一種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構的製作方法

2023-09-22 19:17:00 1

專利名稱：一種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機技術領域，是新型的ー種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構。
背景技術：
對於任何風扇/壓氣機而言，穩定性是ー個重要特性指標。高性能發動機要求軸流風扇/壓氣機在高壓比，高效率條件以及寬失速裕度下工作，這樣對壓縮系統本身而言，高壓比，高效率和寬失速裕度之間就存在一定的匹配問題。因此在過去幾十年，國內外學者通過對風扇/壓氣機不穩定性的檢測，發展了主動控制，被動控制技術來抑制其不穩定性，延緩失速的發生。
噴氣技術作為一種有效的擴穩方法也得到了廣泛的研究。1993年，劍橋大學的Day採用主動噴氣技術對多級軸流壓氣機進行了實驗研究，並成功的抑制了失速的產生，他所採用的噴氣量不超過主流流量的1%，卻使壓氣機的穩定裕度増加了 4%。Weigl等人研究了兩種噴嘴結構的主動噴氣技術對高速軸流壓氣機穩定性的影響，噴氣量為壓氣機總流量的5. 8%，葉頂相對馬赫數為I. 0和I. 5情況下使壓氣機失穩點流量分別減少11%和3.5%,並且還使壓氣機設計流量提高3.6%。基於主動控制理念的主動噴氣，其實現機構十分複雜，因此在實際應用時也受到了很大限制。因此，隨著對主動控制理念優勢與不足的反思，主動噴氣又向早期的被動噴氣開始回歸，但其本質已更新為能否用定常噴氣也來抑制流動失穩的非定常波動？這ー嘗試最有代表性的當屬Suder在2000年所獲得的穩態離散噴氣的結果，其研究結果顯示，當壓氣機轉速為70%設計轉速吋，1%主流流量的噴氣量可使壓氣機的失穩邊界最大左移近30% ;當壓氣機以100%轉速運行時，I. 3%主流流量的噴氣量可使壓氣機的失穩邊界最大左移3. 5%。這表明，定常離散噴氣採用同主動噴氣同一量級的噴氣量仍可以獲得良好的擴穩效果，不過Suder對這ー效果的認識仍限於噴氣對穩態流場的作用。但從抑制非定常波動、特別是其失穩先兆的角度考慮，因這時壓氣機葉片通道內分離並不嚴重，堵塞區還未完全形成，所以並不需要大量噴氣將堵塞區吹出葉片通道，應該僅需少量噴氣抑制失速先兆前期擾動即可，換言之，採用比Suder所用噴氣量大為減少的微量噴氣是否也能實現同樣的擴穩效果呢？在這ー啟示的推動下，國內中科院工程熱物理研究所提出並開展了壓氣機葉頂微噴氣的擴穩實驗研究，結果表明，即使噴氣量僅佔壓氣機總流量的萬分之幾，壓氣機失穩裕度仍可以有5%的提高。2006年Kefalakis等人研究了穩態噴氣和脈動(非定常)噴氣對提高軸流壓氣機喘振裕度的影響。儘管實驗中所採用的噴氣量佔壓氣機總流量千分之幾到百分之幾不等，但無一例外地均獲得了較好的擴穩效果。而在自引氣噴氣方面，1998年Freeman報告了在VIPER航空發動機上採用定常和可控自循環噴氣的影響，VIPER是一臺單軸，8級，壓比為5. 25的渦噴發動機。空氣分別通過第四級引到進ロ，出口引到進ロ以及從出口引到第四級靜葉。結果顯示，當採用中間級引氣時，引氣流量為進ロ流量的8%，而從出口端引氣時，引氣量為進ロ流量的5%。Leinhos等人在一臺雙軸渦扇發動機上，從高壓壓氣機的出口引氣到低壓壓氣機的進ロ，結果表明，當噴氣流量達到設計點流量的5%吋，失速裕度増加了一倍。2004年NASA的AnthonyJ. Strazisar在NASA的stage35上才用自引氣的手段，通過數值計算不同噴嘴結構對葉頂端區流動的影響，通過實驗研究70%和100%設計轉速時不同噴嘴個數的擴穩效果，並取得了良好的擴穩效果。
