CN113107903A - 一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，属于叶轮机械内部流动控制技术领域。包括由吸气段、桥路和喷气段三部分。其中吸气段二维型线由两条半圆弧线构成，喷气段二维型线采用NURBS拟合而成。对转压气机转子R2通过该自循环机匣处理可显著提高失速裕度，相比其他形式的机匣处理，这种设计的自循环机匣处理可以降低效率亏损。在某2级对转压气机上对该种自循环机匣处理的扩稳效果进行了考核。自循环机匣处理吸气口距离后排转子R2叶顶前缘下游25％轴向弦长，喷气口距离后排转子R2叶顶前缘上游40％轴向弦长，喷气角和吸气角度为10°，喉部面积比为4.0。研究表明在70％‑100％设计转速下，自循环机匣处理均可明显提高对转压气机的失速裕度。

Description

一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置

技术领域

本发明涉及叶轮机械内部流动控制技术领域，是一种应用于新型气动布局的对转压气机、用于提高对转压气机失速裕度的装置，具体是一种周向偏转角度可调且轴向位置便于移动的自循环处理机匣。

背景技术

大推重比和宽裕度是航空发动机不断追求的目标，由于对转压气机中因取消中间级静叶结构大幅降低压气机重量和减小轴向尺寸，被认为是提高发动机推重比的重要技术之一。相比常规压气机，来自前排转子的气流得不到静子叶排的梳理直接进入后排转子，前排转子产生的尾迹增强了后排转子进口流场的不均匀性。另外，后排转子叶片对气流的进一步做功使得后排转子叶片承载更高的气动负荷，叶片负荷的增加使得间隙泄漏流强度增大，与主流/端壁附面层掺混后形成的叶顶泄漏涡堵塞主流通道，随着叶顶泄漏涡对通道阻塞作用不断加强，压气机最终进入失稳状态。在对转压气机中，后排转子叶尖泄漏流的发展情况很大程度上决定着压气机整机的稳定性。因此，有必要改善后排转子叶尖流场来提升对转压气机的失速裕度。

机匣处理作为提高压气机失速裕度的技术，因具有结构简单、便于设计、可靠性高和扩稳效果好等特点而被广泛应用于压气机。常见的机匣处理形式有槽、缝式机匣处理等。槽、缝式机匣处理虽然能够拓宽压气机稳定工作范围，但都会伴随效率损失，通常稳定裕度改善越大效率亏损越高。相比机匣处理，自循环机匣处理能够在提高对转压气机稳定裕度的同时使得效率的亏损最小甚至无效率损失，其原理是利用压气机级上下游自然压差将下游堵塞的低能流体吸除并循环至转子前缘上游重新注入，改善叶顶区域流动推迟失速发生，从而提高压气机的失速裕度。压气机作为旋转的叶轮机械，气流通过各叶片排时具有较大的周向分速度，为了使气流更易流入自循环机匣进行循环，可将自循环机匣在周向方向上设定偏转来达到目的。

已公开的发明专利(CN 110145497 A)中没有考虑叶尖圆周分速度，忽略了自循环机匣周向偏转角度对其性能的影响，使得该设计方法下自循环机匣处理带来的效率损失更大。从气体动力学方面考虑，将自循环机匣在周向方向上沿叶轮旋转方向偏转能够进一步提高自循环机匣的循环性能。除此之外，已公开的发明专利(CN 112177981 A)中提出具有径向、轴向倾斜的自循环处理机匣结构形式为半圆弧型，在孤立转子上对其性能的考核表明较传统自循环机匣具有更好的扩稳效果，但自循环机匣吸气口和喷气口的间距较短，应用于对转压气机中难以保证提供充分的驱动压差且单通道时匹配3个自循环机匣处理装置增加了加工量。

本发明的对转压气机在结构上不同于常规压气机，使得其内部的流动特性也不同。基于常规压气机所提出的自循环机匣设计方法，不能应用于本发明的对转压气机中。因此，应基于对转压气机独特的结构特点，发展相适用的自循环机匣处理扩稳装置。

发明内容

要解决的技术问题

对转压气机技术提高了航空发动机的推重比，为了解决现有技术中自循环机匣不能适用于对转压气机上，进一步提高压气机的失速裕度并降低效率损失，本发明在常规机匣处理研究的基础上提出了一种几何结构易于控制的自循环机匣处理设计方法，该方法对于吸气口位置、喷气口位置及自循环机匣的型线可以根据需求进行快速设计。同时，自循环机匣也可根据需要在周向上偏转。使之相对于对转压气机中的机匣处理技术具有更高的失速裕度改善量和最小的效率损失。

