一种带背腔开孔式周向槽机匣处理结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，属于叶轮机械领域，适 用于航空、能源和化工等行业。可用于提高压气机的稳定工作范围，特别是针对高负荷跨音 压气机。
【背景技术】
[0002] 压气机作为燃气轮机的核心部件之一，广泛的应用于航空发动机、船舶发动机和 能源工业等领域。气体在流经压气机的过程中，旋转的叶轮对气流做功，因此气体的压力得 以升高。在一定的转速条件下，当流经压气机的气体流量降低到一定程度时，会发生旋转失 速等流动不稳定现象，影响压气机的稳定工作范围。压气机进入不稳定工况时，性能会明显 恶化，严重时会发生强烈的振动，对机件造成严重的损坏。
[0003] 为了提高压气机的稳定工作范围，推迟失速的发生，研宄人员提出了多种压气机 失稳控制方法，包括叶顶喷气、中间级放气、采用掠叶片和机匣处理等。其中机匣处理是一 种被广泛采用的流动控制方法。作为一种被动流动控制方法，机匣处理方法不需要其他的 复杂控制系统，具有可靠性高、结构上容易实现和扩稳效果好等优点，已经在许多相关领域 得到了实际的应用。
[0004] 目前常见的机匣处理结构包括周向槽机匣处理、轴向缝机匣处理和自适应流通机 匣处理等。大量的研宄表明，压气机叶顶区域流动和失速的发生具有密切的关系。对于跨 音压气机，叶顶区域存在泄漏涡、激波和边界层等复杂流动结构及其相互作用，会造成叶顶 区域的流动损失和堵塞，是引起压气机失速的重要原因。机匣处理通过改变压气机机匣的 几何结构，可以对叶顶泄漏涡和边界层分离起到抑制作用，缓解叶顶区域的堵塞，从而能够 提高压气机的稳定工作范围。
[0005] 采用怎样的机匣处理结构能够有效地推迟压气机失速的发生，是研宄人员致力于 解决的关键问题之一。
【发明内容】
[0006] 为克服现有技术的缺点和不足，本实用新型的目的在于提供一种压气机带背腔开 孔式周向槽机匣处理结构，以更大程度地提高压气机的稳定工作范围，同时不明显降低压 气机的效率和压比。
[0007] 本实用新型的技术解决方案为：一种压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理结构， 所述压气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，其特征在于：在所述压气机动叶顶部对应 的压气机处理机匣壁面开设有若干平行设置的互不连通的周向槽，在各所述周向槽底部开 设小孔，并在小孔上部设置环形背腔，通过所述环形背腔和小孔将各个周向槽连通。该机匣 处理结构通过机匣处理和叶片通道之间的质量和动量交换来改善叶顶流场，起到提高压气 机稳定工作范围的作用。
[0008] 优选地，所述的周向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围。
[0009] 优选地，所述的周向槽的数目为2-10个。
[0010] 优选地，所述的小孔的形状为矩形孔、圆形孔或这些孔形之间的组合。
[0011] 优选地，所述的单个叶片通道对应的周向范围内，每个周向槽底部的小孔的数目 为1-10个。
[0012] 本实用新型所提出的压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理结构和现有方法相比， 具有的优势为：
[0013] 该机匣处理结构不仅能通过周向槽对进入机匣处理结构内的流体进行周向输运， 还能通过与周向槽相连接的小孔和背腔对机匣处理结构内的流体进行轴向输运。与周向 槽底部不带背腔和小孔的机匣处理相比，该机匣处理结构能更有效地利用叶片通道内的压 差，促进机匣处理和主流之间的流体交换，因此能更有效地提高压气机的稳定工作范围，同 时不会造成较大的效率和压比损失。此外，带背腔开孔式机匣处理结构紧凑，能够满足实际 工程应用中对压气机机匣几何尺寸的具体要求。
【附图说明】
[0014] 图Ia是带背腔周向槽机匣处理结构示意图，图Ib为B-B向剖面图。
[0015] 图2a和图2b分别给出了采用光壁机匣、带背腔开孔式周向槽机匣处理、周向槽底 部不带背腔和小孔的机匣处理的压气机的特性曲线。
[0016] 图3a和图3b是光壁机匣近失速点和采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流 量工况98 %叶高的相对马赫数分布。
[0017] 图4a和图4b是光壁机匣近失速点和采用带背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流 量工况98 %叶高的熵分布。
