CN103967843A - 压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，该装置包括：一叶顶机匣；在该叶顶机匣的内壁动叶顶端开的多个具有一定宽深比的周向槽；在动叶前缘和动叶顶端的机匣壁面上分别开的多个通孔，在动叶顶端机匣壁面上所开的通孔与该周向槽密封固接；在该周向槽的槽底开的多个孔；连接动叶前缘和动叶顶端多个通孔而形成的自循环机构；以及连接于该自循环机构并在动叶前缘进行喷气的喷嘴，在该动叶前缘的机匣壁面所开的通孔与该喷嘴密封固接。利用本发明，能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到改善失速裕度的目的，使轴流风扇/压气机能够在高压比，宽失速裕度的工况下运行。

Description

压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法。

背景技术

压气机作为一种广泛应用的流体机械，如何提高其工作稳定性一直是研究热点和难点。国际上对提高稳定性裕度的扩稳措施进行了各种探索，主要包括可调叶片，机匣处理(周向槽和轴向缝)，叶顶喷气，大小叶片等。叶顶喷气和机匣处理作为有效的扩稳措施在国际上受到了广泛的关注，并对其扩稳机理开展了相关的数值和实验研究。

叶顶喷气方法早在上世纪七十年代初就为人们所尝试。当时，Emmons提出的叶片吸力面流动分离会导致失速的观点得到国际上大多数学者的认可，在此基础上一些学者也提出了要想推迟失速，首先要抑制叶片表面流动分离。因此，诸多抑制分离流的方法应运而生，而叶顶喷气就是其中之一，研究者们认为喷气可以带走因分离造成的堵塞团，从而减小分离。Koch与Smith在一台跨音压气机上进行了“喷-吸”气扩稳的尝试，取得了很好的效果。上世纪八十到九十年代中期，人们对压气机流动失稳的机理认识进展很快，从M-G模型的建立到两类失速先兆的发现极大地鼓舞了诸多科研工作者去寻求更为先进有效的扩稳方法。

剑桥大学的Day认为叶顶喷气能够抑制失速先兆的起始，并在多级轴流压气机实验台上采用主动喷气的方法成功地推迟了旋转失速和喘振的发生，而且所用喷气量小于压气机设计流量的1％，但却使压气机的失稳裕度增加4％。MIT的Weigl等人则认为喷气能够产生反馈控制波来抑制扰动的发展，并在主动喷气的基础上研究了喷嘴结构对跨音轴流压气机稳定性的影响，所采用喷气量为压气机设计流量的5.8％，在70％转速和100％转速条件下采用叶顶喷气时，使压气机的稳定工作范围分别拓宽了11％和3.5％，同时使压气机设计流量提高了3.6％。随后，Spakovszky等人同样采用主动喷气控制方法在跨音轴流压气机上进行了实验研究，实验中通过高频响动态传感器检测到长尺度扰动作为反馈信号，控制策略分别采用定常和非定常喷气手段。

基于主动控制理念的主动喷气，其实现机构也十分复杂，因此在实际应用时也受到了很大限制。因此，随着对主动控制理念优势与不足的反思，主动喷气又开始向早期的被动喷气回归。NASA的Suder等人在2000年所获得的稳态离散喷气的结果，其研究结果显示：当压气机转速为70％设计转速时，1％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移近30％；当压气机以100％转速运行时，1.3％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移3.5％。2006年希腊学者Kefalakis等人研究了稳态喷气和脉动(非定常)喷气对提高轴流压气机喘振裕度的影响。由早期Day首次利用喷气尝试对压缩***流场进行干扰开始，喷气技术已经被各个研究机构所重视。但Day的研究仅仅局限在对失稳产生的阻止作用上，并没有阐述如何实现以较小流量的喷气手段能够对相对而言大流量流场产生干预的。

近几年，中国科学院工程热物理研究所在叶顶微喷气技术的研究工作也取得一些有价值的实验结果和理论方面的认识。聂超群等人对压气机近失速状态进行了实验研究，运用了动态测量技术和非定常流动的分析方法，并在此基础上改善了喷嘴构造，在低速三级轴流压气机上进行实验并结合后续数值计算处理，从实验及数值模拟两个角度分析结论如下：微喷气的主要影响区域在叶尖顶部区域，并且影响区域越贴近机匣内壁，扩稳效果越好；叶顶微喷气实际上起主导作用的是喷气出口动量，而不是喷气的质量流量；对壁面动态信号的处理结果表明：喷气会对顶部非定常流场特征产生影响；随着扩稳效果增加，喷气所造成的影响也变得更为明显。

