一種帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓氣機(jī)帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，屬于葉輪機(jī)械領(lǐng)域。該方法首先在壓氣機(jī)葉頂機(jī)匣開設(shè)周向槽，然后在周向槽底部開設(shè)通流孔，并在通流孔上加入環(huán)形背腔。該機(jī)匣處理控制方法能夠在提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍的同時不明顯降低壓氣機(jī)的效率。周向槽底部帶有背腔和通流孔的結(jié)構(gòu)與周向槽底部不帶背腔和通流孔的結(jié)構(gòu)相比，不僅能對機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體進(jìn)行周向輸運，還能對流體進(jìn)行軸向輸運，能更有效地利用葉片通道內(nèi)的壓差。這增強了周向槽和主流交界面上的徑向流動強度，能更有效地抑制葉頂區(qū)域由泄漏渦引起的低速區(qū)，提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。
【專利說明】一種帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，屬于葉輪機(jī)械領(lǐng) 域，適用于航空、能源和化工等行業(yè)?？捎糜谔岣邏簹鈾C(jī)的穩(wěn)定工作范圍，特別是針對高負(fù) 荷跨音壓氣機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓氣機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件之一，廣泛的應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)、船舶發(fā)動機(jī)和 能源工業(yè)等領(lǐng)域。氣體在流經(jīng)壓氣機(jī)的過程中，旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣流做功，因此氣體的壓力得 以升高。在一定的轉(zhuǎn)速條件下，當(dāng)流經(jīng)壓氣機(jī)的氣體流量降低到一定程度時，會發(fā)生旋轉(zhuǎn)失 速等流動不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。壓氣機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況時，性能會明顯 惡化，嚴(yán)重時會發(fā)生強烈的振動，對機(jī)件造成嚴(yán)重的損壞。
[0003] 為了提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，推遲失速的發(fā)生，研究人員提出了多種壓氣機(jī) 失穩(wěn)控制方法，包括葉頂噴氣、中間級放氣、采用掠葉片和機(jī)匣處理等。其中機(jī)匣處理是一 種被廣泛采用的流動控制方法。作為一種被動流動控制方法，機(jī)匣處理方法不需要其他的 復(fù)雜控制系統(tǒng)，具有可靠性高、結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)和擴(kuò)穩(wěn)效果好等優(yōu)點，已經(jīng)在許多相關(guān)領(lǐng)域 得到了實際的應(yīng)用。
[0004] 目前常見的機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)包括周向槽機(jī)匣處理、軸向縫機(jī)匣處理和自適應(yīng)流通機(jī) 匣處理等。大量的研究表明，壓氣機(jī)葉頂區(qū)域流動和失速的發(fā)生具有密切的關(guān)系。對于跨 音壓氣機(jī)，葉頂區(qū)域存在泄漏渦、激波和邊界層等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)及其相互作用，會造成葉頂 區(qū)域的流動損失和堵塞，是引起壓氣機(jī)失速的重要原因。機(jī)匣處理通過改變壓氣機(jī)機(jī)匣的 幾何結(jié)構(gòu)，可以對葉頂泄漏渦和邊界層分離起到抑制作用，緩解葉頂區(qū)域的堵塞，從而能夠 提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。
[0005] 采用怎樣的機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)能夠有效地推遲壓氣機(jī)失速的發(fā)生，是研究人員致力于 解決的關(guān)鍵問題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種壓氣機(jī)帶背腔開孔式 周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，以更大程度地提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，同時不明顯降 低壓氣機(jī)的效率和壓比。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種壓氣機(jī)帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方 法，所述壓氣機(jī)包括壓氣機(jī)動葉和壓氣機(jī)處理機(jī)匣，其特征在于，所述流動控制方法包括：
[0008] SSL在所述壓氣機(jī)動葉頂部對應(yīng)的壓氣機(jī)處理機(jī)匣壁面開設(shè)若干平行設(shè)置的互 不連通的周向槽，在壓氣機(jī)動葉葉頂壓力面和吸力面之間壓差的驅(qū)動下，葉頂壓力面附近 的高壓流體能夠進(jìn)入周向槽，周向槽對進(jìn)入槽內(nèi)的流體進(jìn)行周向輸運，并將其從葉頂吸力 面附近的低壓區(qū)域重新射入主流；
