CN110319060A - 一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法 - Google Patents

一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法 Download PDF

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王恩浩
刘文豪
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Abstract

本发明公开了一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法。在压气机机匣上设置若干条与轴向夹角为负30度、径向倾斜角为45度的缝，并沿周向均匀布设形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理结构；逆角向倾斜缝的轴向范围从叶顶前缘起覆盖50％叶顶弦长；缝的开口面为矩形，缝的前端点连线与叶尖前缘点连线对齐，即缝的叠合量为100％。逆角向倾斜缝机匣处理形成的喷射流在径向范围内的影响较大，降低了叶顶区域的轮缘功载荷，提升气流在叶顶区域的流通能力，扩稳效果好。前置的逆角向倾斜缝内的回流区中心与主流距离较远，缝内流动与主流干涉小；逆角向倾斜缝能获得较大的稳定裕度改进量，同时前置的逆角向倾斜缝的峰值效率损失减小。

Description

一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，具体地说，涉及一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法。
背景技术
随着现代航空发动机的性能逐渐提升，压气机的级负荷越来越高，使得压气机的稳定性降低，极易进入失速或喘振等不稳定工况，因此如何拓宽压气机的稳定工作范围是航空发动机中亟待解决的问题。当压气机失速发生在转子叶顶区域时，机匣处理往往可扩大压气机的稳定工作范围。机匣处理具有结构简单，易于实施，有较强的扩稳能力和抗进口畸变能力的特点，使其在工程上得到了广泛的应用。机匣处理的结构形式主要有三种类型:槽式、缝式和自循环式。缝式机匣处理由于结构简单扩稳效果明显而得到最广泛的应用。国内外学者主要针对轴向缝、角向缝、逆角向缝和折线缝开展了大量研究。逆角向倾斜缝在众多缝式机匣处理中具有扩稳能力强的优势，但是之前针对缝式机匣处理的研究主要集中在轴向倾斜缝、角向缝和折线缝，针对逆角向倾斜缝的研究较少；尤其是在跨音速轴流压气机上的研究几近没有。因此本发明在NASA Rotor 35上进行非定常数值模拟，提出一种能拓宽跨音速轴流压气机转子同时对效率影响较小的前置的逆角向倾斜缝机匣处理结构。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法；该方法使逆角向倾斜缝机匣处理的开口面方向与叶片的安装角方向相反，同时缝体沿径向倾斜一定角度，形成逆角向倾斜缝，在此基础上，将逆角向倾斜缝轴向前移，形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理；逆角向倾斜缝能获得较大的稳定裕度改进量，同时前置的逆角向倾斜缝的峰值效率损失减小。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一、在压气机机匣上设置若干条与轴向夹角为负30度、径向倾斜角为正45度的缝，并沿周向均匀布设形成逆角向倾斜缝机匣处理结构，逆角向倾斜缝机匣处理结构的轴向长度覆盖50％叶顶轴向弦长；
步骤二、将逆角向倾斜缝机匣处理结构的开口面沿轴向向上游平移18mm使之形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理结构；定义逆角向倾斜缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的相反方向偏转角度为负，缝体在径向上沿转子旋转方向倾斜角度为正；叠合量的定义为缝的后端点与叶顶前缘的轴向距离与缝的轴向覆盖长度之比；缝的开口面为矩形，缝的前端点连线与叶尖前缘点连线对齐，即缝的叠合量为100％。
前置的逆角向倾斜缝缝的前端点位于距离叶顶前缘上游70％缝轴向长度处、后端点位于前缘后30％缝轴向长度处，即缝的叠合量为30％。
缝的缝宽与缝片宽为3/2；缝的深度为20％的叶顶弦长。
有益效果
本发明提出的一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法；该方法使逆角向倾斜缝机匣处理的开口面方向与叶片的安装角方向相反，同时缝体沿径向倾斜一定角度，形成逆角向倾斜缝，在此基础上，将逆角向倾斜缝轴向前移，形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理；逆角向倾斜缝能获得较大的稳定裕度改进量，同时前置的逆角向倾斜缝的峰值效率损失减小。
逆角向倾斜缝的扩稳机理是缝在机匣上的开口截面感受通道内的静压差，在叶片顶端扫过缝时形成非定常的喷射流和抽吸流，喷射流对叶顶间隙泄漏流进行激励，抽吸流对通道内的低速区进行抽吸实现扩稳。逆角向倾斜缝形成的喷射效应在径向范围内的影响较大，通过改变叶展方向轮缘功的分布对叶顶高负荷区域进行降载，大幅度提升叶顶区域的流通能力，扩稳效果较好。前置的逆角向倾斜缝内的回流区中心距离主流较远，因此缝内流动与主流干涉较小，熵增小，会带来更小的效率损失。
本发明跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，在跨音速压气机转子NASA Rotor 35上开展逆角向倾斜缝和前置的逆角向缝两种缝机匣处理的研究，研究结果表明:前置的逆角向倾斜缝机匣处理的峰值效率损失系数比逆角向倾斜缝的小0.63％，因此逆角向倾斜缝的前置能够降低效率损失。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法作详细说明。
图1(a)为本发明逆角向倾斜缝机匣处理处理三维视图。
图1(b)为本发明逆角向倾斜缝机匣处理开口面在机匣上的轮廓视图。
图2(a)为前置的逆角向倾斜缝机匣处理示意图。
图2(b)为机匣处理开口面在机匣上的轮廓视图。
图中
1.轴向 2.周向 3.缝的前端点 4.缝的后端点 5.开口面 6.叶顶 7.叶片尾缘8.叶片前缘 9.叶片 10.前置的逆角向倾斜缝 11.逆角向倾斜缝
具体实施方式
本实施例是一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法。
参阅图1(a)～图2(b)；本实施例跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，应用在跨音速轴流压气机转子NASA Rotor 35上，该转子的相关参数如表1和表2所示:
表1 NASA Rotor 35设计参数
表2 NASA Rotor 35叶顶截面几何参数
首先，在压气机机匣上设置若干条与轴向夹角为负30°、径向倾斜角为45°的缝，并沿周向均匀布设形成逆角向倾斜缝机匣处理结构，逆角向倾斜缝机匣处理结构的轴向长度覆盖1/2叶顶轴向弦长；并定义逆角向倾斜缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的相反方向偏转角度为负，缝体在径向上沿转子旋转方向倾斜角度为正；叠合量的定义为缝的后端点与叶顶前缘的轴向距离与缝的轴向覆盖长度之比；缝的开口面为矩形，缝的前端点连线与叶尖前缘点连线对齐，即缝的叠合量为100％。
然后，将逆角向倾斜缝机匣处理结构的开口面沿轴向向上游平移70％叶顶轴向弦长，使其形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理结构，即缝的叠合量为30％。
缝的缝宽与缝片宽为3/2，即开缝面积比为60％。
缝的缝深为20％的叶顶弦长。
缝的单通道缝数为6，全通道缝数为216。
上述逆角向倾斜缝、前置的逆角向倾斜缝的主要几何结构参数如表3所示。
表3两种机匣处理主要几何结构参数
实施过程
1)使用NUMECA FINE/Turbo软件包的Igg/Autogrid模块生成压气机转子和机匣处理的数值计算网格；
2)利用NUMECA FINE/Turbo软件包的Euranus求解器对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，具体配置为，压气机转子的转速为17188.8r/min，空间离散采用Jameson有限体积二阶迎风格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对全三维雷诺时均方程在相对坐标系下进行求解，对于时间离散，定常计算时选择显式四阶Runge-Kuutta时间推进方法，同时加入二阶和四阶人工粘性项来消除数值计算中的伪数值计算振荡，并采用多重网格法、当地时间步长和隐式残差光顺等方法来加快收敛速度；非定常计算时利用隐式双时间步方法，物理时间步设置为720，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为为20；
3)获取数值计算结果并进行数据处理，获得逆角向倾斜缝和前置的逆角向倾斜缝机匣处理的稳定裕度改进量和峰值效率损失系数。
本实施例在跨音速压气机转子NASA Rotor 35上开展逆角向倾斜缝和前置的逆角向缝两种缝机匣处理的研究，结果表明:逆角向倾斜缝式机匣处理实现了18.95％的稳定裕度改进量，同时伴有1.77％的峰值效率损失，前置的逆角向倾斜缝机匣处理的稳定裕度改进量为6.35％，同时峰值效率损失为1.14％。即逆角向倾斜缝机匣处理的适当前置能降低峰值效率损失。流场分析显示:逆角向倾斜缝机匣处理形成的非定常喷射流在径向的影响较大，显著地降低了叶顶区域的轮缘功载荷从而增加了气流在叶顶的流通能力，扩稳能力更强。