技术方案

一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，包括前排转子R1、后排转子R2、自循环机匣处理的吸气段、桥路和喷气段；所述吸气口位于后排转子R2叶顶正上方，整个自循环机匣处理装置可以沿着机匣轴向前后移动且可以在周向方向0°-60°范围内偏转；吸气口横跨叶顶通道；整个自循环机匣处理装置周向曲率与压气机机匣外壁面曲率相同；所述吸气段二维型线由两条半圆弧线构成；所述喷气段二维型线采用NURBS拟合而成。

优选地：所述桥路采取等截面设计，以减少流动损失。

优选地：所述喷气口、吸气口分别位于距离后排转子R2叶顶前缘上游5.0％-40％和10％-30％轴向弦长处。

优选地：所述吸气角为10°-45°，喷气角为5.0°-20°。

优选地：所述吸气段为等截面设计，喷气段通道型线的收缩比为1.0-4.0。

优选地：所述的吸气口与喷气口的喉部面积比为4.0。

有益效果

本发明提出的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，自循环机匣的吸气口和喷气口分别位于压气机级的下游和上游，机匣附近低能流体在上、下游之间自然压力差的驱动下从吸气口进入后经过桥路循环至喷气口后重新在转子上游高速喷出，改善了转子叶顶附近的流动堵塞并抑制叶顶泄漏流的发展和向上游溢流，使得压气机能够在更低的流量下稳定工作，从而提高失速裕度。

在某2级对转压气机上开展了自循环机匣处理的数值研究，结果表明在70％、80％、90％和100％设计转速下，对转压气机的失速裕度分别提高了6.39％、7.37％、9.09％、8.73％。另外，与传统的自循环机匣处理相比，带有周向偏转的自循环机匣能够进一步降低效率损失，整体气动性能更佳。

本发明中喷气口和吸气口的轴向位置可移动且调节范围大，只需要调节中间桥路的尺寸就可以达到目的，克服了专利CN 112177981 A的局限性；专利CN 112177981 A的轴向尺寸一旦发生变化，其流道形式和整体高度也会相应变化，该结构的性能是否改变难以确定。

压气机作为旋转的叶轮机械，常用的轴流压气机一般由多级构成，气流从前流向后面级逐渐增压，气流离开叶片排时的速度在轴向、径向和周向上均有分速度，而自循环机匣处理装置就是为了让气流通过桥路循环至叶片排上游，因此将自循环机匣沿着压气机转子叶片旋转的方向进行周向偏转更有利于气流的流入，这直接反映在效率损失的降低。相对于没有周向偏转的自循环机匣处理，通过周向偏转后效率损失降低了将近30％。

本发明中吸气段构型采用的为双圆弧曲线，这是相比于现有技术最大的改进点。自循环机匣处理装置中吸气段的主要作用是引流，气流在经过固体壁面时不可避免地产生摩擦损失和因流道收缩或扩张而造成局部流动损失(空气动力学)。发明人在前期的研究中发现，相对于其他类型的曲线，如贝塞尔曲线、非均匀B样条曲线，圆弧曲线具有曲率恒定不变的特性，这使得低速气流在流经双圆弧构成的流道时局部损失较小，这也是双圆弧曲线设计下总损失降低的原因之一。另外，采用双圆弧曲线降低了该装置的加工难度，具有较好的工程实际意义。

本发明中的喷气段二维型线设计中的内型线采用NURBS拟合而成，外型线采用圆弧曲线，喷气段设计将NURBS和圆弧曲线相结合，这是相比于现有技术最大的改进点。喷气段外型线的局部可调节性使得喷气段横截宽度可以根据需求进行调整，增加了整个装置的可调节性。现有技术CN 110145497 A中采用的贝塞尔曲线缺乏局部性质，修改曲线上任意控制点都会使整条曲线发生变化，而NURBS样条曲线克服了此局限性，可以根据需求调节个别控制点位置，具有良好的局部性质，这对于喷气段的自由调节和整体气动特性都有利。

本发明中的喷气段采用的是渐缩型设计，即便周向偏转角度在0-60°的范围内仍然可以保证喷气段出口处具有较大的射流速度，相比于CN 112177981 A中的喷气段没有采用特别的设计效果，吸气口和喷气口的轴向间距太小，周向偏角范围太大时无法提供驱动气流循环的压力差，因此CN 112177981 A中的周向偏转角度范围有限。本发明中的喷气角度和吸气角度的范围都小于CN 112177981 A中的给定值。喷气角度越小对流动控制效果(稳定裕度提升)越有利，吸气角度越小对整体气动性能(降低局部损失)越有利，因此在吸气角度和喷气角度的选择方面本发明也要优于CN 112177981 A。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为某2级对转压气机子午面示意图。