[0009] SS2.在各所述周向槽底部開設(shè)若干沿周向均勻分布的通流孔，并在通流孔上部設(shè) 置環(huán)形背腔，通過所述環(huán)形背腔和通流孔將各個周向槽連通，為各所述周向槽提供流體交 換的通道，在葉片通道的下游高壓區(qū)域，進(jìn)入周向槽內(nèi)的流體通過所述通流孔進(jìn)入所述環(huán) 形背腔內(nèi)，所述環(huán)形背腔將流體向上游輸運，流體從環(huán)形背腔經(jīng)各所述通流孔流出后再經(jīng) 過周向槽從葉片通道上游的低壓區(qū)域重新射入主流。流入與流出周向槽和主流交界面的流 體和泄漏流相互作用，能夠?qū)π孤u起到抑制作用，從而緩解了泄漏渦引起的堵塞，并使泄 漏流和主流的交界面向葉片通道下游移動，推遲葉頂前緣附近泄漏流溢出的發(fā)生。隨著壓 氣機(jī)流量的減小、載荷的提高，周向槽和環(huán)形背腔對流體的輸運能力增強，可以有效地提高 壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。
[0010] 優(yōu)選地，所述的周向槽所在軸向范圍小于或等于整個葉頂軸向弦長范圍，各所述 周向槽的軸向?qū)挾取⑸疃群?或周向槽之間的間隙寬度可以相同或不同。
[0011] 優(yōu)選地，所述的周向槽的數(shù)目為2-10個。
[0012] 優(yōu)選地，所述的通流孔的形狀為矩形孔、圓形孔或這些孔形之間的組合。
[0013] 優(yōu)選地，各所述周向槽底部的通流孔的數(shù)目為1-10個。優(yōu)選地，分布于同一周向 槽底部的通流孔，其軸向位置可以不同。
[0014] 優(yōu)選地，所述環(huán)形背腔所在的軸向范圍大于或等于周向槽所在的軸向范圍。優(yōu)選 地，周向槽的軸向?qū)挾鹊扔谥芟虿壑g間隙的軸向?qū)挾?，并且等于周向槽的深度。?yōu)選地， 環(huán)形背腔的軸向?qū)挾鹊扔谥芟虿鬯诜秶妮S向?qū)挾龋h(huán)形背腔的深度等于周向槽的深 度。優(yōu)選地，通流孔的寬度和深度均等于0. 4倍的周向槽寬度，并且通流孔的周向張開角度 為1度。
[0015] 本發(fā)明所提出的壓氣機(jī)帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法和現(xiàn)有方法 相比，具有的優(yōu)勢為：
[0016] 該機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)不僅能通過周向槽對進(jìn)入機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體進(jìn)行周向輸運， 還能通過與周向槽相連接的通流孔和背腔對機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體進(jìn)行軸向輸運。與周向 槽底部不帶背腔和通流孔的機(jī)匣處理相比，該機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)能更有效地利用葉片通道內(nèi)的 壓差，促進(jìn)機(jī)匣處理和主流之間的流體交換，因此能更有效地提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍， 同時不會造成較大的效率和壓比損失。此外，帶背腔開孔式機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足實 際工程應(yīng)用中對壓氣機(jī)機(jī)匣幾何尺寸的具體要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖Ia是帶背腔周向槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)示意圖，圖Ib為B-B向剖面圖。
[0018] 圖2a和圖2b分別給出了采用光壁機(jī)匣、帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理、周向槽底 部不帶背腔和通流孔的機(jī)匣處理的壓氣機(jī)的特性曲線。
[0019] 圖3a和圖3b是光壁機(jī)匣近失速點和采用帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理后相同流 量工況98 %葉高的相對馬赫數(shù)分布。
[0020] 圖4a和圖4b是光壁機(jī)匣近失速點和采用帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理后相同流 量工況98%葉高的熵分布。
[0021] 圖5給出了 98%葉高靜壓分布及帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理對葉頂流體的輸 運情況。
[0022] 圖6是采用周向槽底部不帶背腔和通流孔的機(jī)匣處理后近失速點和采用帶背腔 開孔式周向槽機(jī)匣處理后相同流量工況通過周向槽與主流交界面的面積平均流量密度。
[0023] 圖7a和圖7b是采用周向槽底部不帶背腔和通流孔的機(jī)匣處理后近失速點和采用 帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理后相同流量工況98%葉高的相對馬赫數(shù)分布。

【具體實施方式】
[0024] 為使本發(fā)明本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實 施例，對本發(fā)明本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] 圖IaUb所示，本發(fā)明本發(fā)明所針對的壓氣機(jī)裝置包括壓氣機(jī)動葉1，壓氣機(jī)機(jī)匣 2,環(huán)形背腔3,通流孔4和周向槽5組成。旋轉(zhuǎn)的動葉對流經(jīng)壓氣機(jī)的氣流加功，提高氣流 的壓力。在特定轉(zhuǎn)速條件下，當(dāng)流經(jīng)壓氣機(jī)的氣體流量降低到一定程度時，壓氣機(jī)會出現(xiàn)失 穩(wěn)現(xiàn)象。帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理通過對壓氣機(jī)葉頂流場進(jìn)行控制來提高壓氣機(jī)的穩(wěn) 定工作范圍。
