一種用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構，屬于葉輪機械領域。該結構主要包括若干個抽吸環5；抽吸環5上周向布有抽吸孔8；所述抽吸環5通過定位臺階6鑲嵌在輪緣機匣2上；輪緣機匣2上周向布有貫通壁面的主抽吸孔4；靠近輪緣機匣2的的低能流體通過抽吸孔8進入抽吸腔7內，再由主抽吸孔4進入外界抽吸設備中，形成完整密封的抽吸路線。輪緣機匣附面層抽吸擴穩裝置吸除了近端壁處的低能流體，抑制了高熵流體沿徑向的發展，減小了其與主流區域的摻混，降低了該處氣流的橫向二次流動，提高了壓氣機的工作效率，改善了端壁區域的流動阻塞狀況，增加了壓氣機的流通能力，擴大壓氣機的穩定工作裕度。
【專利說明】一種用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構
【技術領域】
[0001]本發明屬于葉輪機械領域，適用于航空發動機、艦載燃氣輪機以及地面燃氣輪機等葉輪機械的一種用于降低輪緣機匣處流動損失，提高葉輪機械工作效率，降低能源消耗，擴大穩定工作裕度的附面層抽吸結構。
現有技術
[0002]隨著世界航空動力裝置的迅猛發展，發動機推重比逐年升高，壓氣機軸向尺寸越來越短，級間負荷顯著升高，采用常規的葉型設計方法已經不能滿足氣動要求。同時世界能源危機在逐年加劇，節能減排的呼聲越來越高。作為能源消耗的大戶，航空發動機、艦載燃氣輪機及地面燃氣輪機的效率提升迫不及待。近年來在燃氣輪機的設計過程中弓I入了大量的流動控制技術，這些技術為聞負荷、聞效率的實現提供了可能。
[0003]附面層抽吸技術作為一種主動流動控制技術，早在1904年就已經開始了相關的實驗研究工作。隨著世界航空動力裝置的迅猛發展，附面層抽吸技術作為提高發動機性能的有效技術之一越來越受到重視。由美國麻省理工學院(MIT)主導的高負荷吸附式風扇/壓氣機氣動結構設計逐漸興起，并且獲得了顯著地效果。其主要思路是通過在壓氣機內部發生分離的葉片表面或者葉片通道上下端壁處設置抽吸孔或者抽吸槽，將流動紊亂區域的部分流體抽出，延遲或者消除分離的氣流；流場中伴隨有激波發生時，附面層抽吸能夠改善激波-附面層的相互干擾，減小分離損失，增加葉片載荷，減少葉片數目同時獲得期望的壓比和效率。在文獻 J.L.Kerrebrock, D.P.Reijnan, ff.S.Ziminsky, L.M.Smilg.Aspiratedcompressors [J].ASME Paper.1997，97-GT-525 中，麻省理工學院(MIT)的 Kerrebrock 首次提出了吸氣式壓氣機這一設計概念。之后MIT相繼開展了高負荷吸附式風扇和吸附式壓氣機的研究，先后在兩個孤立轉子以及對轉壓氣機上進行了吸附式實驗研究，結果顯示附面層抽吸可以有效地抑制葉型吸力面的氣流分離現象，大幅提高轉子的壓比和效率，驗證了附面層抽吸技術的可行性。圖1為Merchant設計的吸附式風扇抽吸結構示意圖，為了排除轉子葉尖泄漏流的影響，其轉子葉頂戴冠。圖中B1、B2、B4為其在輪緣機匣上進行端壁附面層及低能流體吸除的抽吸結構示意圖。在文獻Gummer V, Goller M, SwobodaM.Numerical Investigation of End Wall Boundary Layer Removal on Highly LoadedAxial Compressor Blade Rows[J].Journal of Turbomachiner，2008，130:011015-1 ?011015-9中，Rolls-Royce公司利用商業軟件NUMECA針對轉、靜子輪緣機匣處的端壁附面層抽吸進行了數值研究。