CN114046535A - 一种可调吹附式扩压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调吹附式扩压器，包含中心轴、内壳体、第一至第二外壳体、以及流动分离模块。内壳体为两端开口的空心圆柱体；第一外壳体、第二外壳体均为两端开口的空心圆台，第一外壳体面积较小一端的直径大于第二外壳体面积较大一端的直径；中心轴、内壳体、第一外壳体、第二外壳体由内至外同轴设置；第一外壳体、第二外壳体和内壳体之间的扩张角均为α。第一外壳体、第二外壳体之间形成窄小进气口，流动分离模块设置在该进气口中，通过调节叶片角度改变流通面积，从而控制从进气口流入扩压器的气体流量。本发明通过在扩压器壁面开吹气口，对近壁流体注入能量，以抑制流动分离，提升扩压器的扩压效率。

Description

一种可调吹附式扩压器

技术领域

本发明涉及扩压器部件的边界层流动控制技术领域，具体涉及一种可调吹附式扩压器，可用于燃气轮机、航空发动机主燃烧室、加力燃烧室等多种装置，尤其适用于航空发动机加力燃烧室。

背景技术

在动力装置中，扩压器是一个非常重要的组件。以航空发动机为例，在航空发动机中，气流以极高速度流出压气机，出口速度可达200m/s，在这样高速度的流动条件下，很难组织燃烧，因此，常常在主燃烧室进口处安装扩压器，降低来流速度，把一部分动压头转化为压力能，然后再进入燃烧室进行燃烧。在加力燃烧室进口处，同样需要安装扩压器，以降低涡轮出口气流速度，对提高发动机推力和降低耗油率起到积极作用。

扩压器的设计要求是达到尽可能大的静压恢复，同时保证尽可能小的总压损失。随着科技的进步，先进航空发动机朝着高压比、高推重比的方向不断发展，为了保证推重比，必须减轻重量，因此，扩压器的设计还需结构轻巧紧凑。而燃烧室进口速度不断升高，未来主燃烧室进口马赫数会从目前的0.2-0.3升高到 0.35，对于加力燃烧室，进口马赫数可达到0.7，在如此之高的进口速度下，若想达到同样的静压恢复，对扩压器的要求就会更高。但如果在更短长度内实现减速扩压，就很容易导致壁面发生流动分离，增加扩压器的总压损失。扩压器的总压损失可占整个燃烧室总压损失的1/3，直接影响着发动机的性能。因此，应当研究如何控制边界层分离，在最短的距离内、最小的流阻损失下实现减速扩压并获得稳定的流动。

通过流动分离控制技术可控制边界层分离。流动分离控制技术通常分为被动控制与主动控制，被动控制如添加涡流发生器、加绊线、开凹槽等，主要通过改变几何结构以改善流动分离，不需要添加额外能量，但无法随着实际工况的变化进行灵活调节。主动控制需要注入额外能量，如边界层抽吸、等离子体激励、合成射流等。目前常用的方法为边界层抽吸，该方法首先由Prandtl提出，认为在壁面处开抽吸缝，抽走低能流体，即可延缓或改善边界层的分离。它能够显著改善流动分离现象，提高扩压效率。

本发明基于主动控制方法，通过在壁面上开吹气口，对壁面附近低能流体补充能量。该方法可促进层流转捩为湍流，从而使流动变得稳定。对于湍流来说。也能够起到延迟分离，甚至消除回流区、促进流线再附着的作用。另外，本发明可通过调整叶片角度改变流通面积，从而根据工况变化对吹气流量进行调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调吹附式扩压器，以解决扩张角过大时，扩压器壁面出现的流动分离现象，从而降低损失，提升扩压器的扩压效率。

本发明采用如下技术方案：

一种可调吹附式扩压器，包含中心轴、内壳体、第一至第二外壳体、以及流动分离模块；

所述内壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一外壳体、第二外壳体均为两端开口的空心圆台，且第一外壳体面积较小一端的直径大于第二外壳体面积较大一端的直径；

所述中心轴、内壳体、第一外壳体、第二外壳体由内至外同轴设置，其中，所述中心轴前端、中端、后端分别周向设有M个前辐条、S个叶片辐条、N个后辐条，M、S、N均为大于等于3的自然数；所述M个前辐条用于将第一外壳体的前端、内壳体的前端和中心轴固连；所述N个后辐条用于将第一外壳体的后端、内壳体的后端和中心轴固连；所述S个叶片辐条均一端和所述中心轴垂直固连，另一端分别穿过内壳体、第一外壳体后位于第一外壳体和第二外壳体之间，且叶片辐条和内壳体、第一外壳体之间均密闭固连；

所述流动分离模块包含S个调节单元和S个拉杆，所述第二外壳体的外壁上周向均匀设有S个和所述叶片辐条一一对应的安装孔，所述S个调节单元和所述S个叶片辐条一一对应，即调节单元、安装孔、叶片辐条一一对应；

