一種壓氣機連通式收縮縫機匣處理方法及裝置與流程
本發明涉及一種壓氣機機匣處理流動控制方法及裝置，尤其涉及一種連通式收縮縫機匣處理流動控制方法及裝置，可用于提高壓氣機的穩定工作范圍，屬于葉輪機械領域。
背景技術：
航空運輸需求的不斷增長對航空發動機的推重比提出了更高的要求。隨著航空發動機向高推重比方向發展，壓氣機的級數逐漸減少，單級負荷不斷提高。高負荷壓氣機進口相對馬赫數較大，激波和邊界層相互作用容易誘發大面積的流動分離。同時，高負荷壓氣機葉頂壓力面和吸力面之間的壓差較大，葉頂間隙泄漏流的強度較大。這都使得高負荷壓氣機更容易發生旋轉失速等流動不穩定現象。
根據壓氣機的特性，壓氣機存在不穩定工作的邊界。當壓氣機在不穩定工作邊界左邊工作時，壓氣機內會出現旋轉失速和喘振等不穩定工況。不穩定工況通常最初通常表現為旋轉失速，并可能進一步發展成喘振。當壓氣機進入不穩定工況時，壓氣機內的氣流沿周向或軸向發生脈動，嚴重時會造成發動機熄火，零部件發生嚴重損壞。因此，壓氣機需要具有足夠的穩定工作范圍，以避免旋轉失速和喘振等不穩定工況的出現。
在壓氣機的氣動設計過程中，可以通過采用寬弦長小展弦比設計、采用大稠度和采用彎掠葉片等方法提高壓氣機的穩定工作范圍。為了進一步拓寬壓氣機的失速裕度，可以采用機匣處理、葉頂噴氣和邊界層抽吸等流動控制方法。機匣處理是一種有效的壓氣機失穩被動控制方法。研究人員已提出了多種機匣處理結構，包括多孔機匣處理、周向槽機匣處理、縫式機匣處理和自適應流通機匣處理等。通常認為機匣處理和壓氣機葉頂流場之間的動量和質量的交換能有效地降低泄漏渦和邊界層分離引起的堵塞，從而能夠提高壓氣機的穩定工作范圍。
壓氣機葉頂區域的壓差是機匣處理內流動的驅動力。各種機匣處理結構具有不同的特點，如周向槽機匣處理主要利用壓氣機葉頂區域周向的壓差，軸向縫機匣處理和自適應流通機匣處理主要利用葉頂區域軸向的壓差。如果某種機匣處理結構能有效利用壓氣機葉頂區域的壓差，對壓氣機葉頂區域的流體進行有效的輸運，緩解葉頂區域的流動堵塞，則該種機匣處理結構能獲得較好的擴穩效果。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種壓氣機連通式收縮縫機匣處理流動控制方法及裝置，對壓氣機葉頂區域的流體進行有效的輸運，以抑制葉頂區域的低能流體，推遲壓氣機失速的發生，提高壓氣機的穩定工作范圍。
本發明為解決其技術問題所采用的技術解決方案為：
一種壓氣機連通式收縮縫機匣處理流動控制方法，其特征在于：所述流動控制方法包括：
SS1.在壓氣機動葉頂部對應的機匣壁面上開設若干沿周向均勻分布的離散收縮縫，各離散收縮縫之間具有一定的周向間隙，其中，對于各單獨的收縮縫來說，
縫深的方向與壓氣機的徑向方向一致；
沿壓氣機軸向方向，收縮縫的截面積逐漸增大，并且收縮縫的后端寬度和前端寬度的比值從收縮縫底部到收縮縫頂部逐漸降低，其中，所述壓氣機軸向方向為壓氣機來流方向；
沿壓氣機徑向方向，收縮縫后端的截面積逐漸減小，收縮縫前端的截面積逐漸增大，其中，所述壓氣機徑向方向為壓氣機半徑增大的方向；
從葉片通道下游進入收縮縫內的亞音氣流在縫內的徑向和軸向收縮流道經歷加速過程后，從上游重新進入葉片通道，能對葉頂泄漏流起到有效的吹除作用。
SS2.在所述若干沿周向均勻分布的離散收縮縫之間開設連接通道，所述連接通道設置在各收縮縫的后部用以將各收縮縫連通，為各收縮縫提供流體交換的通道。在各收縮縫之間壓差的驅動下，進入收縮縫內的流體能夠進入連接通道內，連接通道對流體進行輸運，流體從連接通道內流出后再經過收縮縫從葉片通道上游的低壓區域重新射入主流。不同收縮縫內的回流量可根據葉頂周向壓力分布自我調整，從而能夠有效緩解葉頂不同周向位置的流動堵塞。
優選地，所述的收縮縫的軸向長度為0.5-1.5倍葉頂軸向弦長。
優選地，所述的收縮縫需要覆蓋50％-100％葉頂軸向弦長。
優選地，所述單個葉片通道對應的周向范圍內收縮縫的個數為1-10個。
優選地，所述的收縮縫前端面頂部寬度和底部寬度之比在1.05-5范圍內。
優選地，所述的收縮縫后端面底部寬度和頂部寬度之比為1.05-5范圍內。
優選地，所述的收縮縫某一徑向位置的后端寬度和前端寬度之比在1.05-5范圍內。
優選地，所述的位于收縮縫之間的通道將各個收縮縫連通，相鄰收縮縫之間連接通道的個數為1-10個。
優選地，所述的連接通道和收縮縫之間的接口位于縫的周向側壁面上。
根據本發明的另一方面，還提供了一種壓氣機連通式傾斜縫機匣處理控制裝置，包括壓氣機動葉和壓氣機機匣，其特征在于：
--在收縮壓氣機動葉的頂部對應的壓氣機機匣壁面上開設若干沿周向均勻分布的離散收縮縫，各離散收縮縫之間具有一定的周向間隙，其中，對于各單獨的收縮縫來說，
縫深的方向與壓氣機徑向方向一致；