2006年童志庭将微喷气控制技术及旋转失速失稳机理的研究相结合，并先后在亚音和高亚音单转子轴流压气机进行实验研究，实验结果表明：采取微喷量喷气(小于主流流量的0.1％)可以对压气机的稳定特性产生影响，具备将压气机稳定运行区域拓宽一定范围的能力。随后，对壁面动态压力信号进行了分析，并成功将小波分析手段引入到非定常流场分析中，论证了内部流动具有明显的非定常机制。耿少娟通过数值模拟对非定常机制所对应的物理现象进行研究，发现微喷气具有实际拓稳效果，同本所前期小波分析结果相联系可见叶顶微喷气能够抑制流场内部与流动失稳先兆相关的小扰动的奇异点的数目，并能够使叶顶间隙泄漏涡向叶片中部移动，很大作用上阻止了叶顶泄漏涡由叶尖溢出并横穿整个叶片通道形成失速的可能。总之，叶顶喷气扩稳控制技术在国际上一直是研究的热点，通过优化喷嘴几何结构，喷气位置，喷气偏航角等已经证实了叶顶喷气能够很大程度上拓宽压气机的稳定工作范围。

而机匣处理作为另外一种有效的被动扩稳措施，出现于上世纪60年代，因其结构简单，易于改装，扩稳效果良好，得到了广泛的研究与应用。NASA的Hathaway总结了一系列典型的机匣处理方式，并指出了周向槽和轴向缝是两类典型的机匣处理方式。周向槽的扩稳效果虽然不如缝类，但是因其对效率的影响小，这使得研究者们对周向槽的尺寸设计与布置进行了大量研究。多数研究认为周向槽内流体的流入和流出会影响叶顶泄漏流并延缓其溢出，如西北工业大学的研究团队认为槽内流动改变了叶顶泄漏流的轨迹，使其更贴近于叶片吸力面。Wilke等人则认为周向槽能够延缓叶顶间隙泄漏涡的破碎从而达到扩稳的目的。德国学者Muller等人对此有类似看法，同时认为周向槽还可以减弱堵塞。

这些研究多建立在多槽基础之上，并认为靠近动叶前缘的槽扩稳效果好。剑桥大学的Ivor Day等人对周向单槽的研究发现50％轴向弦长位置扩稳效果仍存在一个峰值。中国科学院工程热物理研究所在低速轴流压气机上的周向单槽实验也发现40％-70％轴向弦长位置单槽也有较好扩稳效果。这些均表明叶片中后部槽仍有较好扩稳效果，这也给周向槽的实际应用提供了一定的设计准则。

由于叶片中后部的槽对叶片前端泄漏流的影响比较小，主要影响后端的泄漏涡，而目前国际上公认两种主要失速途径之一：泄漏流与主流交界面前缘溢出会诱发突尖型失速先兆，进而导致失速。这样，在靠近失速点时，周向槽虽然能够在一定程度上减弱后端泄漏流向前推进，但是无法阻止前端泄漏流轨迹的变化，这样也就限制了其扩稳能力。而根据前面分析，叶顶喷气能够作用于叶片前缘的泄漏流轨迹以及抑制泄漏涡的强度实现扩稳。

因此，如果能够有效的结合叶顶喷气和周向槽的作用，就能够实现双重扩稳的目的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的是为了公开一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法，以实现同时利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，最大限度的拓宽压气机流动失稳裕度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，该装置包括：一叶顶机匣；在该叶顶机匣的内壁动叶顶端开的多个具有一定宽深比的周向槽；在动叶前缘和动叶顶端的机匣壁面上分别开的多个通孔，在动叶顶端机匣壁面上所开的通孔与该周向槽密封固接；在该周向槽的槽底开的多个孔；连接动叶前缘和动叶顶端多个通孔而形成的自循环机构；以及连接于该自循环机构并在动叶前缘进行喷气的喷嘴，在该动叶前缘的机匣壁面所开的通孔与该喷嘴密封固接。

