CN101105187B - 预旋叶片式机匣处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是预旋叶片式机匣处理方法，该处理方法是在叶轮通道中易发生激波诱发附面层分离的位置进行机匣引气以控制该分离；并将所引走的气流通过叶片式处理机匣引导至叶轮进口前形成径向和周向速度为0.05～0.3倍叶轮主流速度的气流喷出，在进口形成与叶轮旋转方向相同的预旋流。预旋叶片处理机匣是设置在微型离心/斜流压气机进口前至转子叶轮的前半部分所对应的机匣处，主要由吸气带、排气口和闭式叶片通道构成。优点：可有效控制离心/斜流压气机流场、抑制其不稳定工作状态的喘振，并可扩大这类压气机在高转速(高轮缘线速度)下稳定工作范围，使压气机能满足稳定工作要求下达到更高的压比，从而为使用压气机的***提供更高的性能。

Description

预旋叶片式机匣处理方法 

技术领域

本发明涉及的是控制离心/斜流压气机流场、抑制其不稳定工作状态喘振的预旋叶片式机匣处理方法，属于离心式或斜流式压气机技术领域， 

背景技术 

广泛应用于中、小以及微型涡轮发动机的离心/斜流压气机出口与进口总压之比在向着越来越高的方向(大于5)发展，与此相对应，叶轮切线速度的发展趋势是：进口叶尖切线速度提高到350～400m/s，出口切线速度提高到550～650m/s。但是，已有的研究表明离心压气机在高转速下不稳定工作状态喘振会较早出现，从而造成其稳定工作范围显著减小。相对于常规尺寸的离心压气机，微型压气机效率较低，为达到同样高的出口与进口压力之比需要更高的切线速度，这会加重高速稳定工作范围小的问题；另外，微型压气机因为雷诺数显著减小(比常规发动机小1个数量级以上)，附面层更容易发生分离，使得高速稳定工作范围小的问题更加严重。因此，为了发展更高性能的微型涡轮发动机，必须研究扩展微型压气机高转速稳定工作范围的技术。 

因为让微型压气机运转到更高转速的目的就是获得更高的压比，以使微型涡轮发动机能得到更大的推力和更高的推力与发动机重量之比。所 以，微型压气机在高转速下扩展稳定工作范围应保持较高的压比才有意义，也就是说扩稳应该努力扩展喘振边界而非堵塞边界。 

新一代微型压气机为实现压比超过5，高转速下转子叶轮的进口叶尖切线速度将达350～400m/s，此时其叶轮进口叶尖区(甚至更大区域)的相对流动必然是超音速，且相对Ma数会超过1.4，叶轮通道内会产生较强的激波。在这种情况下，如不采取措施，转子叶轮中可能发生以下两种流动结构从而引发喘振：(1)在转速非常高，激波前Ma数大于1.4时，激波与叶背侧附面层发生强烈干扰(见图1)，引起干扰区气流分离，将会导致喘振。(2)在转速不是非常高，激波前Ma数不是很大的情况下，一般叶轮进口段没有气流大分离，不发生喘振。在流道下游反压增加时，激波会向前移动形成脱体激波(见图2)，波后气流发生向叶背侧相邻通道的溢流，进气方向与叶片之间的夹角(攻角)增大。这就容易使压气机叶片前缘发生叶背侧分离，从而引发喘振。 

发明内容

本发明目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，提出一种预旋叶片机匣的处理方法，它们可有效控制离心/斜流压气机流场、抑制其不稳定工作状态的喘振。 

本发明的技术解决方案：该方法是在叶轮通道中易发生激波诱发附面层分离的位置进行预旋叶片处理机匣引气以控制该分离；并将所引走的气流通过叶片式处理机匣引导至叶轮进口前形成径向和周向速度为0.05-0.3倍叶轮主流速度的气流喷出，在进口形成与叶轮旋转方向相同的预旋流。 

本发明的优点：改善激波与叶背侧附面层发生强烈干扰所引起的干扰区气流分离，有效控制离心/斜流压气机流场、抑制其不稳定工作状态的喘振，并可扩大这类压气机在高转速(高线速度)下稳定工作范围，使压气机能满足稳定工作要求下达到更高的压比，从而为使用压气机的***提供更高的性能。同时，排气口排出气流使叶轮主流形成与叶轮旋转方向相同的预旋流，从而抑制叶轮叶片前缘脱体激波引发喘振。从预旋叶片处理机匣中通过的次流流量随着叶轮转速等工作状态的改变自动进行调节：高速下需要该装置控制效果强时流量增大自动满足需求，低速时次流流量自动降低。本发明同时从两个方面抑制了高速微型离心/斜流压气机的喘振，对扩大高速高压比微型离心/斜流压气机喘振边界有着很好的效果，同时，本发明在压气机宽广的工作范围内都能够发挥很好的效果。总之，本发明可以增加高速高压比的微型离心/斜流压气机的稳定工作范围，使其更具有现实应用意义。 

附图说明

附图1是未采用任何措施时激波/附面层干扰引发分离。 

附图2是未采用任何措施时脱体激波引起的前缘分离。 

附图3是预旋叶片处理机匣通道内流动。 

附图4是吸气带作用下激波/附面层干扰引发分离。 

附图5是排气口作用下脱体激波引起的前缘分离。 

附图6是预旋叶片处理机匣子午面示意图。 

图中的10表示预旋叶片处理机匣吸气带中心位置；11表示预旋叶片 处理机匣排气口中心位置；12表示叶轮进口叶尖直径；13表示叶轮主叶片子午面型线长度；14表示排气口中心与叶轮主叶片前缘的距离；15表示吸气带中心与叶轮主叶片前缘的子午面流向距离。 

