一種同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣的製作方法

2023-05-15 01:20:11

本發明涉及多級軸流壓氣機自循環處理機匣，尤其涉及一種同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣。

背景技術：

壓氣機是航空燃氣渦輪發動機的核心組成部件，由多級轉子和靜子順序交錯排列組成，其功用是提高氣體壓升；在壓氣機內部的流動中，由於流動空間小，流體所承受的逆壓梯度作用強，具有複雜的渦繫結構；位於靜子端區的角區分離結構及位於轉子葉尖的洩漏流結構是壓氣機內部主要的二次流結構，是壓氣機內部流動損失和堵塞的主要來源，對壓氣機的壓比、效率、裕度等性能具有至關重要的影響，嚴重時會引起壓氣機的失速和喘振，帶來災難性後果；經過幾十年的研究，眾多科研工作者們已經對壓氣機靜子角區流動及轉子葉尖流動有了較深的認識，但由於其空間的局限性，流動的複雜性，目前還未能很好地根據已有的研究結果實現壓氣機內流動的有效控制；尤其是充分利用壓氣機內流動逐級增壓的特點，通過某種自循環調節機構，同時利用並改善不利於性能的流動結構，達到提升壓氣機性能的目的。

對壓氣機靜子而言，三維角區分離/失速所造成的流動擁堵使得壓氣機性能急劇下降；現代航空發動機的發展對壓氣機性能提出了更高要求，尤其是單級負荷的增大以及更寬的有效工作範圍需求；然而隨著壓氣機負荷的增大，三維角區分離程度急劇增大，有效工作攻角範圍急劇縮減；目前，針對壓氣機靜葉角區分離與失速的流動控制技術，從是否額外引入能量，主要可以分為主動控制技術和被動控制技術兩大類：主動控制技術主要有等離子體激勵，附面層吹吸技術、合成射流等；被動控制技術主要有旋渦發生器、翼刀、端壁造型等；主動控制技術中附面層抽吸技術具有適應範圍廣，收益明顯的特點，但需要額外引入能量，不易於工程實現；現有的傳統被動控制技術，不具有自適應性，有效工作的工況範圍往往有限，未能解決工程上下一代高負荷壓氣機角區分離的問題。

對壓氣機轉子而言，葉尖洩漏流動對壓氣機的穩定工作狀態有著重要影響，由於轉子前緣溢流所導致的旋轉失速問題是制約發動機穩定工作的關鍵；通過在轉子前緣葉尖處引入射流，可有效改善轉子葉尖的洩漏流動，提高轉子的失速裕度，起到較好的擴穩效果；傳統的轉子葉尖吹氣技術多是主動控制，需額外引入能量，不利於工程實現；亦有採用自流通機匣的方案，但其射流出口沿周向間歇性陣列分布，無法形成周向均勻的射流，對流動的穩定性造成幹擾。

研究手段的進步使得現代研究者們對壓氣機內部流動機理及性能特徵的認識逐漸提升，其設計思路也對應發生了重大變化；壓氣機的研究出現了由局部單排甚至單個葉片/葉型的研究向全局多排葉片研究的轉變，由孤立關注單排葉片設計工況性能到關注全局匹配後有效工況及性能特點的轉變；因此，充分利用壓氣機逐級增壓的流動特點，實現不同級間的自適應流場調控，是改善壓氣機流場結構，提升新一代高負荷壓氣機性能的一大策略。

技術實現要素：

(一)待解決的技術問題

本發明的目的在於，提供一種同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣，在目標轉子葉片下遊的靜子葉片端壁及吸力面布置有組合抽吸槽，在目標轉子葉片葉尖前緣機匣處布置有與轉子葉尖預旋方向一致的切向射流槽，並將兩者通過布置在機匣內的引氣管及抽吸氣體穩壓腔、射流氣體導流腔連接起來；射流氣體導流腔沿整個周向貫通，並通過位於其出口前的導流腔出口前導葉調節射流方向，獲得周向均勻且與轉子葉尖預旋方向一致的射流；在不同流動工況下，利用多級壓氣機逐級加壓的特點，靠自身壓差形成自適應的抽吸、射流，解決傳統附面層抽吸、射流控制所需要額外引入能量問題，將主動控制化為被動控制；在非設計工況，目標轉子葉片下遊的靜子角區抽吸量與目標轉子葉片葉尖前緣機匣處的射流流量可通過抽吸槽、射流槽當地的壓力實現自適應調節，在改善多級軸流壓氣機靜子端區三維角區分離的同時，避免了動葉旋轉失速等的過早發生，提高了壓氣機裕度，拓寬了壓氣機的穩定工作工況範圍。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣，包括目標轉子葉片、下遊靜子葉片、機匣及位於機匣內部的引氣管結構；所述目標轉子葉片與機匣間具有葉頂間隙，在目標轉子葉片葉尖前緣處機匣內部布置有貫通整個周向的導流腔結構；所述導流腔出口前沿周向均勻布置有用於調節射流方向的導流腔出口前導葉；所述導流腔出口前導葉的出口方向與目標轉子葉尖預旋方向一致；所述下遊靜子葉片位於目標轉子葉片下遊，並帶有抽吸槽結構；所述下遊靜子葉片的抽吸槽連接有抽吸氣體穩壓腔並與所述射流氣體導流腔間通過位於機匣內部的引氣管相聯通。