图2为自循环机匣处理装置子午面及工作原理示意图。

图3为配置自循环机匣处理装置后局部俯视图。

图4为带有自循环机匣处理装置的对转压气机侧视图。

1-进口导叶、2-前排转子R1、3-后排转子R2、4-出口导叶、5-机匣型线、6-轮毂型线、7-喷气段、8-桥路、9-吸气段、10-叶片前缘、11-自循环机匣。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明为一种应用于对转压气机的自循环机匣处理装置，参见图1～图3。所述自循环机匣处理装置可实现自循环机匣各参数的自主调节，获得扩稳效果最佳的几何参数。吸气段的吸气角为10°，喷气口处喷气角为10°，吸气口与喷气口的喉部面积比为4.0，单通道中自循环机匣处理装置的周向覆盖占整个通道的80％。吸气口位于距离对转压气机后排转子叶顶前缘下游25％叶尖轴向弦长处，喷气口位于距离后排转子叶顶前缘上游40％叶尖轴向弦长处。

1.通过圆弧控制方程生成吸气段的内外型线；

2.吸气段设计过程中采用等截面设计，以减少气流在自循环机匣中的流动损失；

3.喷气段内外型线设计采用可控渐缩型设计，喷气口设计基于柯恩达效应；

4.通过用直线分别连接吸气段和喷气段的内外型线，形成中间桥路；

5.将生成的二维自循环机匣截面沿着对转压气机的圆周方向旋转，生成三维自循环机匣结构。

本发明应用于双级高速对转轴流压气机，该对转压气机的主要设计参数如表所示：

表1对转压气机主要设计参数

1.在对转压气机中沿机匣线作吸气段和喷气段的内外型线，其中吸气段内外型线采用圆弧控制方程生成，吸气段的吸气角度为10°，吸气口与喷气口的喉部面积比为4.0，吸气段位于距离对转压气机后排转子叶顶前缘下游19.2mm处；喷气段型线采用可控渐缩型设计，喷气段的喷气角度为10°，喷气口位于距离后排转子R2叶顶前缘上游30.76mm处，分别连接吸气段、喷气段的内外型线及桥路构成自循环机匣处理的子午面型线。

2.以对转压气机轴线方向为旋转轴，将整个自循环机匣的子午面二维型线旋转14.4°，即得到三维结构的自循环机匣，再将其沿着轴线旋转一定角度得到带有周向偏转的自循环机匣装置。

3.对转压气机单通道中自循环机匣处理装置数目为1，周向覆盖占整个转子通道的80％。

在某2级对转压气机上进行该自循环机匣处理装置的数值模拟研究，数值计算具体实施过程如下：

1.使用NUMECA中的AutoGrid5/IGG模块对转子通道和自循环机匣结构进行网格划分。

2.数值计算采用NUMECA/FINE，应用Jameson有限体积差分格式并结合S-A湍流模型求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程，空间项采用中心差分格式离散，时间项采用4阶Runge-Kutta方法迭代求解，同时采用隐式残差光顺方法以及多重网格技术加速收敛过程。

3.获取数值模拟的结果表明对转压气机稳定工作裕度最大改进量为8.73％，峰值效率损失为0.48％，相比于常规的自循环机匣，带有周向偏转的自循环机匣使得效率损失降低29.7％，气动性能得到进一步提高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于包括前排转子R1、后排转子R2、自循环机匣处理的吸气段、桥路和喷气段；所述吸气口位于后排转子R2叶顶正上方，整个自循环机匣处理装置可以沿着机匣轴向前后移动且可以在周向方向0°-60°范围内偏转；吸气口横跨叶顶通道；整个自循环机匣处理装置周向曲率与压气机机匣外壁面曲率相同；所述吸气段二维型线由两条半圆弧线构成；所述喷气段二维型线采用NURBS拟合而成。

2.根据权利要求1所述的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于所述桥路采取等截面设计，以减少流动损失。

3.根据权利要求1所述的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于所述喷气口、吸气口分别位于距离后排转子R2叶顶前缘上游5.0％-40％和10％-30％轴向弦长处。

4.根据权利要求1所述的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于所述吸气角为10°-45°，喷气角为5.0°-20°。

5.根据权利要求1所述的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于所述吸气段为等截面设计，喷气段通道型线的收缩比为1.0-4.0。

6.根据权利要求1所述的一种对转压气机可周向偏转的自循环机匣处理装置，其特征在于所述的吸气口与喷气口的喉部面积比为4.0。

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