所述调节单元包含旋转板、传动杆、第一旋转轴承、第二旋转轴承和叶片，其中，所述旋转板为菱形板，其较长对角线的两端均设有铰接点；第一旋转轴承设置在调节单元对应的安装孔内，外圈和第二外壳体固连；所述第二旋转轴承设置在调节单元对应叶片辐条伸出第一外壳体的一端，内圈和调节单元对应的叶片辐条固连；所述传动杆一端和旋转板的中心垂直固连，另一端穿过第一旋转轴承内圈和所述叶片的一端固连，传动杆和所述第一旋转轴承的内圈固连；所述叶片的另一端和第二旋转轴承的外圈固连，使得旋转板转动时能够带动叶片转动；

所述S个拉杆分别设置在所述S个调节单元之间，拉杆两端分别和其对应调节单元旋转板的一个铰接点铰接；

所述第一外壳体、第二外壳体和内壳体之间的扩张角均为预设的角度阈值α。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明能够破坏附面层，增强湍流度，以抑制扩压器内的附面层分离，降低因为流动分离产生的总压损失，提升扩压效率。

（2）本发明能够缩短扩压器长度、增大扩张角，使扩压器在更短长度上实现稳定流动，进而有效减轻燃烧室重量。

（2）本发明所述流动分离模块是可调的，当工况变化时，能及时实现灵活精准的调节。

附图说明

图1为本发明一种可调吹附式扩压器的结构示意图；

图2为从主流方向看去内壳体与中心轴相配合的结构示意图；

图3为本发明中流动模块和第一内壳体、第二内壳体相配合的结构示意图；

图4为本发明中流动分离模块在开度逐渐变小的的示意图；

图5为本发明在所述流动分离模块不工作时的流场结构示意图；

图6为本发明在所述流动分离模块工作时的流场结构示意图；

图7为本发明在所述流动分离模块不工作时的数值模拟结果示意图；

图8为本发明在所述流动分离模块工作时的数值模拟结果示意图。

图中，1-中心轴，2A-前辐条，2B-后辐条，3-扩压器进口，4-外壳体，5A-第一外壳体，5B-第二外壳体，6-流动分离模块，7-叶片辐条，8-扩压器出口，9-主流，10-次流，11-旋转板，12-拉杆，13-叶片，14-回流区。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

需要指出的是，以下实施例仅仅是对本发明的解释，而不应当认为本发明局限于以下实施例。

应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。

在扩压器中，当扩张角α增大时，在逆压梯度的作用下，气流边界层厚度迅速增加，容易导致壁面发生流动分离，从而减小实际流通面积，削弱减速扩压能力，且增加扩压器的总压损失。因此，应当研究如何控制流动分离，在最短的距离内、最小的流阻损失下实现减速扩压并获得稳定的流动。

如图1所示，本发明公开了本发明公开了一种可调吹附式扩压器，包含中心轴、内壳体、第一至第二外壳体、以及流动分离模块；

所述内壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一外壳体、第二外壳体均为两端开口的空心圆台，且第一外壳体面积较小一端的直径大于第二外壳体面积较大一端的直径；

所述中心轴、内壳体、第一外壳体、第二外壳体由内至外同轴设置，其中，所述中心轴前端、中端、后端分别周向设有M个前辐条、S个叶片辐条、N个后辐条，M、S、N均为大于等于3的自然数；所述M个前辐条用于将第一外壳体的前端、内壳体的前端和中心轴固连；所述N个后辐条用于将第一外壳体的后端、内壳体的后端和中心轴固连；所述S个叶片辐条均一端和所述中心轴垂直固连，另一端分别穿过内壳体、第一外壳体后位于第一外壳体和第二外壳体之间，且叶片辐条和内壳体、第一外壳体之间均密闭固连；

图2为从主流方向看去内壳体与中心轴相配合的结构示意图；

如图3所示，所述流动分离模块包含S个调节单元和S个拉杆，所述第二外壳体的外壁上周向均匀设有S个和所述叶片辐条一一对应的安装孔，所述S个调节单元和所述S个叶片辐条一一对应，即调节单元、安装孔、叶片辐条一一对应；

所述调节单元包含旋转板、传动杆、第一旋转轴承、第二旋转轴承和叶片，其中，所述旋转板为菱形板，其较长对角线的两端均设有铰接点；第一旋转轴承设置在调节单元对应的安装孔内，外圈和第二外壳体固连；所述第二旋转轴承设置在调节单元对应叶片辐条伸出第一外壳体的一端，内圈和调节单元对应的叶片辐条固连；所述传动杆一端和旋转板的中心垂直固连，另一端穿过第一旋转轴承内圈和所述叶片的一端固连，传动杆和所述第一旋转轴承的内圈固连；所述叶片的另一端和第二旋转轴承的外圈固连，使得旋转板转动时能够带动叶片转动；