具体实施方式

预旋叶片式机匣处理方法是在在叶轮通道中易发生激波诱发附面层分离的位置进行预旋叶片处理机匣引气以控制该分离；并将所引走的气流通过叶片式处理机匣引导至叶轮进口前形成径向和周向速度为0.05～0.3倍叶轮主流速度的气流喷出，在进口形成与叶轮旋转方向相同的预旋流； 

所述的预旋叶片处理机匣的结构由吸气带、处理机匣通道以及排气口三个主要部分组成(如图3、6所示)。其中，吸气带位于叶轮主叶片前缘后某个适当的位置；排气口位于主叶片前缘前某位置，排气方向根据预旋叶片处理机匣所应用之离心/斜流压气机前缘附近流动状况确定；吸气带与排气口由处理机匣的叶片通道相连接，叶片通道除吸气带以及排气口外均封闭，叶片通道的造型以其内气流流动顺畅、流动损失小为原则与吸气带附近叶轮内流动状况、排气口所需气流角配合设计。 

引气带在离心/斜流压气机中对应位置在排气口附近的叶片前缘的下游，由于叶轮的增压作用故引气带处的压力高于排气口。这样在压差的作用下引气带可将叶轮叶背尖部所堆积的低动能流体(激波/附面层干扰等形成)吸出，由通道内的导叶引导至排气口并在叶轮叶片前缘产生正旋流。 

叶背尖部所堆积的低能流体被引气带吸出，降低或消除了这些低能流体在逆压力梯度作用下形成倒流的可能(见图4)，从而预防或推迟了背景 技术中所分析的第一种引发喘振的情况的发生。在排气***出的气流作用下气流进入叶片通道前具有了与旋转叶轮旋转方向相同的周向速度(见图5)，从而达到抑制叶轮前缘分离的效果。 

所述的排气口是预旋叶片处理机匣的前部开口，其中心设置于压气机前距叶轮主叶片进口0.05～0.5倍压气机进口直径的对应机匣处，功能是排出气流使叶轮主流形成与叶轮旋转方向相同的预旋流(即正预旋)。 

所述的闭式叶片通道是预旋叶片处理机匣的内部气流通道，设置于吸气带与排气口之间，其结构是由若干个数量的闭式叶片通道沿周向连续排列而成，功能是引导吸气带吸出的气体至排气口并使气流在其间通过时得到加速以在排气口形成具有足够动能的预旋流。 

预旋叶片处理机匣吸气带中心设置在的叶轮叶片进口后0.1～0.4倍子午流道叶尖型线全长所对应的机匣处，吸出由激波附面层干扰、附面层分离、二次流等引起的堆积于叶背尖部的低能流体(图4)，从而改善背景技术所述不采取处理措施是引发喘振的第一种流动结构(图1)；吸出的气体通过吸气带与排气口之间的闭式叶片通道引导至设置于压气机前的排气口，排气口排出气流使叶轮主流形成与叶轮旋转方向相同的预旋流，从而改善背景技术所述不做处理措施时引发喘振的第二种流动结构(图2)。 

在排气***出的气流作用下气流进入叶片通道前具有了与旋转叶轮旋转方向相同的周向速度(见图5)，从而达到抑制叶轮前缘分离的效果。 

由于在压气机叶轮不同工作状态下吸气带与预旋叶片处理机匣吸气带与排气口的压力差发生相应的改变，所以其引出的气流量随着所装配叶轮的工作状态的改变自动进行调节。 

Claims (5)

1.一种预旋叶片式机匣处理方法，其特征是在叶轮通道中易发生激波诱发附面层分离的位置进行机匣引气以控制该分离；并将所引走的气流通过叶片式处理机匣引导至叶轮进口前形成径向和周向速度为0.05-0.3倍叶轮主流速度的气流喷出，在进口形成与叶轮旋转方向相同的预旋流。

2.根据权利要求1所述的一种预旋叶片处理机匣的处理方法，其特征是叶片式处理机匣设置在微型离心/斜流压气机进口前至转子叶轮的前半部分所对应的机匣处，主要由吸气带、排气口和闭式叶片通道构成。

3.根据权利要求2所述的一种预旋叶片式机匣处理方法，其特征是所述的吸气带是预旋叶片处理机匣的后部开口，其中心设置在叶轮叶片进口后0.1～0.4倍子午流道叶尖型线全长所对应的机匣处。

4.根据权利要求2所述的一种预旋叶片式机匣处理方法，其特征是所述的排气口是预旋叶片处理机匣的前部开口，其中心设置于压气机前距叶轮主叶片进口0.05～0.5倍压气机进口直径的对应机匣处，功能是排出气流使叶轮主流形成与叶轮旋转方向相同的预旋流，即正预旋。

5.根据权利要求2所述的一种预旋叶片式机匣处理方法，其特征是所述的闭式叶片通道是预旋叶片处理机匣的内部气流通道，设置于吸气带与排气口之间，处理机匣结构是由若干个闭式叶片通道沿周向连续排列而成。

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