[發(fā)明專利]壓氣機(jī)前縫后槽式機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410269966.5
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN105298923B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜娟;李帆;李繼超;馬寧;王開;林峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類號: F04D29/52
• 分類號: F04D29/52
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司11021
• 代理人: 曹玲柱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及流體機(jī)械壓氣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種壓氣機(jī)前縫后槽式機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)裝置。

背景技術(shù)

軸流風(fēng)扇/壓氣機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的流體機(jī)械，如何提高其工作穩(wěn)定性一直是研究熱點和難點。國際上對提高穩(wěn)定性裕度的擴(kuò)穩(wěn)措施進(jìn)行了各種探索，主要包括可調(diào)葉片，機(jī)匣處理(周向槽和軸向縫)，葉頂噴氣，大小葉片等。機(jī)匣處理作為一種有效的被動擴(kuò)穩(wěn)措施，出現(xiàn)于上世紀(jì)60年代，因其結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，擴(kuò)穩(wěn)效果良好，得到了廣泛的研究與應(yīng)用。多年來，機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理及其設(shè)計方法一直是葉輪機(jī)匣領(lǐng)域的研究熱點和難點問題。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)具有周向槽和軸向縫的機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)裝置的機(jī)構(gòu)和原理示意圖。下面結(jié)合圖1，對兩種典型的機(jī)匣處理方式一周向槽(圖1中(a))和縫式機(jī)匣處理(圖1中(b-d))的相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行回顧。對縫式機(jī)匣處理而言，對軸向縫(圖1中(b))、軸向傾斜縫(圖1中(c))、和葉片角向縫(圖1(d))三種型式的機(jī)匣處理研究最多。其結(jié)構(gòu)特點是縫的長度比縫的寬度大得多，開縫面積周向覆蓋率約為2/3，齒厚和葉尖部基元葉片的最大厚度相當(dāng)，齒間距約為齒厚的2倍，其縫深方向與壓氣機(jī)徑向呈一定夾角。諸多文獻(xiàn)較的實驗結(jié)果表明，無論是針對亞音速轉(zhuǎn)子還是跨音速轉(zhuǎn)子，縫式處理機(jī)匣都能夠獲得20％左右的裕度改進(jìn)量，但也伴隨著高至10％左右的效率損失。從Moore公布的帶縫式處理機(jī)匣的轉(zhuǎn)子基元性能看，采用葉片角向短縫在提高擴(kuò)穩(wěn)裕度和減小效率損失兩個方面都表現(xiàn)出了較好的潛力。在均勻來流情況下，失速裕度的增長僅次于軸向斜縫處理機(jī)匣的3％，對壓氣機(jī)效率帶來的負(fù)面影響在各種縫結(jié)構(gòu)中最小，僅次于周向槽處理機(jī)匣。

在此基礎(chǔ)上，研究者們還調(diào)整了它們的結(jié)構(gòu)型式，并對一些關(guān)鍵幾何尺寸和結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了實驗對比和分析。針對軸向傾斜縫式機(jī)匣處理，西北工業(yè)大學(xué)劉志偉等實驗研究了縫沿徑向傾斜程度(如圖1(c)中縫的周向面與葉片徑向方向的夾角θ)的影響，實驗結(jié)果表明，合適的縫沿徑向傾斜角度能改善機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)效果。均勻來流下，不論徑向傾角θ為45或60度，都能改善擴(kuò)穩(wěn)效果3％左右，徑向畸變來流下，徑向傾角為60度的縫式處理機(jī)匣，能獲得更好的擴(kuò)穩(wěn)效果。

由上述實驗結(jié)果看出，縫式處理機(jī)匣雖然能獲得20％左右的失速裕度增量，但也嚴(yán)重惡化了壓氣機(jī)效率。研究者們試圖在這兩個關(guān)鍵的性能指標(biāo)之間尋找平衡。劉志偉等借助亞音速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子實驗評定了傾斜縫式機(jī)匣處理的軸向放置位置。結(jié)果表明，當(dāng)把傾斜縫式機(jī)匣處理前伸轉(zhuǎn)子軸向投影的50％時，仍能保持機(jī)匣處理位于轉(zhuǎn)子正上方時的擴(kuò)穩(wěn)效果，但峰值效率損失卻減小了一半，即由10％下降到5％，失穩(wěn)點效率亦有類似的變化。可見，縫的軸向位置不同會明顯地影響穩(wěn)定裕度和效率，可以根據(jù)對穩(wěn)定性裕度的要求，適當(dāng)變更軸向縫的軸向位置，使效率損失減小。但過分的前伸，以致軸向縫與轉(zhuǎn)子頂部無重疊時，則將出現(xiàn)負(fù)的裕度改進(jìn)量。

目前的周向槽處理機(jī)匣方案是在機(jī)匣內(nèi)壁沿整個弦長方向布置一系列周向連續(xù)槽，實現(xiàn)5％～15％的擴(kuò)穩(wěn)裕度。周向槽處理機(jī)匣的擴(kuò)穩(wěn)效果雖然不如縫類，但是因其對效率的負(fù)面影響小，在跨音風(fēng)扇/壓氣機(jī)中對效率甚至?xí)碚嫣嵘饔茫蚨l(fā)國內(nèi)外研究者們對周向槽的尺寸設(shè)計與布置進(jìn)行了大量研究。結(jié)果表明，對周向槽擴(kuò)穩(wěn)效果最重要的兩個幾何參數(shù)是槽深和槽位。隨著槽深的增加，周向槽的擴(kuò)穩(wěn)效果會不斷提高直至一個穩(wěn)定值，但與此同時，槽越深對效率的負(fù)面影響越大。因此，需要根據(jù)對壓氣機(jī)穩(wěn)定性和效率的實際需求確定槽深參數(shù)。對于周向槽的位置參數(shù)，目前具有代表性的是劍橋大學(xué)Day等人在兩臺低速壓氣機(jī)開展的周向單槽實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)位于葉片弦長中部附近的周向單槽擴(kuò)穩(wěn)效果最佳，而位于距離葉片前緣20％軸向弦長位置的周向單槽幾乎沒有任何擴(kuò)穩(wěn)效果。中國科學(xué)院工程熱物理研究所在低速軸流壓氣機(jī)上的周向單槽實驗也發(fā)現(xiàn)位于葉片弦長中部的周向單槽能產(chǎn)生最明顯的擴(kuò)穩(wěn)效果。另外，工程熱物理研究所進(jìn)一步對周向多槽進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)布置在葉片弦長中后部的周向多槽與全弦長布滿的周向槽方案擴(kuò)穩(wěn)效果幾乎一致，并且?guī)淼男蕮p失影響最小。這些研究結(jié)果給周向槽的幾何參數(shù)設(shè)計提供了一定的參考準(zhǔn)則。

綜上所述，無論是周向槽還是縫式機(jī)匣處理，槽與縫的位置對壓氣機(jī)性能都起到至關(guān)重要的作用。縫式機(jī)匣處理比周向槽擴(kuò)穩(wěn)裕度大，但也帶來更大的效率損失。目前尚未找到一種機(jī)匣處理能夠綜合縫式機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)裕度大和周向槽機(jī)匣效率損失小的雙重優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題