎo)葉數(shù)目和周向分布形式時(shí)，IGV的多頻率尾跡能對(duì)下游轉(zhuǎn)子流場(chǎng)產(chǎn)生有益的非定常耦合激勵(lì)作用。與進(jìn)口導(dǎo)流葉片周向均布的尾流撞擊方案相比，周向多分區(qū)的尾流撞擊方案在保持有益的高頻激勵(lì)信號(hào)同時(shí)，引入了合適的低頻方波激勵(lì)信號(hào)和其它有益的副頻激勵(lì)信號(hào)，使得導(dǎo)葉尾跡更容易與壓氣機(jī)中多種渦系產(chǎn)生耦合激勵(lì)作用，從而明顯提高壓氣機(jī)絕熱效率，提高壓氣機(jī)總壓升和擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度。文檔編號(hào)F04D29/54GK101832302SQ201010176178公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年5月13日優(yōu)先權(quán)日2010年5月13日發(fā)明者周盛,李志平,李茂義,袁巍,陸亞鈞申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)