[发明专利]用于稳定压缩机流的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于向涡轮机的压缩机系统提供流体流的方法和装置，更具体地，涉及用于稳定向航空发动机提供的或航空发动机中的压缩机流。

背景技术

涡轮压缩机(也称涡轮压气机)为涡轮机的基本组成部分，例如为航空发动机、发电厂中的燃气轮机或者其他过程技术设备的基本组成部分。

航空发动机主要包括压缩机、燃烧室、涡轮和排气喷嘴。这些部件连续地布置在流方向上。压缩机的任务是将吸入发动机内的环境空气压缩并转送入燃烧室。在燃烧室内压缩空气与驱动燃料进行混合并点燃混合物。在该过程中膨胀的气体逸出并驱动涡轮，该涡轮通过机轴与压缩机相连，以驱动压缩机。膨胀气体通过排气喷嘴逸出并产生动力。

如那些在航空发动机中使用的一样，压缩机通常由圆筒状壳体组成，在圆筒状壳体内部限定出用于压缩空气的流道。壳体包括位于其轴向前端的用于进气的开口和位于其轴向后端的用于出气的开口，优选地，该用于出气的开口连接至燃烧室。机轴沿壳体轴线延伸，并且在机轴上沿轴向方向连续布置有多个由涡轮驱动的叶轮。每个叶轮包括多个基本相同的结构清晰的叶片，叶片的平面相对于轴向方向倾斜。当叶片绕机轴转动时，由于叶片的几何形状使空气通过压缩机通道输送，在叶轮后面下游的空气相对于叶轮前面上游的空气受到了压缩。因此，在工作状态下，对于每个叶轮而言，叶轮上游的气压与叶轮下游的气压之间存在某一压缩比。该压缩比例如与叶轮的几何形状和/或叶轮的转速有关。

通常在实际应用中会使用多级压缩机，在多级压缩机中多个叶轮依次布置在压缩机通道中，以使在压缩机中流动的空气逐步压缩至期望的压缩水平。

压缩机组件效率的提高呈现出用于涡轮机整体的巨大潜力。因此，发动机制造商争取借助于现代设计方法，进一步优化压缩机层级的构造，特别是叶片外形，从而通过这种方法达到流动流体的更高的能量转化率。这种追求当然是有物理界限的。经受过强的气体动力学负载的压缩机几何结构趋向于增强压缩机叶片上的流分离，流分离会损坏发动机或可导致发动机的故障。因此，在设计压缩机时必须始终注意充分的安全缓冲，从而能够在发动机高负荷下和极端航行情况中一直避免流分离。稳定作业线下降至远低于发动机的稳定极限意味着为安全攸关的运行状态提供充分保护，但这样降低了可完成的压缩比并因此限制了系统效率。

涡轮压缩机的稳定工作会受限于多种因素。涌入障碍或者短暂的负荷变化都能对发动机中的流造成不利影响。对由于发动机的老化而频繁观察到的稳定行为的减少，一个更深的原因就是在壳体和转子间增大的间距(所谓的径向间隙)。

这些因素能够导致叶轮局部的缺陷入流，该缺陷入流可导致压缩机结构吸入侧的流分离。由此会造成相关的叶片通道受阻。通常，首先只是壳体附近区域受到该阻碍的影响，这不仅会导致径向方向上的流减小，而且还会导致圆周方向上的流减小。一旦达到这种状态，由于在该叶片通道中缺乏能量转换而使压缩机压力比明显下降，并且在其出口处出现强烈扰动的流。压力损失随流向在压缩机层级上持续增大。

图1示意性地示出在压缩机叶栅中的这种流分离。通过前面所述的流偏转，入射角α由叶片结构至叶片结构发生变化，直至最终在邻近的结构达到临界入射角，该入射角导致了在该结构上的流分离。流体的偏移造成了最初受影响的叶片通道然后又流入充足的流并得到缓解，以致于可以抵消分流和通道的阻碍。扰动延续到下一个叶片并向转子转动的反方向移动通过压缩机叶栅。在其区域中以减小的质量流量及小于转子转速的速度流动的这样的扰动，通常称作旋转失速(英语“rotating stall”)。