为达到上述目的，本发明还提供了一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，该方法是在前后静压差的推动下，将动叶顶端周向槽槽底的气体经过自循环机构引出，并在动叶前缘机匣内壁经喷嘴进行喷射，实现提高稳定性裕度的目的。

(三)有益效果

本发明的周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，优点在于：

1、将叶顶喷气与周向槽两种扩稳方式相结合，喷嘴能够刚好利用周向槽底引出的气体，在动叶前缘机匣内壁进行喷射，充分利用叶顶喷气和周向槽的双重扩稳效果，达到扩稳目的。

2、周向槽扩稳的同时，在槽底会形成大量的涡，势必会对压气机效率有所影响，而采用自循环机构能够将槽底的气体引出，减小对效率的影响。

3、自循环机构采用圆管与喷嘴和槽进行无缝连接，尽可能保证管道损失最小。

附图说明

图1为不采用自循环喷气机构时周向槽内的流动示意图；

图2为本发明提供的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置的结构示意图；

图3为周向多槽自循环喷气的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法，采用自循环方式，将压气机机匣壁面周向槽槽底的气体引回到动叶前缘进行喷气。这种装置及方法能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到改善失速裕度的目的，使轴流压气机能够在高压比，宽失速裕度的工况下运行。

如图1至图3所示，本发明提供的这种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，包括：一叶顶机匣；在该叶顶机匣的内壁动叶顶端开的多个具有一定宽深比的周向槽；在动叶前缘和动叶顶端的机匣壁面上分别开的多个通孔，在动叶顶端机匣壁面上所开的通孔与该周向槽密封固接；在该周向槽的槽底开的多个孔；连接动叶前缘和动叶顶端多个通孔而形成的自循环机构；以及连接于该自循环机构并在动叶前缘进行喷气的喷嘴，在该动叶前缘的机匣壁面所开的通孔与该喷嘴密封固接。

其中，所述自循环机构由一段圆管构成，圆管与喷嘴和周向槽固接的连接部分，保证圆管内壁和连接部分的内壁尽可能光滑过渡和无缝连接，以保证气流在圆管内流动时，密封性性能好，以及损失小。所述自循环机构在压气机运行过程中将槽底的气体引回到动叶前缘机匣内壁进行喷射，在压气机变工况运行时，动叶顶端的压力会随节流阀的关闭而逐渐升高，而使得喷气量逐渐变大，进而能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到双重扩稳的目的。

所述周向槽用于将叶片压力面的高压气流吸入到周向槽内，然后在叶片吸力面进行喷射，将叶顶间隙泄漏涡向通道里推移，抑制叶顶泄漏涡的强度，进一步推迟泄漏流与主流交界面的前移，实现推迟失速的发生。所述周向槽用于将叶片顶部压力面的气体吸入，然后在叶片顶部吸力面进行喷射；由于吸-喷气流只涵盖了周向槽的部分深度，在槽底会形成大量的涡，这样就会造成槽底的熵增比较大，整个压气机的效率就会下降，而自循环机构能够将槽底的涡系结构引出，在压差的推动下，在动叶前缘机匣内壁喷嘴处以动量的形成进行喷射。

对于周向槽，由于对于不同的轴流风扇/压气机，最优槽的结构和轴向位置有所不同。经过对不同压气机转子进行实验和数值研究，槽的深宽比为1-2时，其在达到一定扩稳效果的同时对压气机效率的负面影响小；并且当周向槽的中心位于距离叶片前缘40％-70％轴向弦长位置时，周向槽的扩稳效果最好。以此为依据，选择槽的结构和位置。。

喷嘴使得喷射出的气流在和主流相互作用之后能够尽可能地沿着机匣壁面流动，这样喷射气体能够作用于叶顶间隙流，起到抑制泄漏涡强度，增加主流的轴向动量，将泄漏流与主流的交界面向通道尾缘推移，实现推迟失速的发生。