數值結果顯示，端壁附面層抽吸可以改善近端壁處的流動阻塞狀況，降低流動損失。與國外相比，國內在這方面的研究起步較晚。大部分關于吸附式壓氣機的工作在于數值模擬階段及吸附式葉柵試驗研究階段，有關整級吸附式壓氣機的試驗研究工作相對較少，設計體系有待進一步建立和完善，關于壓氣機輪緣端壁附面層抽吸控制轉子葉尖流動的研究更少。
[0004]本發明屬于一種壓氣機輪緣機匣附面層抽吸結構，不同于傳統的級間放氣裝置。如圖2所示，隨著抽吸環5的改變，端壁附面層抽吸方案變化可調。該結構結合近些年來興起的附面層抽吸技術，既能夠通過抽吸孔(或槽)對輪轂機匣壁面發展起來的低能流體進行移除，也可以利用抽吸孔(或槽)的處理機匣效果產生擴穩作用。通過附面層抽吸，該結構可以吸除低能高熵流體，改善端壁處的流動阻塞狀況，增強轉子葉尖做功能力提高葉輪機械的工作效率，擴大壓氣機的穩定工作范圍。
【發明內容】
[0005]本發明能夠實現輪轂機匣端壁處低能流體的抽吸。通過吸除輪轂機匣處的低能流體團，控制轉子葉尖泄漏流的運行軌跡，改善轉子尖部的流動情況和端壁區域的流動堵塞狀況，增強壓氣機的流通能力，提高壓氣機的工作效率，抑制或延遲喘振現象的發生，提高壓氣機在非設計轉速時的效率、壓比特性以及穩定工作裕度。壓氣機通過輪轂機匣處的引氣能夠面對復雜的來流條件，正常工作在廣闊的飛行包線內。
[0006]本發明的技術方案:參閱圖2-4，一種用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構，主要包括若干個抽吸環5 ;所述抽吸環5為一環狀殼體，其上下兩個端面形成軸向定位面11，其內壁面為內殼曲面9,外壁面為外殼曲面10 ;抽吸環5上周向布有一排或多排抽吸孔8，抽吸孔8為連通內殼曲面9與外殼曲面10的任意形狀的通孔；每排抽吸孔8的數量不少于2個，孔可以均勻分布或非均勻分布；
[0007]所述抽吸環5通過定位臺階6鑲嵌在輪緣機匣2上；所述壓氣機輪緣機匣結構的輪緣機匣2內壁有定位臺階6 ;抽吸環5兩端面的軸向定位面11與兩個相應的定位臺階6止靠并密封配合，使得抽吸環5鑲嵌在輪緣機匣2上；輪緣機匣2上周向布有一排或多排貫通壁面的主抽吸孔4，每排主抽吸孔4的數量不少于2個，孔可以均勻分布或非均勻分布；
[0008]由抽吸環5外壁面、兩個軸向定位面11和輪緣機匣2內壁面之間形成一空腔，即抽吸腔7 ;氣流在輪轂機匣3和輪緣機匣2形成的通道內被葉片I加功，靠近輪緣機匣2的的低能流體通過抽吸環5上的抽吸孔8進入抽吸腔7內，再由輪緣機匣2上的主抽吸孔4進入外界抽吸設備中，形成整個完整密封的抽吸路線。
[0009]本發明的有益效果:輪緣機匣附面層抽吸擴穩裝置吸除了近端壁處的低能流體，抑制了高熵流體沿徑向的發展，減小了其與主流區域的摻混，降低了該處氣流的橫向二次流動，提高了壓氣機的工作效率，改善了端壁區域的流動阻塞狀況，增加了壓氣機的流通能力，擴大壓氣機的穩定工作裕度。圖5為無端壁抽吸時，近喘振點轉子通道部分截面熵增圖；圖6為采用輪緣機匣附面層抽吸擴穩裝置進行端壁低能流體抽吸時，近喘振點轉子通道部分截面熵增圖。圖7為無端壁抽吸時，近喘振點95%截面處的熵值云圖/等值圖；圖8為進行端壁抽吸時，近喘振點95%截面處的熵值云圖/等值圖。由圖5、圖7可知，轉子葉尖存在著高熵區，在下游不斷沿徑向發展，與主流區摻混，高損失區域較大。由圖6、圖8可知，通過端壁附面層抽吸，轉子葉尖的高熵區已消失。在下游，端壁低能流體團向主流區域的擴散能力降低，高損失區域明顯減小。壓氣機在近喘振點的整級效率提高了 0.5個百分點。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0010]圖1是麻省理工學院吸附式風扇抽吸結構示意圖；
