CN106968986A - 缝式处理机匣及压气机 - Google Patents

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金海良
邵春雷
张骏
黄生勤
杨晶晶
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Abstract

本发明公开了一种缝式处理机匣及压气机，该缝式处理机匣置于转子叶片的外围，在机匣内侧壁面上加工有周向均匀分布的多个轴向缝槽，缝槽的底部截面包括两个平行的等直段，及设置在两个等直段两端且与两个等直段相接的两个圆弧段。本发明所述的缝式处理机匣能够利用缝内存在的压差将堆积在转子叶片中下游的低能堵塞团抽吸进入缝槽内，同时将这部分气体向转子上游区域喷射并重新注入转子通道，缝槽的抽吸及喷射作用极大的改善了叶尖通道的流动情况，转子叶尖通道的低速区域明显得到抑制，有效地缓解了通道的堵塞状况，从而推迟压气机喘振的发生，改善压气机的稳定工作裕度并且能够适当提高压气机的峰值效率。

Description

缝式处理机匣及压气机
技术领域
本发明涉及机械压气机技术领域，特别地，涉及一种缝式处理机匣及压气机。
背景技术
压气机作为发动机的核心部件之一，其优劣直接影响航空发动机的性能。近年来，随着压气机压比和负荷不断提高，致使其内部流动更加不稳定，进而影响发动机的稳定工作；同时相关研究表明：压气机转子叶片通道顶部区域流动状况，尤其是顶部间隙泄漏及其导致的间隙泄漏涡对压气机喘振的发生起着关键作用。因此，拓宽压气机稳定工作裕度成为设计人员亟待解决的关键问题。处理机匣作为提高压气机稳定工作裕度的技术之一，由于该装置具有结构简单、成本低廉，可靠性高等特点被广泛应用于许多发动机中。
图1中为周向槽处理机匣的结构形式，该结构是在压气机机匣的周向开设周向槽1，周向槽1具有轴对称的结构外形，其槽深方向与压气机径向成一定的夹角。在均匀来流情况下，该结构以略微降低效率的代价提高压气机稳定裕度。传统的处理机匣结构形式可在一定范围内提高压气机的稳定工作裕度，但是通常以降低效率为代价，效率降低量约为0.5％～2％，在航空发动机中，压气机部件效率的降低将导致耗油率增加，进而影响到发动机的经济性。
图2中采用圆弧形的缝式处理机匣，即在机匣的内壁开设有缝槽2，缝槽的底部截面采用圆弧型，使缝槽内部流动更加顺畅，且尽量减少缝槽内流动产生的损失，该技术虽然不降低压气机的效率，但是对于压气机稳定工作裕度的改善非常有限。
因此，如何改进缝式处理机匣的结构形式，设计出一种结构简单，即能拓宽压气机工作裕度，又能提高压气机效率的处理机匣是一个凾待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种缝式处理机匣及压气机，以解决现有的处理机匣在提高稳定裕度的同时会降低压气机效率的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种缝式处理机匣，布置于转子叶片的外围，在压气机机匣内侧壁面沿周向均匀分布有多个轴向缝槽，缝槽的底部截面包括两个平行的等直段，及设置在两个等直段的两端且与两个等直段相接的圆弧段。
进一步地，缝槽的长度方向与转子叶尖基元弦长方向的夹角为80-90度。
进一步地，缝槽的数目为转子叶片数目的6-8倍。
进一步地，缝槽的轴向长度为转子叶尖基元轴向长度的70％-90％。
进一步地，缝槽的宽度为转子叶尖基元最大厚度的1.5-3倍，缝槽的深度为转子叶尖基元最大厚度的50％-60％，且缝槽的深度方向与压气机径向的夹角为0°。
进一步地，缝槽的轴向投影中点位于转子叶尖轴向弦长的40％-60％位置处。
进一步地，圆弧段为半圆弧。
根据本发明的另一方面，还提供了一种压气机，其包括上述的缝式处理机匣。
进一步地，压气机为轴流压气机。
本发明具有以下有益效果：