[0018] 图5给出了 98%叶高静压分布及带背腔开孔式周向槽机匣处理对叶顶流体的输 运情况。
[0019] 图6是采用周向槽底部不带背腔和小孔的机匣处理后近失速点和采用带背腔开 孔式周向槽机匣处理后相同流量工况通过周向槽与主流交界面的面积平均流量密度。
[0020] 图7a和图7b是采用周向槽底部不带背腔和小孔的机匣处理后近失速点和采用带 背腔开孔式周向槽机匣处理后相同流量工况98 %叶高的相对马赫数分布。
【具体实施方式】
[0021] 为使本实用新型本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附 图并举实施例，对本实用新型本实用新型进一步详细说明。
[0022] 本实用新型本实用新型所针对的压气机装置包括压气机动叶1，压气机机匣2,环 形背腔3,小孔4和周向槽5组成。旋转的动叶对流经压气机的气流加功，提高气流的压力。 在特定转速条件下，当流经压气机的气体流量降低到一定程度时，压气机会出现失稳现象。 带背腔开孔式周向槽机匣处理通过对压气机叶顶流场进行控制来提高压气机的稳定工作 范围。
[0023] 带背腔开孔式周向槽机匣处理结构由环形背腔3,小孔4和周向槽5组成。周向槽 的数目为2-10个。周向槽分布于叶片顶部区域，位于周向槽底部的小孔和周向槽相连接， 并且环形背腔能够将各个离散的小孔连接起来。小孔和背腔为各周向槽提供了流体交换的 通道。周向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围，各周向槽的轴向宽度、深度 和周向槽之间的间隙宽度可以不同。在单个叶片通道对应的周向范围内，每个周向槽底部 的小孔的数目为1-10个。小孔的形状可以是矩形孔、圆形孔或这些孔形的组合，每个周向 槽底部各小孔之间的周向间距，各小孔的轴向位置可以不同。环形背腔位于各小孔上部，并 且要能够覆盖所有小孔。环形背腔所在的轴向范围大于或等于周向槽所在的轴向范围。
[0024] 周向槽和小孔的个数和几何尺寸以及背腔的几何尺寸可以根据具体的应用条件 进行选取和优化，以取得较好的扩稳效果，同时减小压气机的效率损失。图1给出了一个具 体的实施例，周向槽布置在11. 5%到88. 5%轴向弦长范围内，周向槽的个数为4。周向槽的 轴向宽度等于周向槽之间间隙的轴向宽度，并且等于周向槽的深度。环形背腔的轴向宽度 等于周向槽所在范围的轴向宽度，环形背腔的深度等于周向槽的深度。在单个叶片通道对 应的周向范围内，每个周向槽底部开设四个矩形孔。小孔的宽度和深度均等于0.4倍的周 向槽宽度，并且小孔的周向张开角度为1度。
[0025] 该发明所提出的带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，以特定的压气机为对象，通 过数值计算进行了验证。所选取的压气机为跨音压气机，该压气机的主要设计参数如下表 所示。所采用的带背腔开孔式周向槽机匣处理结构尺寸和上述图1中所示相同。
[0026] 表1跨音压气机主要设计参数
【主权项】
1. 一种带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，所述机匣处理结构适用于压气机，所述压 气机包括压气机动叶和压气机处理机匣，其特征在于：在所述压气机动叶顶部对应的压气 机处理机匣壁面开设有若干平行设置的互不连通的周向槽，在各所述周向槽底部开设小 孔，并在小孔上部设置环形背腔，通过所述环形背腔和小孔将各个周向槽连通。
2. 根据权利要求1所述的带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，其特征在于：所述的周 向槽所在轴向范围小于或等于整个叶顶轴向弦长范围。
【专利摘要】本实用新型公开了一种压气机带背腔开孔式周向槽机匣处理结构，属于叶轮机械领域。该方法首先在压气机叶顶机匣开设周向槽，然后在周向槽底部开设小孔，并在小孔上加入环形背腔。该机匣处理控制方法能够在提高压气机稳定工作范围的同时不明显降低压气机的效率。周向槽底部带有背腔和小孔的结构与周向槽底部不带背腔和小孔的结构相比，不仅能对机匣处理结构内的流体进行周向输运，还能对流体进行轴向输运，能更有效地利用叶片通道内的压差。这增强了周向槽和主流交界面上的径向流动强度，能更有效地抑制叶顶区域由泄漏涡引起的低速区，提高压气机的稳定工作范围。
【IPC分类】F04D29-54, F04D29-44
【公开号】CN204419711
【申请号】CN201420693134
【发明人】赵庆军, 项效镕, 崔伟伟, 徐建中
【申请人】中国科学院工程热物理研究所
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年11月18日