对于喷嘴而言，前期根据对叶顶喷气大量的实验研究和数值研究，对喷嘴的结构也进行了相应的优化，并认为径向喷气角度尽可能小(15°)时，喷射出口气流基本贴着机匣壁面流动，而且考虑到喷嘴加工的方便，选取的喷嘴径向喷气角度为15°。另外，喷气偏航角为负角度(与压气机转子旋转方向相反)，喷嘴出口距动叶叶尖为2mm时，对叶顶间隙泄漏流的抑制效果最佳。

基于图1至图3所示的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，本发明还提供了一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，该方法是在前后静压差的推动下，将动叶顶端周向槽槽底的气体经过自循环机构引出，并在动叶前缘机匣内壁经喷嘴进行喷射，实现提高稳定性裕度的目的。

其中，所述自循环机构在压气机运行过程中将槽底的气体引回到动叶顶端进行喷射；在压气机变工况运行时，动叶前缘机匣内壁的压力会随节流阀的关闭而逐渐升高，而使得喷气量逐渐变大，进而能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到双重扩稳的目的。

所述周向槽将叶片压力面的高压气流吸入到周向槽内，然后在叶片吸力面进行喷射，将叶顶间隙泄漏涡向通道里推进，抑制叶顶泄漏涡的强度，进一步推迟泄漏流与主流交界面的前移，实现推迟失速的发生。所述周向槽将叶片顶部压力面的气体吸入，然后在叶片顶部吸力面进行喷射；由于吸-喷气流只涵盖了周向槽的部分深度，在槽底会形成大量的涡，这样就会造成槽底的熵增比较大，整个压气机的效率就会下降，而自循环机构能够将槽底的涡系结构引出，在压差的推动下，在动叶前缘机匣内壁喷嘴处以动量的形成进行喷射。

所述喷嘴使得喷射出的气流在和主流相互作用之后能够尽可能地沿着机匣壁面流动，这样喷射气体能够作用于叶顶间隙流，起到抑制泄漏涡强度，增加主流的轴向动量，将泄漏流与主流的交界面向通道尾缘推移，实现推迟失速的发生。

在设计自循环机构时，既要能保证周向槽的作用，又要能将槽内多余的气流涡系结构引出；另外，由于气流能够引回到动叶前缘完全是依靠叶顶区域周向槽位置和动叶进口不同轴向位置静压差的推动作用。因此，在设计自循环机构时，要尽可能地减小沿程阻力损失。

在设计周向槽时，首先对周向单槽进行实验研究和数值计算，研究结果表明当槽在距离动叶前缘40％-70％轴向弦长的位置时，其扩稳效果相对比较好。因此在加工周向单槽时，先加工光壁机匣，然后在机匣内壁距动叶叶尖前缘40％-70％轴向弦长的位置加工深宽比为1-2的周向槽，如图1所示，在进行数值计算研究时，发现槽起到吸-喷的作用：将压力面的高压气体吸入到槽内，然后在吸力面进行喷射。而对扩稳有效的吸-喷的气流只占据了槽深的一部分，在槽底会形成大量的涡系结构，复杂的涡系结构使得槽底的熵增剧烈，严重影响压气机效率。

而如果将槽底产生涡的气流引出，这样就会减小槽底的熵增，有助于效率的提升。从图2也可以看出，当在槽底开孔，采用连接机构与自循环机构进行无缝连接之后，将槽底的气体引回到动叶前缘的喷嘴处，经由喷嘴进行喷射。从图中的示意图可以看出，喷嘴喷射出的气流主要影响叶尖前缘的流场，而周向槽主要影响后端的流场。这样就能够充分利用周向槽的吸-喷作用和叶顶喷气喷射作用，实现轴流风扇/压气机的双重扩稳目的。

实际应用中，在进行多槽设计时，考虑到多槽的组合优化，因此首先通过实验和数值计算对多槽组合的扩稳能力进行优化。然后在多槽的槽底开孔，同样采用自循环机构引回到动叶叶尖前缘进行喷射。如图3所示，这样就能充分利用周向多槽和叶顶喷气的综合扩稳能力，最大程度实现扩稳目的。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，该装置包括：