所述S个拉杆分别设置在所述S个调节单元之间，拉杆两端分别和其对应调节单元旋转板的一个铰接点铰接；

各旋转板之间以拉杆相连，保证转动一个旋转板时，其它旋转板都会随之转动；转动任意旋转板，都会导致各个调节单元的叶片角度发生改变，进一步地，使得第一外壳体、第二外壳体之间的进气口的流通面积发生改变；

所述第一外壳体、第二外壳体和内壳体之间的扩张角均为预设的角度阈值α。

图4为流动分离模块开度逐渐变小的示意图，次流方向垂直于纸面。刚开始开度达到100%，即叶片角度与次流方向平行，流通面积达到最大。然后开度达到50%，此时叶片与次流方向成一定角度。最后开度为0%，叶片角度与次流方向垂直，流动分离模块完全关死。次流流量能够通过改变叶片角度进行调节。

请参照图5所示，主流通过所述扩压器进口进入扩压器，经减速扩压后自所述扩压器出口流出。当所述流动分离模块不工作时，由于扩张角α较大，在逆压梯度的作用下，气体将会在第一外壳体、第二外壳体之间附近发生流动分离，形成一个较大的回流区。

请参照图6所示，主流通过所述扩压器进口进入扩压器，经减速扩压后自所述扩压器出口流出。当所述流动分离模块工作时，次流通过所述流动分离模块进入扩压器，进气角度平行壁面。在通过所述流动分离模块注入高能流体后，扩压器近壁流体能量得到补充，边界层被破坏，湍流度增加，从而起到延迟分离的作用，上述回流区尺寸减小甚至消失，流线重新附着在壁面上。当工况改变时，可通过调整叶片角度改变流通面积，对次流的流量实现灵活调节，在最小代价下实现延缓分离的目的。

图7为流动分离模块不工作时，可调吹附式扩压器在Ma=0.3时的流线图，可见扩压器下壁面产生了一个较大回流区。图8为流动分离模块工作时，可调吹附式扩压器在Ma=0.3时的流线图，流动分离模块安装在y=0.3m处。在对下壁面吹入气流后，扩压器下壁面的涡消失，流线紧贴壁面，流通面积增大，减速扩压能力明显提升。图7和图8的数值模拟结果可证明本发明的有效性。

本发明通过在扩张壁面上开进气口，注入高能流体，以破坏附面层，增强湍流度，抑制扩压器内的附面层分离，降低因为流动分离产生的总压损失，改善扩压器性能。本发明能够缩短扩压器长度、增大扩张角，使扩压器在更短长度上实现稳定流动，进而有效减轻燃烧室重量。本发明所述流动分离模块是可调的，当工况变化时，能及时实现灵活精准的调节。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，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 (1)

1.一种可调吹附式扩压器，其特征在于，包含中心轴、内壳体、第一至第二外壳体、以及流动分离模块；

所述内壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一外壳体、第二外壳体均为两端开口的空心圆台，且第一外壳体面积较小一端的直径大于第二外壳体面积较大一端的直径；

所述中心轴、内壳体、第一外壳体、第二外壳体由内至外同轴设置，其中，所述中心轴前端、中端、后端分别周向设有M个前辐条、S个叶片辐条、N个后辐条，M、S、N均为大于等于3的自然数；所述M个前辐条用于将第一外壳体的前端、内壳体的前端和中心轴固连；所述N个后辐条用于将第一外壳体的后端、内壳体的后端和中心轴固连；所述S个叶片辐条均一端和所述中心轴垂直固连，另一端分别穿过内壳体、第一外壳体后位于第一外壳体和第二外壳体之间，且叶片辐条和内壳体、第一外壳体之间均密闭固连；

所述流动分离模块包含S个调节单元和S个拉杆，所述第二外壳体的外壁上周向均匀设有S个和所述叶片辐条一一对应的安装孔，所述S个调节单元和所述S个叶片辐条一一对应，即调节单元、安装孔、叶片辐条一一对应；

所述调节单元包含旋转板、传动杆、第一旋转轴承、第二旋转轴承和叶片，其中，所述旋转板为菱形板，其较长对角线的两端均设有铰接点；第一旋转轴承设置在调节单元对应的安装孔内，外圈和第二外壳体固连；所述第二旋转轴承设置在调节单元对应叶片辐条伸出第一外壳体的一端，内圈和调节单元对应的叶片辐条固连；所述传动杆一端和旋转板的中心垂直固连，另一端穿过第一旋转轴承内圈和所述叶片的一端固连，传动杆和所述第一旋转轴承的内圈固连；所述叶片的另一端和第二旋转轴承的外圈固连，使得旋转板转动时能够带动叶片转动；

所述S个拉杆分别设置在所述S个调节单元之间，拉杆两端分别和其对应调节单元旋转板的一个铰接点铰接；

所述第一外壳体、第二外壳体和内壳体之间的扩张角均为预设的角度阈值α。

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