[发明专利]用于比较机匣处理方案扩稳能力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机及气动热力学技术领域，尤其涉及一种用于比较机匣处理方案扩稳能力的方法。

背景技术

多年来，压气机中的两种典型流动失稳现象，旋转失速(Rotating stall)和喘振(Surge)，因其流动的复杂性和危害后果的严重性，已成为严重制约高性能燃气轮机研发的最主要问题之一。现代压气机的失速特征，以叶尖发生的突尖形失速先兆(Spike-inception)为主。除主动控制技术，一些诸如掠叶片技术、叶片三维造型设计、可控扩散叶形、机匣处理、级间放气等被动控制措施均被用于压气机稳定性调控中。其中，自二十世纪六十年代末机匣处理在一次偶然的机会下被发现以来，已成为目前改善压气机工作范围的最有效的措施之一。由于机匣处理结构简单、加工方便、成本低廉且不用改变叶片几何或增加过多附加控制结构，再加上其扩稳效果稳定可靠，抗畸变能力强，已经被广泛应用在许多发动机型号中，如JT-9D发动机，PД-33发动机和国产的涡喷-7甲发动机等。经过半个多世纪的发展，面对现代高负荷压气机设计中面临的稳定工作裕度不足的问题，机匣处理已经成为当今最重要的扩大叶尖失速型压气机稳定性手段之一。

周向槽(Circumferential Grooves，简称CG)机匣处理的设计与应用一直是叶轮机械领域持久热议的题目。然而囿于压气机叶尖流动的强三维性、强非定常性和强复杂性，周向槽机匣处理在不同压气机的应用中，体现了很强的差异性。甚至是对于同一压气机来说，周向槽机匣处理在不同的转速下，其扩稳效果不具备规律性。因此，周向槽机匣处理的设计难以形成普适准则，现阶段周向槽的实际应用设计仍需依靠大量试验建立完备的数据库供以筛选，例如美国的GE公司和英国的Rolls-Royce公司，都投入了高昂的费用在机理性实验台上开展了大规模的周向槽机匣处理实验，用以建立完备的数据库，研制时间和研制成本都相应较高。

可见，不论是出自压气机本身的流动失稳的复杂性，还是囿于现有研究手段和机理认识的局限性，均对形成压气机周向槽机匣处理的设计普适性准则造成很大的障碍。现在针对周向槽有针对性的设计和筛选手段仍然缺乏，无法满足轴流压气机周向槽机匣处理设计初期缺乏设计准则，并且具有大量方案筛选的需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于比较机匣处理方案扩稳能力的方法，其可以用于在设计初期从大量机匣处理备选方案中初筛，从而大大缩减设计实验的工作量，更有针对性的确定机匣处理方案。

(二)技术方案

本发明用于比较机匣处理方案扩稳能力的方法包括：步骤A：对于光壁压气机进行URANS数值模拟，得到该光壁压气机在全流量工况内的总压比-流量特性曲线，确定近失速点SC_NS₁处的流量步骤B：对于采用第i种机匣扩稳方案的压气机，进行URANS数值模拟，确定其在流量下对应的总压比-流量特性点：CG_i_NS₁，……，其中，i＝1，2，……，I，I为待比较机匣扩稳方案的个数；步骤C：对于采用第i种机匣扩稳方案的压气机，在总压比流量特性点CG_i_NS₁工况下，在动叶端区内叶顶泄漏流的影响区域沿轴向构建M个离散的控制体，其中，i＝1，2，……，I；步骤D：对于采用第i种机匣扩稳方案的压气机，求取每一个控制体的轴向动量M_i，m，其中，m＝1，2，……，M，i＝1，2，……，I；步骤E：对于采用第i种机匣扩稳方案的压气机，寻找累加轴向动量最大值对应的轴向位置Z_{ac_peak_i}，其中，i＝1，2，……，I；以及步骤F：由轴向位置判断其对应机匣扩稳方案的扩稳能力，其中，轴向位置越大，代表主流和泄漏流的交界面越靠近下游，其对应的机匣处理方案扩稳能力越强。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明用于比较机匣处理方案扩稳能力的方法具有以下有益效果：

(1)利用控制体分析手段，提取复杂的流动现象和流场参数量化比较，简单明了；

(2)采用单通道数值模拟手段，本身具有快速的优点，可满足初期设计海量筛选的需求，提高周向槽设计的针对性；

(3)避免了依靠单通道三维数值模拟无法准确捕捉失速边界，难于准确预测扩稳效果的困难，无需计算各自失速点，只需要对光壁近失速点流量下的各种机匣处理方案进行比较即可对各方案的扩稳效果做出预测，预测结果准确可靠，大大节省了分析的时间和精力。

附图说明