Kefalakis在2006年通過大量的實驗研究，發現噴氣動量佔主流動量的百分數可以作為壓氣機擴穩裕度的提高參考標準。2010年，中國科學院工程熱物理研究所(本發明人之一)通過對噴氣擴穩研究的總結髮現，噴氣動量和主流動量之比和壓氣機擴穩裕度的改善存在一定的關係，提高擴穩裕度的噴氣動量比存在ー個臨界動量比，而且隨著噴氣動量比的増加，擴穩裕度也是隨之増加的。2011年，本發明人在一臺低速軸流壓氣機上進行實驗研究，驗證了上述的推測，實驗結果證明了臨界動量比的存在。基於此，本發明在考慮上述影響因素的前提下，在設計自引氣機構時，在不出現堵塞現象的前提下，儘可能的增加噴嘴出ロ的噴氣速度，從而増大噴氣動量，提高軸流風扇/壓氣機的流動失穩裕度。

發明內容
本發明的目的是公開ー種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構，根據微噴氣和大噴氣不同的擴穩機理及臨界噴氣動量比(噴氣動量/主流動量)，隨著壓縮系統在節流過程中，出口靜壓的提升，會使得引氣機構回引到葉頂前緣的噴氣動量増加，充分結合微噴氣和大噴氣不同的擴穩效果，最大限度的實現擴穩。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是—種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構，其包括外殼、通道，塊狀外殼固接於機E外側，外殼內設有弧形通道，通道內有閥門，通道兩端分別為引氣ロ、進氣噴嘴；在前面級和後面級的機匣壁上，分別開有通孔，後面級的通孔與引氣ロ密封固接，前面級的通孔與進氣噴嘴密封固接；閥門與數位訊號處理器(DSP)電連接，由數位訊號處理器控制閥門的開度；工作流程是將後面級的高壓氣體經引氣ロ引入到前面級的動葉葉頂前緣，經進氣噴嘴進行噴射，實現提高穩定裕度的目的。所述的自引氣噴氣機構，其所述外殼，包括ニ塊相同的金屬板，在ニ塊金屬板側面上各開ー引氣槽，將閥門置於一引氣槽中，然後將兩塊金屬板帶槽的一面相互貼合後固定在一起，其兩引氣槽封閉形成通道，閥門被定位於通道中，其密封性能好，且氣體在通道中的損失小。所述的自引氣噴氣機構，其所述引氣ロ，為漸擴的管道，使得流入通道內的氣體增壓減速，從而減小氣體在管道中的流動損失，最大限度的利用引氣ロ的壓カ。所述的自引氣噴氣機構，其所述進氣噴嘴，為出氣ロ，採用拉伐爾噴管，使進入管道的氣體實現增速減壓的效果，使噴嘴出口的動量最大化，最大程度的擴寬穩定運行的裕度。所述的自引氣噴氣機構，其所述引氣ロ向通道延伸，直到超過氣體流動的附面層厚度2倍，通過引入壓氣機出口氣流的動能，使通道裡的壓カ增加，從而使進氣噴嘴噴射出的氣流動量増加，使擴穩效果更加明顯。所述的自引氣噴氣機構，其所述拉伐爾噴管，其噴氣角度為沿著機匣內壁向動葉葉頂前緣方向。所述的自引氣噴氣機構，其所述閥門，位於通道中部，由數位訊號處理器控制閥門的開度，實現不同流量和壓比工作範圍。本發明的自引氣噴氣機構，優點在於I、取代外部引氣所需要的增壓設備，消除了外部引氣所帶來的困難，縮減了現場的佔地空間。2、通過壓氣機自身引氣的方法，使整體的耗功減小，實現了節能的目的。3、通過自引氣機構的特殊結構，減小流動損失，使噴嘴出ロ的噴氣動量最大化，從而最大限度的提高流動失穩裕度。


圖Ia為噴氣機構外部引氣示意圖；圖Ib為噴氣機構自引氣示意圖；圖2為本發明軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構的通道三維結構示意圖；圖3為本發明軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構利用出口靜壓的自引氣機構結構圖；圖4為本發明軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構利用出ロ靜壓和微量動壓的自引氣機構結構圖。具體實施方法在均不考慮管道損失的前提下，從圖Ia中的外部引氣可以得出壓氣機的軸功為Wc = Hi1Cp (T02-T01)+m3cp (T02-T03)(I)而外部引氣的耗功為Wp = m3cp (T03-T01)(2)這樣總的耗功為W = In1Cp (T02-T01) +m3cp (T02-T01)(3)見圖lb，對於自引氣而言