沿壓氣機軸向方向，收縮縫的截面積逐漸增大，并且收縮縫的后端寬度和前端寬度的比值從收縮縫底部到收縮縫頂部逐漸降低；
沿壓氣機徑向方向，收縮縫后端的截面積逐漸減小，收縮縫前端的截面積逐漸增大；
其中，所述壓氣機軸向方向為壓氣機來流方向，所述壓氣機徑向方向為壓氣機半徑增大的方向。
--在所述若干沿周向均勻分布的離散收縮縫之間開設連接通道，所述連接通道設置在各收縮縫的后部用以將各收縮縫連通，為各收縮縫提供流體交換的通道。
本發明所提出的用于壓氣機擴穩的連通式收縮縫機匣處理方法及裝置，其有益效果為：亞音速氣流在收縮縫內沿徑向和軸向流動的過程中，可在收縮流道內實現有效的加速，這增強了從縫內進入葉片通道的流體對低能泄漏流的吹除能力。此外，各個收縮縫內的流體能夠通過連接通道進行交換，不同位置收縮縫內的回流量可根據葉頂周向壓力分布自我調整，從而能夠有效降低不同周向位置的流動堵塞。該機匣處理結構能夠有效地利用壓氣機葉頂區域和機匣處理結構內部的壓差，對葉頂區域的流體進行輸運，從而有效抑制壓氣機葉頂區域的低能泄漏流，提高壓氣機的失速裕度。
附圖說明
圖1是壓氣機連通式收縮縫機匣處理控制裝置的子午面結構圖。
圖2為圖1中的A-A截面結構圖。
圖3為圖1中的B-B截面結構圖。
圖4為圖1中的C-C截面結構圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，以下所述僅為本發明的較佳實施例，并不因此而限定本發明的保護范圍。
需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“頂”、“底”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。
下面結合附圖和具體的實施例對本發明的目的、技術方案及優點進行詳細說明。
圖1給出了壓氣機連通式收縮縫機匣處理控制裝置的子午面結構圖。壓氣機連通式傾斜縫機匣處理控制裝置包括：壓氣機動葉1，壓氣機機匣2，收縮縫3和相鄰收縮縫3之間的連接通道4。旋轉的壓氣機動葉1和壓氣機機匣2之間存在一定的間隙。在壓氣機動葉1的葉頂壓力面和吸力面之間壓差的作用下，氣流經過葉頂間隙形成泄漏流，泄漏流是引起壓氣機旋轉失速的重要原因。在壓氣機動葉1的葉頂對應壓氣機機匣2的壁面沿圓周方向開設若干個離散的收縮縫3，并利用連接通道4將各離散收縮縫3進行周向連通，能夠使葉頂泄漏流的強度減小，從而達到提高壓氣機穩定工作范圍的目的。
收縮縫3位于葉頂-2.5％到102.5％軸向弦長范圍內，收縮縫3的深度為收縮縫軸向長度的1/3，單個葉片通道對應的周向范圍內收縮縫的個數為3個。在葉頂上、下游壓差的作用下，收縮縫內能夠形成回流流動，葉頂下游的高壓流體進入收縮縫內，流體在收縮縫的作用下向上游輸運，然后在葉頂上游重新射入葉片通道，能夠吹除葉頂低能泄漏流，緩解葉頂區域的堵塞。
圖2為圖1中的A-A截面結構圖。收縮縫3前端沿壓氣機徑向的截面積逐漸增大，即Lt1>Lb1。收縮縫前端面的頂部寬度和底部寬度之比Lt1/Lb1＝2。收縮縫前端流體沿負徑向從收縮縫頂部向底部輸運的過程中，可在收縮流道內逐漸加速。
圖3為圖1中的B-B截面結構圖。收縮縫后端沿徑向的截面積逐漸縮小，即Lb2>Lt2。收縮縫后端面的底部寬度和頂部寬度之比Lb2/Lt2＝1.33。收縮縫后部流體沿徑向從縫底部向頂部輸運的過程中，可在收縮流道內逐漸加速。
圖4為圖1中的C-C截面結構圖。收縮縫3沿軸向的截面積逐漸增大，即Lz2>Lz1。收縮縫3頂部的后端寬度和前端寬度之比Lt2/Lt1＝1.5；收縮縫底部的后端寬度和前端寬度之比Lb2/Lb1＝4。收縮縫3的后端寬度和前端寬度之比從頂部到底部逐漸增大。流體沿負軸向從收縮縫后部向前部輸運的過程中，同樣可在收縮流道內實現加速。
從葉頂下游進入上述收縮縫3內的亞音氣流在縫內沿徑向和軸向流動過程中，在收縮流道內逐漸加速。流體在收縮縫內的收縮流道內加速后進入葉片通道，有利用吹除和激勵葉頂低能泄漏流，抑制葉頂前部堵塞區的形成。
此外，采用位于收縮縫3后部的周向通道4將相鄰收縮縫3連通。不同收縮縫3內的回流量能夠根據葉頂的周向壓力分布自我調整。后部位于高壓區的收縮縫內的流體能夠通過連接通道4進入后部位于低壓區的收縮縫內，提高后部壓力較低的收縮縫內的回流量，這有利于降低葉頂不同周向位置的流動堵塞，提高擴穩效果。
離散收縮縫3和連接通道4的個數以及幾何參數需要根據具體的應用對象進行選取和優化，以更有效地提高壓氣機失速裕度，并且盡量降低壓氣機的效率和壓比損失。
以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的范圍之內。
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