[0011]圖2是輪轂機匣附面層抽吸結構示意圖；[0012]圖3是輪緣機匣二維結構圖
[0013]圖4是抽吸環結構示意圖；
[0014]圖5是定位臺階局部放大圖；
[0015]圖6是無端壁抽吸時，近喘振點轉子通道部分截面熵圖；
[0016]圖7是進行端壁抽吸時，近喘振點轉子通道部分截面熵圖；
[0017]圖8是無端壁抽吸時，近喘振點95%截面處的熵值云圖/等值圖；
[0018]圖9是進行端壁抽吸時，近喘振點95%截面處的熵值云圖/等值圖；
[0019]圖中，1、葉片；2、輪緣機匣；3、輪轂機匣；4、主抽吸孔；5、抽吸環；6、定位臺階；7、抽吸腔；8、抽吸孔；9、內殼曲面；10、外殼曲面；11、軸向定位面。B1、B2、B4，輪緣機匣抽吸縫；B3、B5，葉片表面抽吸縫；B6、B7，輪轂機匣抽吸縫。
[0020]具體實施實例
[0021]參閱圖2-4，本實施例中用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構，主要包括三個抽吸環5 ;所述抽吸環5為一環狀殼體，其上下兩個端面形成軸向定位面11，其內壁面為內殼曲面9,外壁面為外殼曲面10 ;抽吸環5上周向均布有兩排抽吸孔8,抽吸孔8為連通內殼曲面9與外殼曲面10的圓形通孔；每排抽吸孔8的數量為28個；
[0022]所述各抽吸環5均通過定位臺階6鑲嵌在輪緣機匣2上；所述壓氣機輪緣機匣結構的輪緣機匣2內壁有定位臺階6 ;抽吸環5兩端面的軸向定位面11與兩個相應的定位臺階6止靠并密封配合，使得抽吸環5鑲嵌在輪緣機匣2上；輪緣機匣2上周向均布有兩排貫通壁面的主抽吸孔4，每排主抽吸孔4的數量為28個；
[0023]各抽吸環5外壁面、兩個軸向定位面11和輪緣機匣2內壁面之間形成一空腔，即抽吸腔7 ;葉輪機械通道內的低能流體通過抽吸環5上的抽吸孔8進入各抽吸腔7內，再由輪緣機匣2上的主抽吸孔4進入外界抽吸設備中，形成整個完整密封的抽吸路線。
【權利要求】
1.一種用于端壁附面層抽吸的壓氣機輪緣機匣結構，主要包括若干個抽吸環5 ;所述抽吸環5為一環狀殼體，其上下兩個端面形成軸向定位面11，其內壁面為內殼曲面9，外壁面為外殼曲面10 ;抽吸環5上周向布有一排或多排抽吸孔8,抽吸孔8為連通內殼曲面9與外殼曲面10的任意形狀的通孔；每排抽吸孔8的數量不少于2個； 所述抽吸環5通過定位臺階6鑲嵌在輪緣機匣2上；所述壓氣機輪緣機匣結構的輪緣機匣2內壁有定位臺階6 ;抽吸環5兩端面的軸向定位面11與兩個相應的定位臺階6止靠并密封配合，使得抽吸環5鑲嵌在輪緣機匣2上；輪緣機匣2上周向布有一排或多排貫通壁面的主抽吸孔4，每排主抽吸孔4的數量不少于2個。
【文檔編號】F04D29/66GK103939395SQ201410103398
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】劉波, 史磊, 那振喆, 楊小東, 曹志遠 申請人:西北工業大學