[發明專利]基于葉尖流場及幾何定制的圓弧斜縫機匣的實現方法

有效

• 申請號: 201410546504.3
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104392018A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 朱銘敏;鄭覃;盧少鵬;羌曉青;滕金芳
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種葉輪機械技術領域的方法，具體是一種基于葉尖流場及幾何定制的圓弧斜縫機匣的實現方法。

背景技術

航空發動機中高壓壓氣機的負荷越高，對其穩定工作裕度條件的要求也越加苛刻，追求更高的級壓比與提高壓氣機穩定工作裕度之間存在著矛盾。如果失速裕度過小，一旦壓縮系統進入這類非穩定流動狀態，將導致十分嚴重的后果。因而穩定工作裕度已成了高性能燃氣輪機研制中必須確保的重要技術指標之一。認識壓縮系統流動失穩的觸發機理，并對其進行控制，從而拓寬壓氣機的穩定工作范圍，推遲氣流失速和喘振的發生，對于提高航空燃氣輪機的性能和可靠性具有十分重要的意義。

在壓氣機設計中提高穩定裕度的方法可分為主動控制和被動控制兩大類。相比主動控制技術，被動控制技術具有結構簡單、在發動機上易于實現的優點，因此被動控制技術得以在壓氣機設計中被廣泛應用。在諸多被動控制技術中，機匣處理技術是一項被較早研究和成功運用的壓氣機擴穩技術。它具有易于在結構上實現、制造成本低、改型方便、可靠性高以及擴穩效果好等優點，已經被廣泛應用于眾多發動機實際型號中。

其中，軸向縫類機匣處理是一種擴穩效果顯著的機匣處理結構，其結構有軸向縫、軸向斜縫等多種幾何形式，如圖1‐圖2所示，在高速及低速壓氣機實驗臺上能夠獲得20％左右的穩定裕度提升量。但與此同時，軸向縫類機匣處理會在拓寬穩定裕度的同時帶來顯著的峰值效率損失，效率損失量可達到5％左右。要在現代先進高壓壓氣機上使用軸向縫類機匣處理，必須克服這一弊端，設計出在幾乎不影響峰值效率的情況下達到擴穩效果的機匣處理結構。

經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN102606529A公開(公告)日2012.07.25，公開了一種用于航空發動機壓氣機的處理機匣結構，由轉子葉片和機匣外殼組成，機匣外殼內側壁上設置有圓弧形縫處理槽，所述圓弧形縫處理槽采用順轉子葉片旋轉方向傾斜的半圓弧型設計，所述圓弧形縫處理槽分為處理槽上游區域、處理槽下游區域，所述處理槽上游區域與處理槽下游區域的開口處具有不同的周向開放度和徑向傾角。圓弧形縫處理槽采用半圓弧型設計，使處理槽內部流動更加順暢，盡量減小處理槽槽道內流動產生的損失。該技術具有即實現了穩定工作裕度提升又不犧牲壓氣機效率、結構簡單實用的優點。但該技術結構型式較為復雜，為機匣處理的實際使用帶來了困難。

發明內容

本發明克服現有軸向縫類機匣處理對高壓壓氣機峰值效率影響嚴重的弊端，提出一種基于葉尖流場及幾何定制的圓弧斜縫機匣的實現方法，根據高壓壓氣機轉子近失速狀態下的葉尖流場結構以及葉尖基元級葉型的幾何特征及對縫式機匣處理進行設計，在幾乎不影響峰值效率的情況下拓寬先進高壓壓氣機的穩定工作范圍。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過對待處理轉子葉片及其流道進行三維建模，通過數值模擬確定葉尖臨界流動區域范圍，進而得到圓弧斜縫機匣的外形參數。

所述的三維建模是指：根據轉子葉片及流道的幾何數據，利用網格劃分軟件生成數值模擬所需的葉片通道網格。

所述的數值模擬是指：通過改變壓氣機背壓的方式找到近失速點，對其近失速點的葉尖流場結構及流動特征進行分析，確定葉尖附近易于導致壓氣機失速的臨界流動區域在軸向方向上的占據范圍，即葉尖臨界流動區域范圍；

所述的外形參數包括：處理縫的位置及形狀參數，具體包括：處理縫的徑向槽深、徑向傾斜角、在軸向方向上的范圍、處理縫圓弧型線弦長的長度、圓弧型線的半徑以及單個處理縫在周向方向上的弧度范圍，其中：

所述的處理縫在軸向方向上的起始位置位于葉尖前緣上游0.1‐0.3b_ax，其終止位置位于葉尖前緣下游0.2‐0.4b_ax，徑向槽深H取0.2‐0.5b_ax；徑向傾斜角α取30°‐60°；處理縫圓弧型線弦長的長度L＝0.3‐0.7b_ax，其中：b_ax為轉子葉尖基元級葉型的軸向弦長。

所述的圓弧型線的半徑r根據圓弧型線的弦切角θ以及圓弧型線弦長長度L確定，即r＝L/(2sinθ)其中：圓弧型線的弦切角取為轉子葉尖基元葉型的安裝角β的余角，即θ＝90°‐β，以使得葉尖壓力面側的高壓流體更為順利地進入處理縫。

所述的圓弧型線的彎曲方向與葉片的彎曲方向相反。

所述的單個處理縫在周向方向上的弧度范圍為360×Φ/N(°)，其中：N為處理縫數目，Φ為開孔率。

所述的處理縫數目N取轉子葉片數的3‐5倍。