權利要求
1.一種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構，其特徵在於，包括外殼、通道，塊狀外殼固接於機匣外側，外殼內設有弧形通道，通道內有閥門，通道兩端分別為引氣口、進氣噴嘴； 在前面級和後面級的機匣壁上，分別開有通孔，後面級的通孔與引氣口密封固接，前面級的通孔與進氣噴嘴密封固接； 閥門與數位訊號處理器電連接，由數位訊號處理器控制閥門的開度； 工作流程是將後面級的高壓氣體經引氣口引入到前面級的動葉葉頂前緣，經進氣噴嘴進行噴射，實現提聞穩定裕度的目的。
2.如權利要求I所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述外殼，包括二塊相同的金屬板，在二塊金屬板側面上各開一引氣槽，將閥門置於一引氣槽中，然後將兩塊金屬板帶槽的 一面相互貼合後固定在一起，其兩引氣槽封閉形成通道，閥門被定位於通道中，其密封性能好，且氣體在通道中的損失小。
3.如權利要求I所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述引氣口，為漸擴的管道，使得流入通道內的氣體增壓減速，從而減小氣體在管道中的流動損失，最大限度的利用引氣口的壓力。
4.如權利要求I所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述進氣噴嘴，為出氣口，採用拉伐爾噴管，使進入管道的氣體實現增速減壓的效果，使噴嘴出口的動量最大化，最大程度的擴寬穩定運行的裕度。
5.如權利要求I或3所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述引氣口向通道延伸，直到超過氣體流動的附面層厚度2倍，通過引入壓氣機出口氣流的動能，使通道裡的壓力增力口，從而使進氣噴嘴噴射出的氣流動量增加，使擴穩效果更加明顯。
6.如權利要求I或4所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述拉伐爾噴管，其噴氣角度為沿著機匣內壁向動葉葉頂前緣方向。
7.如權利要求I或2所述的自引氣噴氣機構，其特點在於，所述閥門，位於通道中部，由數位訊號處理器控制閥門的開度，實現不同流量和壓比工作範圍。
全文摘要
本發明公開了一種軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構，涉及燃氣輪機技術，其通過在軸流風扇/壓氣機後面級的出口採用漸擴的管道，實現擴壓減速，能夠減少流動損失。在進氣噴嘴端，採用拉伐爾噴管達到增速減壓的作用，使得進氣噴嘴出口的動量最大化，從而能夠最大程度的實現提高穩定裕度的作用。本發明的軸流風扇/壓氣機自引氣噴氣機構，在風扇/壓氣機運行時，將後面級的氣體引入到前面級的動葉葉頂端區進行噴射，達到改善失速擴穩裕度的目的，使軸流風扇/壓氣機能夠在更高壓比，寬失速裕度的工況下運行。
文檔編號F02K1/30GK102852668SQ20111017897
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月29日 優先權日2011年6月29日
發明者李繼超, 童志庭, 林峰, 聶超群 申請人:中國科學院工程熱物理研究所