Claims (3)

1.一种跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一、在压气机机匣上设置若干条与轴向夹角为负30度、径向倾斜角为正45度的缝，并沿周向均匀布设形成逆角向倾斜缝机匣处理结构，逆角向倾斜缝机匣处理结构的轴向长度覆盖50％叶顶轴向弦长；
步骤二、将逆角向倾斜缝机匣处理结构的开口面沿轴向向上游平移18mm使之形成前置的逆角向倾斜缝机匣处理结构；定义逆角向倾斜缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的相反方向偏转角度为负，缝体在径向上沿转子旋转方向倾斜角度为正；叠合量的定义为缝的后端点与叶顶前缘的轴向距离与缝的轴向覆盖长度之比；缝的开口面为矩形，缝的前端点连线与叶尖前缘点连线对齐，即缝的叠合量为100％。
2.根据权利要求1所述的跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，其特征在于:前置的逆角向倾斜缝缝的前端点位于距离叶顶前缘上游70％缝轴向长度处、后端点位于前缘后30％缝轴向长度处，即缝的叠合量为30％。
3.根据权利要求要求1所述的跨音速轴流压气机前置的逆角向倾斜缝机匣处理方法，其特征在于:缝的缝宽与缝片宽为3/2；缝的深度为20％的叶顶弦长。
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