[发明专利]一种用于端壁附面层抽吸的压气机轮缘机匣结构

说明书

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，适用于航空发动机、舰载燃气轮机以及地面燃气轮机等叶轮机械的一种用于降低轮缘机匣处流动损失，提高叶轮机械工作效率，降低能源消耗，扩大稳定工作裕度的附面层抽吸结构。

现有技术

随着世界航空动力装置的迅猛发展，发动机推重比逐年升高，压气机轴向尺寸越来越短，级间负荷显著升高，采用常规的叶型设计方法已经不能满足气动要求。同时世界能源危机在逐年加剧，节能减排的呼声越来越高。作为能源消耗的大户，航空发动机、舰载燃气轮机及地面燃气轮机的效率提升迫不及待。近年来在燃气轮机的设计过程中引入了大量的流动控制技术，这些技术为高负荷、高效率的实现提供了可能。

附面层抽吸技术作为一种主动流动控制技术，早在1904年就已经开始了相关的实验研究工作。随着世界航空动力装置的迅猛发展，附面层抽吸技术作为提高发动机性能的有效技术之一越来越受到重视。由美国麻省理工学院(MIT)主导的高负荷吸附式风扇/压气机气动结构设计逐渐兴起，并且获得了显著地效果。其主要思路是通过在压气机内部发生分离的叶片表面或者叶片通道上下端壁处设置抽吸孔或者抽吸槽，将流动紊乱区域的部分流体抽出，延迟或者消除分离的气流；流场中伴随有激波发生时，附面层抽吸能够改善激波-附面层的相互干扰，减小分离损失，增加叶片载荷，减少叶片数目同时获得期望的压比和效率。在文献J.L.Kerrebrock,D.P.Reijnan,W.S.Ziminsky,L.M.Smilg.Aspirated compressors[J].ASME Paper.1997,97-GT-525中，麻省理工学院（MIT）的Kerrebrock首次提出了吸气式压气机这一设计概念。之后MIT相继开展了高负荷吸附式风扇和吸附式压气机的研究，先后在两个孤立转子以及对转压气机上进行了吸附式实验研究，结果显示附面层抽吸可以有效地抑制叶型吸力面的气流分离现象，大幅提高转子的压比和效率，验证了附面层抽吸技术的可行性。图1为Merchant设计的吸附式风扇抽吸结构示意图，为了排除转子叶尖泄漏流的影响，其转子叶顶戴冠。图中B1、B2、B4为其在轮缘机匣上进行端壁附面层及低能流体吸除的抽吸结构示意图。在文献Gummer V,Goller M,Swoboda M.Numerical Investigation of End Wall Boundary Layer Removal on Highly Loaded Axial Compressor Blade Rows[J].Journal of Turbomachiner,2008,130:011015-1～011015-9中，Rolls-Royce公司利用商业软件NUMECA针对转、静子轮缘机匣处的端壁附面层抽吸进行了数值研究。数值结果显示，端壁附面层抽吸可以改善近端壁处的流动阻塞状况，降低流动损失。与国外相比，国内在这方面的研究起步较晚。大部分关于吸附式压气机的工作在于数值模拟阶段及吸附式叶栅试验研究阶段，有关整级吸附式压气机的试验研究工作相对较少，设计体系有待进一步建立和完善，关于压气机轮缘端壁附面层抽吸控制转子叶尖流动的研究更少。

本发明属于一种压气机轮缘机匣附面层抽吸结构，不同于传统的级间放气装置。如图2所示，随着抽吸环5的改变，端壁附面层抽吸方案变化可调。该结构结合近些年来兴起的附面层抽吸技术，既能够通过抽吸孔（或槽）对轮毂机匣壁面发展起来的低能流体进行移除，也可以利用抽吸孔（或槽）的处理机匣效果产生扩稳作用。通过附面层抽吸，该结构可以吸除低能高熵流体，改善端壁处的流动阻塞状况，增强转子叶尖做功能力提高叶轮机械的工作效率，扩大压气机的稳定工作范围。

发明内容

本发明能够实现轮毂机匣端壁处低能流体的抽吸。通过吸除轮毂机匣处的低能流体团，控制转子叶尖泄漏流的运行轨迹，改善转子尖部的流动情况和端壁区域的流动堵塞状况，增强压气机的流通能力，提高压气机的工作效率，抑制或延迟喘振现象的发生，提高压气机在非设计转速时的效率、压比特性以及稳定工作裕度。压气机通过轮毂机匣处的引气能够面对复杂的来流条件，正常工作在广阔的飞行包线内。

本发明的技术方案：参阅图2-4，一种用于端壁附面层抽吸的压气机轮缘机匣结构，主要包括若干个抽吸环5；所述抽吸环5为一环状壳体，其上下两个端面形成轴向定位面11，其内壁面为内壳曲面9，外壁面为外壳曲面10；抽吸环5上周向布有一排或多排抽吸孔8，抽吸孔8为连通内壳曲面9与外壳曲面10的任意形状的通孔；每排抽吸孔8的数量不少于2个，孔可以均匀分布或非均匀分布；