其中，所述下遊靜子葉片位於目標轉子葉片下遊，可緊位於目標轉子葉片後方或者與目標轉子葉片間隔有多個轉靜子排。

其中，所述機匣內部的引氣管嚴格密封且具有環向陣列結構，其數目等同於下遊靜子葉片的數目。

其中，所述下遊靜子葉片吸力面機匣側、輪轂側均沿展向布置有多個抽吸槽，每個抽吸槽的寬度為葉片弦長的2％，高度不超過葉片展向高度的20％，所述下遊靜子葉片機匣端壁、輪轂端壁在靠近吸力面側沿流向自25％軸向弦長自尾緣處布置有單個抽吸槽，槽寬為2％到5％倍的葉片弦長值。

其中，所述下遊靜子葉片輪轂側端壁抽吸槽由輪轂側端壁抽吸槽導管i、輪轂側端壁抽吸槽導管ii分別與下遊靜子葉片內部氣流導管i、下遊靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下遊靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽由輪轂側吸力面抽吸槽導管i、輪轂側吸力面抽吸槽導管ii分別與下遊靜子葉片內部氣流導管i、下遊靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下遊靜子葉片機匣側端壁抽吸槽由機匣側端壁抽吸槽導管i、機匣側端壁抽吸槽導管ii分別與下遊靜子葉片內部氣流導管i、下遊靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下遊靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽由機匣側吸力面抽吸槽導管i、機匣側吸力面抽吸槽導管ii分別與下遊靜子葉片內部氣流導管i、下遊靜子內部氣流導管ii連接。

其中，所述下遊靜子葉片內部氣流導管i、下遊靜子葉片內部氣流導管ii連通位於機匣中的抽吸氣體穩壓腔；所述抽吸氣體穩壓腔沿周向陣列分布，其數目等同於下遊靜子葉片的數目，周向寬度取下遊靜子葉片機匣側柵距的一半；所述抽吸氣體穩壓腔通過引氣管連通所述射流氣體導流腔。

其中，所述射流氣體導流腔為全環通腔結構，且沿氣流方向具有漸縮的流道截面；在所述射流氣體導流腔出口前，周向陣列分布有導流腔出口前導葉；所述導流腔出口前導葉的高度與導流腔出口段的沿導葉展向的寬度相等；所述導流腔出口前導葉軸向弦長不大於上遊靜子與目標轉子葉片間軸向間隙的80％；所述導流腔出口前導葉與機匣連接截面的稠度取1到2之間的值。

(三)有益效果

本發明提供的多級軸流壓氣機，具有以下有益效果：

(1)設置同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣，利用多級壓氣機逐級加壓的特點，通過目標轉子葉尖前緣與下遊靜子葉片通道的壓差作用形成自適應的抽吸、射流，避免了傳統壓氣機靜子葉片三維角區流動主動控制中附面層抽吸控制、轉子葉尖前緣處機匣射流控制需要額外引入能量問題，將主動控制轉變為被動控制。