[0026] 帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)由環(huán)形背腔3,通流孔4和周向槽5組成。周向 槽的數(shù)目為2-10個。周向槽分布于葉片頂部區(qū)域，位于周向槽底部的通流孔和周向槽相連 接，并且環(huán)形背腔能夠?qū)⒏鱾€離散的通流孔連接起來。通流孔和背腔為各周向槽提供了流 體交換的通道。周向槽所在軸向范圍小于或等于整個葉頂軸向弦長范圍，各周向槽的軸向 寬度、深度和周向槽之間的間隙寬度可以不同。在單個葉片通道對應(yīng)的周向范圍內(nèi)，每個周 向槽底部的通流孔的數(shù)目為1-10個。通流孔的形狀可以是矩形孔、圓形孔或這些孔形的組 合，每個周向槽底部各通流孔之間的周向間距，各通流孔的軸向位置可以不同。環(huán)形背腔位 于各通流孔上部，并且要能夠覆蓋所有通流孔。環(huán)形背腔所在的軸向范圍大于或等于周向 槽所在的軸向范圍。
[0027] 周向槽和通流孔的個數(shù)和幾何尺寸以及背腔的幾何尺寸可以根據(jù)具體的應(yīng)用條 件進(jìn)行選取和優(yōu)化，以取得較好的擴(kuò)穩(wěn)效果，同時減小壓氣機(jī)的效率損失。圖1給出了一個 具體的實施例，周向槽布置在11. 5%到88. 5%軸向弦長范圍內(nèi)，周向槽的個數(shù)為4。周向槽 的軸向?qū)挾鹊扔谥芟虿壑g間隙的軸向?qū)挾?，并且等于周向槽的深度。環(huán)形背腔的軸向?qū)?度等于周向槽所在范圍的軸向?qū)挾?，環(huán)形背腔的深度等于周向槽的深度。在單個葉片通道 對應(yīng)的周向范圍內(nèi)，每個周向槽底部開設(shè)四個矩形孔。通流孔的寬度和深度均等于〇. 4倍 的周向槽寬度，并且通流孔的周向張開角度為1度。
[0028] 該發(fā)明所提出的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，以特定的壓氣機(jī)為對象，通 過數(shù)值計算進(jìn)行了驗證。所選取的壓氣機(jī)為跨音壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)如下表 所示。所采用的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)尺寸和上述圖1中所示相同。
[0029] 表1跨音壓氣機(jī)主要設(shè)計參數(shù)
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種壓氣機(jī)帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，所述壓氣機(jī)包括壓氣機(jī)動 葉和壓氣機(jī)處理機(jī)匣，其特征在于，所述流動控制方法包括：
551. 在所述壓氣機(jī)動葉頂部對應(yīng)的壓氣機(jī)處理機(jī)匣壁面開設(shè)若干平行設(shè)置的互不連 通的周向槽，在壓氣機(jī)動葉葉頂壓力面和吸力面之間壓差的驅(qū)動下，葉頂壓力面附近的高 壓流體能夠進(jìn)入周向槽，周向槽對進(jìn)入槽內(nèi)的流體進(jìn)行周向輸運，并將其從葉頂吸力面附 近的低壓區(qū)域重新射入主流；
552. 在各所述周向槽底部開設(shè)若干沿周向均勻分布的通流孔，并在通流孔上部設(shè)置環(huán) 形背腔，通過所述環(huán)形背腔和通流孔將各個周向槽連通，為各所述周向槽提供流體交換的 通道，在葉片通道的下游高壓區(qū)域，進(jìn)入周向槽內(nèi)的流體通過所述通流孔進(jìn)入所述環(huán)形背 腔內(nèi)，所述環(huán)形背腔將流體向上游輸運，流體從環(huán)形背腔經(jīng)各所述通流孔流出后再經(jīng)過周 向槽從葉片通道上游的低壓區(qū)域重新射入主流。流入與流出周向槽和主流交界面的流體和 泄漏流相互作用，能夠?qū)π孤u起到抑制作用，從而緩解了泄漏渦引起的堵塞，并使泄漏流 和主流的交界面向葉片通道下游移動，推遲葉頂前緣附近泄漏流溢出的發(fā)生。隨著壓氣機(jī) 流量的減小、載荷的提高，周向槽和環(huán)形背腔對流體的輸運能力增強，可以有效地提高壓氣 機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓氣機(jī)帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征 在于：所述的周向槽所在軸向范圍小于或等于整個葉頂軸向弦長范圍，各所述周向槽的軸 向?qū)挾取⑸疃群?或周向槽之間的間隙寬度可以相同或不同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 所述的周向槽的數(shù)目為2-10個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 所述的通流孔的形狀為矩形孔、圓形孔或這些孔形之間的組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 各所述周向槽底部的通流孔的數(shù)目為1-10個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 所述環(huán)形背腔所在的軸向范圍大于或等于周向槽所在的軸向范圍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 分布于同一周向槽底部的通流孔，其軸向位置可以不同。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 周向槽的軸向?qū)挾鹊扔谥芟虿壑g間隙的軸向?qū)挾?，并且等于周向槽的深度?br> 9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 環(huán)形背腔的軸向?qū)挾鹊扔谥芟虿鬯诜秶妮S向?qū)挾?，環(huán)形背腔的深度等于周向槽的深 度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶背腔開孔式周向槽機(jī)匣處理流動控制方法，其特征在于： 通流孔的寬度和深度均等于〇. 4倍的周向槽寬度，并且通流孔的周向張開角度為1度。
【文檔編號】F04D29/54GK104454656SQ201410658964
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】趙慶軍, 項效镕, 崔偉偉, 徐建中 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所