專利名稱：軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提高壓氣機穩(wěn)定裕度的裝置，尤其是指一種能明顯提髙壓氣機穩(wěn)定裕度而又能同時提高其絕熱效率的非軸對稱組合處理機匣。
背景技術：
壓氣機大量運用在航空發(fā)動機和工業(yè)生產中。但是在壓氣機的設計發(fā)展過程中，壓氣機的不穩(wěn)定流動，如旋轉失速、喘振等，極大地限制了壓氣機性能的進一步提升。發(fā)生旋轉失速時，存在一個或多個低能失速團沿壓氣機周向旋轉，壓氣機的性能會突然下降，流量、壓比和效率均降至最低點，并且會對壓氣機葉片產生周期性的激振力，甚至引起喘振的發(fā)生，危害極大。因此人們采取了很多方法來推遲壓氣機發(fā)生旋轉失速等不穩(wěn)定現象，以擴大其穩(wěn)定工作裕度。
為了擴大壓氣機的穩(wěn)定裕度，國內外工作者做了很多研究工作。處理機匣技術的擴穩(wěn)效果被認為非常明顯，且實用性很強，因而得到了比較廣泛的應用。目前國內外很多先進航空發(fā)動機機所用的壓氣機均采用了這項技術。圖l一圖3給出了三種典型的處理機匣結構形式。
如圖1所示，軸向斜槽處理機匣是在機匣上沿壓氣機的軸向開槽，其槽深方向與壓氣機的徑向成一定夾角(一般為60度)。當槽深方向對準來流方向時，無論來流是均勾流或發(fā)生進口畸變，穩(wěn)定裕度都有較大改善。但這類處理機匣的缺點是，穩(wěn)定裕度的改善以損失壓氣機的效率為代價。
如圖2所示，弦向斜槽處理機匣是在機匣上沿葉尖基元的弦向開槽，槽深方向可以有不同的夾角。在均勻來流情況下，穩(wěn)定裕度的增長僅次于軸向斜槽處理機匣3%,對壓氣機效率的損失也比軸向斜槽少一些。
如圖3所示，反旋渦淺槽處理機匣是根據葉片通道中已知旋渦的方向和強度，在機匣上沿壓氣機軸向開無氣室的三角槽，當葉片掃過這些處理槽時，在三角槽內產生與葉尖泄漏渦反向的渦量，并與葉尖區(qū)的泄漏渦抵消。這種處理機匣對壓氣機的絕熱效率會有明顯提升，但是對穩(wěn)定裕度的增加量不大。
總結傳統(tǒng)的處理機匣技術，存在這樣的缺點很難同時提高壓氣機的穩(wěn)定裕度和絕熱效率。包括上述前兩種典型結構處理機匣在內的大部分處理機匣在擴大壓氣機穩(wěn)定裕度的同時，不得不付出降低壓氣機的絕熱效率為代價。這種代價通常為1% — 3%左右。在航空發(fā)動機上，壓氣機的絕熱效率的下降意味著燃油消耗會更多。而上述反旋渦淺槽處理機匣雖然對壓氣機的絕熱效率有所提升，卻對壓氣機的穩(wěn)定裕度的增加量少。
如前所述，當壓氣機發(fā)生旋轉失速時，會產生一個或多個低能失速團沿周向旋轉，由此產生沿周向變化和傳播的強烈氣流脈動。此時的壓氣機流場是典型的非軸對稱流場。而傳統(tǒng)的處理機匣都是軸對稱分布的單一處理槽結構，沒有考慮到壓氣機發(fā)生旋轉失速時流場的嚴重非軸對稱性是其一大缺點。而壓氣機的這種非軸對稱特性反映了一種比較強烈的非定常流動狀態(tài)。
因此，如何從壓氣機流場的非軸對稱性出發(fā)，結合某些機匣的優(yōu)點，設計成能發(fā)揮各自優(yōu)勢并且產生不同非定常激勵的組合機匣成為本發(fā)明所述工作的初衷。發(fā)明 內 容
針對上述傳統(tǒng)處理機匣技術存在的缺點，本發(fā)明提供一種軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，該處理機匣包括
一個開有兩種結構形式處理槽組合的非軸對稱分布的處理環(huán)；一個或兩個調距環(huán)，用于調整上述處理環(huán)相對壓氣機葉片的軸向位置。該非軸對稱組合處理機匣所述的處理環(huán)有兩種結構形式的處理槽，分別是軸向斜槽結構和反旋渦淺槽結構。按處理槽結構形式的不同，可以將此處理環(huán)在周向上分為一個或多個激勵區(qū)， 一個或多個緩沖區(qū)。激勵區(qū)和緩沖區(qū)相間分布。激勵區(qū)內開有三個或三個以上的軸向斜槽式處理槽，且壓氣機的單個轉子通道對應的處理槽數為3-8，緩沖區(qū)內開有反旋渦淺槽式處理槽。激勵區(qū)的周向長度應大于一個壓氣機轉子通道的葉尖柵距。緩沖區(qū)的周向長度也應大于一個壓氣機轉子通道的葉尖柵距。所有激勵區(qū)所對應的扇形角之和"相對于所有緩沖區(qū)所對應的扇形角之和P的比值"/P = 1/5 ~ 5 。
