[发明专利]柔性非轴对称机匣处理流动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体输送技术领域，是一种叶片式流体机械中柔性非轴对称机匣处理流动控制方法，用于航空、化工、电力、冶金、交通、纺织等行业。

背景技术

众所周知，在我国基础性工业领域(化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等)运行着大量以叶片形式(轴流、离心，及两者混合)为气动结构基元的流体输送机械，主要包括气体压缩机、通风机、鼓风机和压气机。这类气体输送装置的功率、压比、流量覆盖范围基本上囊括了整个工业应用领域，从计算机芯片风扇到大型炼钢企业的多级压气机群就是一个有力的佐证，而且大部分是直接依靠电力拖动的。因此在完成流体输送的同时，消耗了巨额的电力，据统计表明消耗着全国工业用电量的30-40％的比例。另一方面，从能源高效利用的角度出发，我国目前在工业界广泛运行叶片式流体压缩机械和现有的结构设计体系还存在很大的空间可以挖掘。

此外在航空领域，风扇、压气机是航空涡扇发动机的核心部件之一，提高航空涡扇发动机的推重比和稳定性必须提高风扇、压气机的级增压比、气动稳定裕度和效率。比如提高级增压比，就可以减少风扇、压气机的级数，从而增加发动机的推重比，但是随着压气机增压比的升高，压气机出口面积急剧减小，叶尖间隙与叶片高度之比相对增加，边界层影响、级间干扰和气流泄漏相对增强，使得压气机流动损失大大增加，严重地降低效率，并难以保证压气机的正常稳定工作，带来稳定性降低的问题。因此，提高发动机的推重比和使用稳定性，迫切需要采用新型的流动控制手段，来扩大风扇/压气机的稳定性，并提高其效率。现以某轴流压气机的特性曲线进行说明，如图1所示。

喘振线左端为原机组不能工作的区域，系统一旦进入这一区域会发生强烈的流体振荡，严重时会发生机毁人亡的灾难性事故。点划线为效率相等的工作点，而且随着椭圆封闭区域的减少，效率会增加。图1中的n1、n2、n3、n4、n5、n6曲线，为压气机在不同等转速下运行的特性线，以n5为设计转速，特性线表示了机组压比与流量的对应关系。在导叶和静叶固定安装角不变的情况下，在等转速线的条件下，压比随流量的降低而增加，实际运行时为了避免喘振，都留有一定的喘振裕度，一般为10-15％的范围，也就是运行工作点远离喘振边界线。这就是目前工业界实际运行流体压缩机普遍遵循的设计准则。当转速降低，也就是运行工况离开设计转速n5时，要保证相同的压比，就会出现如图2所示的现象。例如当转速在n4时，要保证与n5运行的相同压比，则机组必定要进入不可运行的区域，这就是工作点必须出现在喘振边界线的左端。以轴流压气机单排动叶的速度三角形变化为切入点，可以在机理上解释这一流动失稳现象。图3是公知的压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图。如图3所示，V_a是进气的轴向速度，V₁是进气的相对速度，V₂是出气的相对速度，U是叶片旋转在R半径处的切向速度，其中U＝2πnR/60，n为是压气机转速，α₁是进气角，β₁是叶片的安装角，一般情况下气体的入口攻角δ＝α₁-β₁＝2°-5°时，叶片通道内部的流动损失为最小。因此，在设计状态下，攻角都设置在2°-5°。依据吴仲华转焓恒定的原理，假使马赫数小于0.28，近似认为是不可压缩流动，则压比与相对转速的关系为：

Δp=p2-p1=1/2ρ(V12-V22)-Δplosss]]>