(2)設置同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣，通過布置在機匣內的引氣管連接下遊靜子葉片抽吸氣體穩壓腔與目標轉子葉尖前緣處端壁內側射流氣體導流腔，使得下遊靜子葉片角區的抽吸量與目標轉子葉尖前緣處端壁的射流流量可通過抽吸槽、射流氣體導流腔出口的當地壓力差值實現自適應調節；通過全環的射流氣體導流腔及布置在其出口前的用於調節射流方向的導流腔出口前導葉，形成周向均勻且與目標轉子葉尖預旋方向一致的射流，在通過自適應抽吸有效抑制多級壓氣機靜子端區三維角區分離流動的同時，通過與轉子葉尖預旋方向一致的周向均勻射流改善了轉子葉尖流動，避免了動葉旋轉失速等的過早發生，解決了傳統自流通處理機匣射流的周向不均勻問題，避免了針對靜子角區分離的傳統被動控制方法有效作用工況範圍有限的問題，增加了轉子葉片的旋轉穩定性，提高了壓氣機裕度，拓寬了壓氣機的穩定工作工況範圍。

附圖說明

圖1為一種同時改善靜子角區流動的自循環處理機匣的剖視圖；

圖2為圖1中i部分的放大圖；

圖3為圖1中a-a截面示意圖；

圖4為圖3中ii部分的放大圖；

圖5為圖1中b-b或c-c截面示意圖；

圖中，1：轉子輪盤；2：下遊靜子葉片輪轂；3：下遊靜子葉片輪轂端壁抽吸槽；4：下遊靜子葉片尾緣；5：下遊靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽；6：下遊靜子葉片輪轂端壁；7：下遊靜子葉片內部氣流導管i；8：下遊靜子葉片內部氣流導管ii；9：下遊靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽；10：下遊靜子葉片機匣端壁抽吸槽；11：抽吸氣體穩壓腔；12：機匣；13：引氣管；14：下遊靜子葉片壓力面；15：下遊靜子葉片機匣端壁；16：下遊靜子葉片；17：下遊靜子葉片前緣；18：目標轉子葉片；19：轉子葉片葉頂間隙；20：轉子葉片葉尖；21：轉子葉片前緣；22：導流腔出口前導葉；23：射流氣體導流腔；24：導流腔出口前導葉前緣；25：導流腔出口前導葉尾緣；26：轉子葉片葉尖截面；27：導流腔出口；28：下遊靜子葉片吸力面；29：下遊靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽導管i；30：下遊靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽導管ii；31：下遊靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽導管i；32：下遊靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽導管ii；33：下遊靜子葉片機匣側端壁抽吸槽導管i；34：下遊靜子葉片機匣側端壁面抽吸槽導管ii；35：下遊靜子葉片輪轂側端壁面抽吸槽導管i；36：下遊靜子葉片輪轂側端壁面抽吸槽導管ii。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

實施例1：

如圖1、圖2所示，本發明的自循環處理機匣，包括目標轉子葉片18、下遊靜子葉片16、機匣12及位於機匣12內部的引氣管13結構；目標轉子葉片18通過轉子輪盤1與發動機軸連接，其葉尖20與機匣12間具有葉頂間隙19，下遊靜子葉片16位於目標轉子葉片18下遊，其16一側與機匣12無縫連接，並具有機匣側端壁15，另一側連接有輪轂2，並具有輪轂側端壁6。

如圖5所示，在下遊靜子葉片16的吸力面28機匣側端區、輪轂側端區及機匣端壁15、輪轂端壁6布置有組合抽吸槽3，5，9，10結構；位於下遊靜子葉片16機匣側吸力面28抽吸槽9有多個，均位於下遊靜子葉片吸力面28機匣側角區，以一定的軸向弦長間隔均勻分布，其9寬度取為2％的靜子葉片16中徑處弦長，其9展向高度不超過靜子葉片16總高度的20％；位於下遊靜子葉片輪轂側吸力面28抽吸槽5有多個，均位於下遊靜子葉片吸力面28輪轂側角區，以一定的軸向弦長間隔均勻分布，其寬度取為2％的葉片中徑處弦長，其展向高度不超過下遊靜子葉片總高度的20％；位於下遊靜子葉片機匣側吸力面28的抽吸槽9與位於下遊靜子葉片輪轂側吸力面的抽吸槽5可具有不同的展向高度。在下遊靜子葉片機匣端壁15靠近下遊靜子葉片吸力面28處具有下遊靜子葉片機匣端壁抽吸槽10結構，抽吸槽10的寬度取為下遊靜子葉片16中徑處葉片弦長的2％，抽吸槽10的流向位置起始於角區分離點前(25％軸向弦長位置之前)，終止於後面級靜子葉片尾緣4處；在下遊靜子葉片輪轂端壁6靠近下遊靜子葉片吸力面28處同樣具有下遊靜子葉片輪轂端壁抽吸槽3結構，抽吸槽3的寬度取為後面級靜子葉片16中徑處葉片弦長的2％，抽吸槽3的流向位置起始於角區分離點前(25％軸向弦長位置之前)，終止於後面級靜子葉片尾緣4處。下遊靜子葉片機匣側吸力面28抽吸槽9通過機匣側吸力面28抽吸槽導管i29和機匣側吸力面28抽吸槽導管ii30分別與下遊靜子葉片16內部氣流導管i7、下遊靜子葉片內部氣流導管ii8連接；下遊靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽5通過輪轂側吸力面抽吸槽導管i31和輪轂側吸力面抽吸槽導管ii32分別與下遊靜子葉片16內部氣流導管i7、下遊靜子葉片16內部氣流導管ii8連接；下遊靜子葉片機匣端壁抽吸槽10通過機匣側端壁抽吸槽導管i33、機匣側端壁面抽吸槽導管ii34分別與下遊靜子葉片16內部氣流導管i7、下遊靜子葉片16內部氣流導管ii8連接；下遊靜子葉片輪轂端壁抽吸槽3通過輪轂側端壁抽吸槽導管i35、輪轂側端壁面抽吸槽導管ii36分別與下遊靜子葉片16內部氣流導管i7、下遊靜子葉片16內部氣流導管ii8連接。

