[发明专利]基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法。

背景技术

轴流压气机作为燃气轮机/航空发动机的关键部件之一，如何提高其工作稳定性一直是叶轮机械领域研究的热点和难点。目前国际上对提高稳定性裕度的扩稳措施进行了各种探索，主要包括可调叶片，机匣处理(周向槽和轴向缝)，叶顶喷气，大小叶片以及中间级放气等。

叶顶喷气作为一种有效的控制手段在国际引起了广泛的关注，并对其扩稳机制以及与压气机流动失稳的关联性进行了大量的研究。剑桥大学的Day等人采用叶顶喷气抑制失速先兆的起始来实现扩稳的目的。MIT的Weigl等人则利用叶顶喷气产生与失速先兆相位相反的控制波来抑制扰动的发展，达到扩稳的目的。聂超群等人在低速轴流压气机上采用叶顶微喷气成功的拓宽了其稳定工作范围，并得出了叶顶微喷气具有非定常的响应机制。童志庭和耿少娟分别从实验和数值计算的角度对叶顶微喷气与叶顶间隙泄漏流非定常性及失速之间的关联性进行了分析研究，得出了叶顶微喷气能够作用于叶顶间隙泄漏涡，通过改变叶顶间隙泄漏流轨迹来提高压气机的稳定裕度。本发明人也从实验上进一步证明了叶顶喷气与压气机进出口气动参数、叶顶间隙泄漏流非定常性的关系，并得出了喷气动量比分界点前后对应的扩稳机制的区别和联系。这些结论都证实了：对于一定叶顶间隙的轴流压气机而言，叶顶喷气均能够通过影响叶顶间隙泄漏流轨迹来达到扩稳的目的，在低速轴流压气机上也证实了叶顶间隙泄漏流非定常性向旋转失速的过渡。

另一方面，杜娟等人在跨音压气机上证实了主流与泄漏流交界面前缘溢出会诱发突尖型失速先兆的产生。林峰等人通过对国内外学者对失速研究的总结，得出了目前轴流压气机失速的两条主要基本途径：1.叶片通道分离堵塞；2.主流与泄漏流交界面前缘溢出；而且存在一个临界间隙，使得这两种基本途径之间可以相互转化。基于此，对于存在一定叶顶间隙的轴流压气机而言，叶顶间隙泄漏必然会发生，这也会影响压气机的稳定工作范围。因此，有必要采取一定的措施来控制叶顶间隙的大小，减小叶顶间隙泄漏，就会推迟主流与泄漏流交界面前缘溢出，实现扩稳的目的。

但是，由于目前采用叶顶喷气大多数是外部引气，这在实际的燃气轮机/航空发动机上应用会受到限制。虽然发明人前期在低速和跨音压气机对外部引气进行改进，采用自循环喷气进行了实验研究，也取得了不错的扩稳效果，但是在多级轴流压气机上后面级向前面级引气时需要布置很复杂的管道，在管道设计和布置上会带来很大的难度，显然需要设计更加合理可靠的自循环喷气方法。

另外，随着压气机性能的不断提高，如何更好地减小流动损失变得更加具有挑战性。众所周知，由于压气机通道内部流动是一种具有粘性、逆压梯度、非定常流动等特点的三维流动，大量的实验和数值计算研究表明，在出口背压较高的小流量工况下，轮毂-角区失速的出现是压气机静子内部流动堵塞和损失增加的主要原因，其限制了压气机压升能力并使得效率降低。美国麻省理工学院的Lei在研究时发现在压气机出口静压提高到一定程度时，端壁和吸力面会同时发生回流的严重分离现象。轮毂-角区分离涡会向上卷起和吸力面的脱落涡掺混，造成通道堵塞并增加总压损失。美国麻省理工学院的Kerrebrock等利用附面层抽吸控制叶片和端壁的气流分离，使叶片负荷大大增加。

北京航空航天大学周海等人的数值模拟研究表明，附面层抽吸使跨声速压气机转子ATS-2的压比和效率明显上升。哈尔滨工业大学王松涛等人的研究表明附面层抽吸技术是解决大折转角叶栅分离与失速的有效手段。西北工业大学的王掩刚等人针对端壁抽吸进行了很多研究，主要关注的是平面叶栅动叶表面或者静叶表面的抽吸。而哈尔滨工业大学则针对实际压气机的轮毂-角区涡引发分离堵塞的原因设计了相应的弯掠叶片进行控制，并能够有效减小叶片吸力面的分离损失，提高压气机的效率，拓宽压气机的稳定工作裕度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为了能够同时抑制后面级潜流、角区涡等引起损失的二次流动现象发生，以及对多级轴流压气机前面级动叶采取叶顶间隙控制提高压气机的稳定性，将后面级轮毂端壁抽吸与前面级动叶转子的叶顶喷气相结合，本发明的目的是提供一种基于多级轴流压气机轮毂端壁自循环抽吸喷气装置及方法。

(二)技术方案