本发明的压气机缝式处理机匣，该处理机匣位于转子叶片的外围，在压气机机匣内侧壁面沿周向均匀分布有多个轴向缝槽，缝槽的底部截面包括两个平行的等直段，及设置在两个等直段的两端且与两个等直段相接的两个圆弧段。本发明利用缝槽内产生的压差，一方面能够将激波与间隙泄漏涡作用后产生的低能堵塞团抽吸进入缝槽内，缓解转子叶尖的堵塞；另一方面缝槽将这部分气体向转子上游区域输送并重新注入转子通道，这股射流有效地抑制低能间隙泄漏涡发展，从而推迟间隙泄漏涡破裂现象的发生，这两种作用机制使得转子叶片中下游区域的大尺度堵塞团被削弱，抑制了在近失速状态下转子通道内部的流动分离，从而改善压气机的稳定工作裕度和效率，并且在压气机不同转速范围内都能有效地提高压气机的稳定工作裕度，并且能够不同程度的提高效率，该装置结构简单，易于操作。
除了上述所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有的压气机周向槽处理机匣的结构示意图；
图2是现有的压气机圆弧形缝式处理机匣的子午示意图；
图3是本发明优选实施例的压气机子午面示意图；
图4是本发明优选实施例的压气机缝式处理机匣缝槽的结构示意图；
图5是本发明优选实施例的压气机缝式处理机匣缝槽的结构示意图；
图6是本发明优选实施例的压气机缝式处理机匣的结构示意图；
图7是本发明和实壁机匣应用于轴流压气机的压比特性示意图；
图8是本发明和实壁机匣应用于轴流压气机的效率特性示意图。
附图标号说明：
1、周向槽；2、圆弧形缝式处理机匣；
10、机匣；11、缝槽；La、缝槽的轴向长度；Ca、转子叶尖基元的轴向长度；b、缝槽的宽度；Cmax、转子叶尖基元的最大厚度；
111、等直段；112、圆弧段；12、转子叶尖基元；
20、转子叶片；30、静子叶片。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图3至图4，本发明的优选实施例提供了一种缝式处理机匣，该机匣10布置于转子叶片20的外围，机匣10内侧壁面沿周向均匀分布有多个轴向缝槽11，缝槽11的底部截面包括两个平行的等直段111，及设置在两个等直段111的两端且与两个等直段111相接的两个圆弧段112。该缝槽11利用压气机内流动的气体产生的压差，将堆积在转子叶片20中下游的低能堵塞团抽吸进入缝槽11内，以改善转子叶尖通道的堵塞。
在本实施例中，如图3及图4所示，转子叶片20下游是静子叶片30，机匣10位于转子叶片20的外围，沿机匣10内侧壁的周向均匀设置多个缝槽11，缝槽11的底部截面包括两个平行的等直段111，及设置在两个等直段111的两端且与两个等直段111相接的两个圆弧段112。由于转子叶片20的增压作用，气流在缝槽11内将产生一定的压差，缝槽11能够将堆积在转子叶片20中下游区域的低能堵塞团抽吸进入缝槽11内，同时将这部分气体向转子上游区域喷射并重新注入转子通道，缝槽11的抽吸及喷射作用极大的改善了叶尖通道的流动情况，转子叶尖通道的低速区域明显得到抑制，有效地缓解了通道内的堵塞状况，从而推迟压气机喘振的发生，改善压气机的稳定工作裕度。
优选地，圆弧段112为半圆弧。在本实施例中，缝槽11的中间段采用直线型，两端采用半圆弧形，经过试验得知，缝槽11的这种结构设计能有效的减少气流在缝槽11内流动产生的损失。
优选地，参照图5及图6，缝槽11的长度方向与转子叶尖基元12的夹角为80-90度。在本实施例中，经过反复试验得知，缝槽11的长度方向与转子叶尖基元12的夹角为80-90度，便于气体顺利进入缝槽11，增大抽吸量。
优选地，缝槽11的数目为转子叶片20数目的6-8倍。在本实施例中，缝槽11数目越多，扩稳效果越显著，但是会降低压气机效率，而缝数过少则扩稳效果不明显，经过反复试验得知，在缝槽11数目为转子叶片20数目的6-8倍时，效果最好。
优选地，缝槽11的轴向长度La为转子叶尖基元12的轴向长度Ca的70％-90％。