如圖1所示，下遊靜子葉片16內部氣流導管i7、氣流導管ii8與機匣12內部的抽吸氣體穩壓腔11連接，如圖3所示，機匣12內部的抽吸氣體穩壓腔11周向陣列布置，其數目等同於下遊靜子葉片16的數目，周向寬度為下遊靜子葉片16機匣側柵距的一半。抽吸氣體穩壓腔通過機匣12內部的引氣管13與射流氣體導流腔23相連接。射流氣體導流腔23具有全環通腔結構，其沿著氣流方向具有漸縮的流道截面，在約束射流切向流動的同時，保證較大的總壓恢復係數，減小流動損失。在射流氣體導流腔23出口27前，周向陣列布置了一圈導流腔出口前導葉22，出口前導葉22的高度與導流腔23出口27段的沿導葉展向的寬度相等，出口前導葉22的軸向弦長不大於上遊靜子與目標轉子葉片18間軸向間隙的80％，稠度可取1到2之間的值。射流氣體導流腔23出口前導葉22的出口角與目標轉子葉片18葉尖前緣處的預旋角度一致，使得射流氣體導流腔23出口27的射流具有與轉子葉片18葉尖前緣處理想氣流同樣的流動方向，得到更好的轉子葉尖洩漏流動控制效果。

在自循環處理機匣工作時，來自於目標轉子葉片18上遊靜子的氣流作用於目標轉子18，經過目標轉子18進一步做功增壓後，流向下遊靜子16。由於多級軸流壓氣機逐級增壓的特點，位於下遊的葉片通道具有比上遊葉片通道更大的靜壓，因此在下遊靜子葉片16通道與上遊目標轉子18通道壓差的作用下，位於下遊的抽吸氣體穩壓腔11具有比上遊射流氣體導流腔出口處更大的壓力。壓差的作用使得下遊靜子葉片機匣側吸力面28抽吸槽9、輪轂側吸力面抽吸槽5，下遊靜子葉片機匣端壁抽吸槽10、輪轂端壁抽吸槽3吸入下遊靜子葉片16角區低能的附面層流體，進而抑制下遊靜子葉片16通道的三維角區分離流動，減弱因此造成的流動堵塞及損失，增大下遊靜子葉片16的擴壓能力。該部分高壓流體通過抽吸槽導管29-36進入下遊靜子葉片內部氣流導管7，8，匯聚到抽吸氣體穩壓腔11中，通過位於機匣內部的引氣管13通向射流氣體導流腔23，並在射流氣體導流腔23的導流作用下調整射流方向為切向，通過位於射流氣體導流腔23出口前的導流腔出口前導葉22在導流腔出口27處形成周向均勻的與目標轉子18葉尖前緣處預旋方向一致的射流，作用於目標轉子18的葉尖間隙19，改善了目標轉子葉尖20的間隙流動，有效防止了由於前緣溢流導致的旋轉失速，增強了目標轉子18的旋轉穩定性，提高了裕度，拓寬了壓氣機的穩定工作工況範圍。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在於目標轉子與下遊靜子間具有多個轉靜子排。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，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保護範圍之內。