本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣在壓氣機4^的位置為在壓氣機轉子葉片尖部的上方，并在軸向上相對葉片有相當于轉子葉尖弦長30% —70%的前伸量。該處理機匣在設計過程中考慮到了壓氣機內部流場的非定常性，特別針對軸流壓氣發(fā)生旋轉失速時的非軸對稱流場設計了開有非軸對稱分布的處理槽的處理環(huán)。
從處理機匣對壓氣機流場的非定常激勵頻率分析，可以看到本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣對壓氣機流場的激勵頻率是多頻率的，而傳統(tǒng)的軸對稱結構處理機匣對壓氣機流場的激勵頻率為單一頻率。因此，本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣相對傳統(tǒng)軸對稱結構的處理機匣來說，具有不同的非定常作用機理。
這種結構能夠對壓氣機的葉尖流場產生明顯的非定常激勵作用，使得流場變得更為有
序，因而能取得與傳統(tǒng)處理機匣不同的效果，除了能顯著提高壓氣機的穩(wěn)定裕度之外，還
能其提高絕熱效率。


圖1為典型的具有軸對稱分布的軸向斜槽結構的處理機匣示意圖2為典型的具有軸對稱分布的弦向斜槽結構的處理機匣示意圖3為典型的具有軸對稱分布的反旋渦淺槽結構的處理機匣示意圖4為一種具有軸對稱分布的軸向斜槽結構的處理機匣示意圖5為圖4所示的軸對稱結構的軸向斜槽式處理機匣的處理環(huán)的剖視圖6為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的優(yōu)選實施
例的軸剖視圖7為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的優(yōu)選實施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖視圖(僅示出壓氣機的兩個轉子動葉)；
圖8為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的第二種實施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖視圖(未示出壓氣機的轉子動葉)；
圖9為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的第三種實施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖視圖(未示出壓氣機的轉子動葉)；
圖IO為圖5所示的軸對稱結構的軸向斜槽式處理機匣對壓氣機流場的激勵頻譜圖11為本發(fā)明圖7所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的優(yōu)選實施例對壓氣機流場的激勵頻譜圖。
具體實施例方式
為更清楚描述本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的幾種典型實施例進行說明。
圖6為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的優(yōu)選實施例的軸剖視圖。此非軸對稱組合處理機匣由一個處理環(huán)1和兩個調距環(huán)2組成。處理環(huán)1在壓氣機轉子葉片3的上方，并且相對轉子葉片3的軸向位置為保持相當于轉子葉片3的葉尖部位軸向長度的50%的前伸量。
熟悉本領域的人員容易想到，在其它實施例中，通過調整調距環(huán)2的軸向寬度，處理環(huán)1的軸向位置可以相對于此實施例所述軸向位置往前或往后移動，處理環(huán)1前方的調距
環(huán)2或者后方的調距環(huán)2可以去掉其中任何一個，以此來改變對處理環(huán)1相對于轉子葉片 3的前伸量。
在處理環(huán)1上，開有軸向斜槽式處理槽6的區(qū)域能對壓氣機的葉尖區(qū)流場產生很強的 激勵作用，能使流場變得更有序，因此稱之為激勵區(qū)4，而開有反旋渦淺槽式處理槽7的 區(qū)域對壓氣機的葉尖區(qū)流場的激勵作用很小，能對壓氣機的葉尖泄漏流產生緩沖，因此稱 之為緩沖區(qū)5。