优选地，缝槽11的宽度b为转子叶尖基元12最大厚度Cmax的1.5-3倍，缝槽11的深度为转子叶尖基元12的最大厚度Cmax的50％-60％，且缝槽11的深度方向与压气机径向的夹角为0°。在本实施例中，经过试验得知，缝槽11的轴向长度La为转子叶尖基元12轴向长度Ca的70％-90％，缝槽11的宽度b为转子叶尖基元12的最大厚度Cmax的1.5-3倍，缝槽11的深度为转子叶尖基元12最大厚度Cmax的50％-60％，且缝槽11的深度方向与压气机径向夹角为0°时，缝槽11的抽吸及喷射作用效果最为明显，能有效的改善转子叶尖通道的流动情况。
优选地，缝槽11的轴向投影中点位于转子叶尖轴向弦长的40％-60％位置处。经过试验得知，缝槽11的轴向投影中点A位于转子叶尖轴向弦长的40％-60％位置时，缝槽11能最大限度的抽吸及喷射高压气体，保证压气机的扩稳量。
经过试验得知，参照图7及图8，从轴流压气机在采用实壁机匣和采用本发明的缝式处理机匣的特性对比图可以看出，本发明的缝式处理机匣在不同转速范围内均显著提高了压气机的稳定工作裕度，并且峰值效率呈现不同程度的增加，在本实施例中，以相对折合转速0.8为例，其稳定裕度提高12.2％，峰值效率提高1.1个百分点；本发明的缝式处理机匣不仅能提高压气机稳定工作裕度，而且能适当提高压气机的峰值效率。
本发明还提供一种压气机，该压气机包括上述介绍的缝式处理机匣，在本实施例中的压气机包括但不限于轴流压气机。
从以上的描述可以得知：本发明的缝式处理机匣，通过在机匣内侧壁面沿周向均匀分布有多个轴向缝槽，缝槽包括两个平行的等直段、及设置在两个等直段的两端且与两个等直段相接的两个圆弧段。本发明利用气流在缝槽内产生的压差，将堆积在转子中下游区域的低能堵塞团抽吸进入缝槽内，同时将这部分气体向转子上游区域输送并重新注入转子通道，缝槽的抽吸及喷射作用极大的改善了叶尖通道的流动情况，低速区域明显得到抑制，从而推迟压气机喘振的发生，改善压气机的稳定工作裕度并且能适当提高压气机的峰值效率，该装置结构简单，易于操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种缝式处理机匣，布置于压气机转子叶片(20)的外围，其特征在于，
所述机匣(10)内侧壁面沿周向均匀分布有多个轴向缝槽(11)，所述缝槽(11)的底部截面包括两个平行的等直段(111)，及设置在两个等直段(111)的两端且与所述两个等直段(111)相接的圆弧段(112)。
2.根据权利要求1所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述缝槽(11)的长度方向与转子叶尖基元(12)弦长方向的夹角为80-90度。
3.根据权利要求1所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述缝槽(11)的数目为所述转子叶片(20)数目的6-8倍。
4.根据权利要求2所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述缝槽(11)的轴向长度为所述转子叶尖基元(12)轴向长度的70％-90％。
5.根据权利要求4所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述缝槽(11)的宽度为所述转子叶尖基元(12)最大厚度的1.5-3倍，所述缝槽(11)的深度为所述转子叶尖基元(12)最大厚度的50％-60％，且所述缝槽(11)的深度方向与所述压气机径向的夹角为0°。
6.根据权利要求5所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述缝槽(11)的轴向投影中点位于所述转子叶尖轴向弦长的40％-60％位置处。
7.根据权利要求1至6任一所述的缝式处理机匣，其特征在于，
所述圆弧段(112)为半圆弧。
8.一种压气机，其特征在于，
所述压气机包括上述权利要求1至7任一所述的缝式处理机匣。
9.根据权利要求8所述的压气机，其特征在于，
所述压气机为轴流压气机。
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