一叶顶机匣；

在该叶顶机匣的内壁动叶顶端开的多个具有一定宽深比的周向槽；

在动叶前缘和动叶顶端的机匣壁面上分别开的多个通孔，在动叶顶端机匣壁面上所开的通孔与该周向槽密封固接；

在该周向槽的槽底开的多个孔；

连接动叶前缘和动叶顶端多个通孔而形成的自循环机构；以及

连接于该自循环机构并在动叶前缘进行喷气的喷嘴，在该动叶前缘的机匣壁面所开的通孔与该喷嘴密封固接。

2.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述自循环机构由一段圆管构成，圆管与喷嘴和周向槽固接的连接部分，保证圆管内壁和连接部分的内壁尽可能光滑过渡和无缝连接，以保证气流在圆管内流动时，密封性性能好，以及损失小。

3.根据权利要求2所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述自循环机构在压气机运行过程中将槽底的气体引回到动叶前缘机匣内壁进行喷射，在压气机变工况运行时，动叶顶端的压力会随节流阀的关闭而逐渐升高，而使得喷气量逐渐变大，进而能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到双重扩稳的目的。

4.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述周向槽用于将叶片压力面的高压气流吸入到周向槽内，然后在叶片吸力面进行喷射，将叶顶间隙泄漏涡向通道里推移，抑制叶顶泄漏涡的强度，进一步推迟泄漏流与主流交界面的前移，实现推迟失速的发生。

5.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述周向槽用于将叶片顶部压力面的气体吸入，然后在叶片顶部吸力面进行喷射；由于吸-喷气流只涵盖了周向槽的部分深度，在槽底会形成大量的涡，这样就会造成槽底的熵增比较大，整个压气机的效率就会下降，而自循环机构能够将槽底的涡系结构引出，在压差的推动下，在动叶前缘机匣内壁喷嘴处以动量的形成进行喷射。

6.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述周向槽的深宽比为1-2。

7.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述周向槽的中心位于距离叶片前缘40％-70％轴向弦长位置。

8.根据权利要求1所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述喷嘴使得喷射出的气流在和主流相互作用之后能够尽可能地沿着机匣壁面流动，这样喷射气体能够作用于叶顶间隙流，起到抑制泄漏涡强度，增加主流的轴向动量，将泄漏流与主流的交界面向通道尾缘推移，实现推迟失速的发生。

9.根据权利要求8所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述喷嘴径向喷气角度为15°。

10.根据权利要求8所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置，其特征在于，所述喷嘴喷气偏航角为负角度，与压气机转子旋转方向相反，喷嘴出口距动叶叶尖为2mm。

11.一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，该方法基于权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，该方法是在前后静压差的推动下，将动叶顶端周向槽槽底的气体经过自循环机构引出，并在动叶前缘机匣内壁经喷嘴进行喷射，实现提高稳定性裕度的目的。

12.根据权利要求11所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，其特征在于，所述自循环机构在压气机运行过程中将槽底的气体引回到动叶前缘机匣内壁进行喷射；在压气机变工况运行时，动叶顶端的压力会随节流阀的关闭而逐渐升高，而使得喷气量逐渐变大，进而能够充分利用周向槽和叶顶喷气的扩稳能力，达到双重扩稳的目的。

13.根据权利要求11所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，其特征在于，所述周向槽将叶片压力面的高压气流吸入到周向槽内，然后在叶片吸力面进行喷射，将叶顶间隙泄漏涡向通道里推进，抑制叶顶泄漏涡的强度，进一步推迟泄漏流与主流交界面的前移，实现推迟失速的发生。

14.根据权利要求11所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，其特征在于，所述周向槽将叶片顶部压力面的气体吸入，然后在叶片顶部吸力面进行喷射；由于吸-喷气流只涵盖了周向槽的部分深度，在槽底会形成大量的涡，这样就会造成槽底的熵增比较大，整个压气机的效率就会下降，而自循环机构能够将槽底的涡系结构引出，在压差的推动下，在动叶前缘机匣内壁喷嘴处以动量的形成进行喷射。

15.根据权利要求11所述的压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳方法，其特征在于，所述喷嘴使得喷射出的气流在和主流相互作用之后能够尽可能地沿着机匣壁面流动，这样喷射气体能够作用于叶顶间隙流，起到抑制泄漏涡强度，增加主流的轴向动量，将泄漏流与主流的交界面向通道尾缘推移，实现推迟失速的发生。