圖7為本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣的優(yōu)選實施 例的處理環(huán)1的垂直軸向的剖視圖。此處理環(huán)1由兩個激勵區(qū)4和兩個緩沖區(qū)5組成。 兩個激勵區(qū)4的周向長度一樣，其所對應的扇形角^和A均為90度。處理環(huán)1在兩個激 勵區(qū)4內等間距地各開有9個軸向斜槽式處理槽6,壓氣機的單個轉子通道所對應的軸向 斜槽式處理槽6的數目為3，此處理槽的結構形式如圖4所示。此激勵區(qū)4的周向長度大 于兩個轉子葉片3所夾的通道的葉尖柵距t。處理環(huán)1在兩個緩沖區(qū)5的內壁開有反旋渦 淺槽形式的處理槽7，如圖3所示的處理槽的結構形式，其所對應的扇形角A和A分別為 118度和72度。這個實施例所述的激勵區(qū)4和緩沖區(qū)5對應的扇形角之和的比值為 (ai+or2)/(A+A) = l°
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同壓氣機上，上述實施例的激勵區(qū)4內的軸向 斜槽式處理槽6的數目能夠根據不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數值， 而且軸向斜槽式處理槽6在周向上可以是非等間距分布。
圖8為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機匣的第二種實施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖 視圖。此處理環(huán)1由一個激勵區(qū)4和一個緩沖區(qū)5組成。激勵區(qū)4所對應的扇形角"為 60度。激勵區(qū)4內等間距地開有7個軸向斜槽式處理槽6,壓氣機的單個轉子通道所對 應的軸向斜槽式處理槽6的數目為7。緩沖區(qū)5范圍內的處理環(huán)1的內壁開有反旋渦淺槽 形式的處理槽7，其所對應的扇形角々為300度。這個實施例所述的激勵區(qū)4和緩沖區(qū)5 對應的扇形角的比值為"/〃 = 1 / 5 。
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同壓氣機上，上述實施例的激勵區(qū)4內的軸向 斜槽式處理槽6的數目能夠根據不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數值， 而且軸向斜槽式處理，曹6在周向上可以是非等間距分布。
圖9為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機匣的第三種實施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖 視圖。此處理環(huán)1由三個激勵區(qū)4和三個緩沖區(qū)5組成。三個激勵區(qū)4所對應的扇形角^、"2和"3均為100度。激勵區(qū)4內等間距地開有10個軸向斜槽式處理槽6,壓氣機的單 個轉子通道所對應的軸向斜槽式處理槽6的數目為4。緩沖區(qū)5范圍內的處理環(huán)1的內壁 開有反旋渦淺槽形式的處理槽7，其所對應的扇形角A、 A和A均為20度。這個實施例 所述的激勵區(qū)4和緩沖區(qū)5對應的扇形角之和的比值為(A +a3)/(A + A + A) = 5 。
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同壓氣機上，上述實施例的激勵區(qū)4內的軸向 斜槽式處理槽6的數目能夠根據不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數值， 而且軸向斜槽式處理槽6在周向上可以是非等間距分布。
總結上述三種典型實施例的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣可 以發(fā)現，本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機匣相對于傳統(tǒng)的處理機匣，最主要的特征在于 處理環(huán)上開有非軸對稱分布的不同結構形式的處理槽。
而從激勵頻譜分析的角度可以看到，在圖io上顯示，軸對稱結構的軸向斜槽式處理 機匣對壓氣機流場的非定常激勵頻率為單一頻率，這個單一的激勵頻率由處理環(huán)周向上的 處理槽總數和壓氣機轉子的轉速決定。而圖11所顯示本實施例所述的軸向斜槽與反旋渦 淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣對壓氣機流場的非定常激勵頻率為多頻率多幅值，除了 由處理環(huán)周向上處理槽的數目決定的高頻率激勵外，還包括相對轉子轉動時緩沖區(qū)和激勵 區(qū)之間的交替變換所帶來的低頻率激勵作用。這兩種處理機匣相對壓氣機的激勵頻譜的不 同，反映了二者對于壓氣機流場的非定常作用機理不一樣。因此，二者對于壓氣機的作用 效果也是不同的軸對稱結構的軸向斜槽式處理機匣大幅度提高壓氣機的穩(wěn)定裕度的代價 是損失壓氣機絕熱效率1%左右，而本發(fā)明所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組 合式處理機匣在大幅度提高壓氣機的穩(wěn)定裕度的同時，能提高其絕熱效率。
權利要求
1、一種軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征是該非軸對稱處理機匣包括一個開有兩種結構形式處理槽組合的非軸對稱分布的處理環(huán)(1)；一個或兩個調距環(huán)(2)，用于調整上述處理環(huán)(1)相對壓氣機葉片的軸向位置。
2、 如權利要求1所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征在于所述的處理環(huán)包括一個或一個以上各開有三個或三個以上軸向斜槽式處理槽(6)的激勵區(qū)(4)， 一個或一個以上開有反旋渦淺槽式處理槽(7)的緩沖區(qū) 5)。
3、 如權利要求2所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征在于所述的激勵區(qū)(4)和緩沖區(qū)(5)相間分布。
4、 如權利要求2所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征在于所述的激勵區(qū)(4)或緩沖區(qū)(5)的周向長度應大于壓氣機的一個轉子通道的葉尖柵距。
5、 如權利要求2所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征在于所述的激勵區(qū)(4)所對應的扇形角之和"相對于所述的緩沖區(qū)(5)所對應的扇形角之和/ 的比值大約為"http:// = 1/5~5 。
6、 如權利要求2所述的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣，其特征在于所述的軸向斜槽式處理槽(6)在激勵區(qū)(4)內等間距或非等間距分布，壓氣機的一個轉子通道對應的軸向斜槽式處理槽(6)的數目為3-8。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應用在軸流壓氣機上的軸向斜槽與反旋渦淺槽周向非軸對稱組合式處理機匣。該葉尖激勵發(fā)生器包括一個開有非軸對稱分布的包含不同結構形式的處理槽的處理環(huán)，以及一個或兩個調距環(huán)。而該處理環(huán)包括開有軸向斜槽式處理槽的激勵區(qū)和開有反旋渦淺槽式處理槽的緩沖區(qū)，其周向分布形式如圖1所示。該非軸對稱組合處理機匣的設計考慮到了軸流壓氣機發(fā)生失速時的非軸對稱流場，對壓氣機轉子的葉尖區(qū)流場產生非定常激勵作用，并能取得比傳統(tǒng)的軸對稱結構的處理機匣技術更好的效果，除了能明顯擴大壓氣機的穩(wěn)定裕度外，還能提高壓氣機的絕熱效率。
文檔編號F04D29/38GK101566171SQ200910084168
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者李秋實, 巍 袁, 錢煜平, 陸亞鈞 申請人:北京航空航天大學