專利名稱：一種周向不連續(xù)分布的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱渦扇發(fā)動(dòng)機(jī))空氣系統(tǒng)氣源引氣裝置的設(shè) 計(jì)，是一種利用空氣系統(tǒng)氣源引氣提升壓氣機(jī)性能的引氣槽設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，主燃?xì)饬饕酝獾囊恍?duì)飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)的安全和有效工 作有重要功能的氣流構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣系統(tǒng)。根據(jù)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，空氣系統(tǒng) 從發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中引氣，將具有適當(dāng)壓力和溫度的空氣用于座艙空調(diào)和增壓、機(jī)翼熱防冰、 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口防冰和發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻等方面。研究表明，空氣系統(tǒng)所需的氣流大部分由 壓氣機(jī)出口外分流獲得，小部分由壓氣機(jī)中間引出。出口分流的氣流量雖然很大，但對(duì)壓氣 機(jī)性能影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。壓氣機(jī)中間引出的氣流雖然只占到主流流量的3% -5%，其 位置的特殊性決定了將會(huì)對(duì)壓氣機(jī)的性能產(chǎn)生重要的影響。目前，現(xiàn)役的航空渦輪風(fēng)扇發(fā) 動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中，空氣系統(tǒng)在壓氣機(jī)中間引氣的裝置主要采用在葉排軸向間 隙的機(jī)匣或輪轂端壁處打孔或開(kāi)周向槽的形式。引氣滿足了空氣系統(tǒng)各功能的需求，但從壓氣機(jī)中間引出高溫壓縮氣體降低了發(fā) 動(dòng)機(jī)的整機(jī)做功能力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不利。另外，氣流從壓氣機(jī)的主流中引出，若裝置設(shè) 計(jì)不合理，還會(huì)增加流動(dòng)損失，引發(fā)壓氣機(jī)主流的不穩(wěn)定流動(dòng)?？諝庀到y(tǒng)各功能需求與引氣 之后發(fā)動(dòng)機(jī)和壓氣機(jī)性能的不利影響之間的矛盾一直沒(méi)有得到很好的解決。能否將空氣系統(tǒng)的氣源引氣作為流動(dòng)控制的方式與影響壓氣機(jī)性能的流場(chǎng)現(xiàn)象 相結(jié)合達(dá)到提升壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的呢？引氣能夠吸除壓氣機(jī)端壁區(qū)域的低能流 體減小流動(dòng)堵塞，其作用的機(jī)理自從1904年P(guān)randtl的附面層吸氣實(shí)驗(yàn)之后，已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于外流和內(nèi)流的流動(dòng)控制領(lǐng)域。本課題組在國(guó)際上首次提出了軸流壓氣機(jī)內(nèi)的“非定常 耦合流動(dòng)”理論，并將其應(yīng)用于提升壓氣機(jī)性能的研究，發(fā)展了一套“非對(duì)稱流動(dòng)控制”技 術(shù)。本課題組低速尾流撞擊試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)表明，利用“非對(duì)稱流動(dòng)控制”技術(shù)可以將單 一的激勵(lì)頻率變成包含多個(gè)副頻率信號(hào)的激勵(lì)頻率帶，并提供低頻率激勵(lì)信號(hào)，其非定常 激勵(lì)整流作用更加顯著。上述的研究為空氣系統(tǒng)引氣的利用奠定了理論基礎(chǔ)。在這一基礎(chǔ) 上，本課題組發(fā)明了一種周向不連續(xù)分布的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用該方法，針對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的旋渦流動(dòng)產(chǎn)生的堵塞導(dǎo)致壓氣機(jī)性能下降并 引發(fā)失速的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠消除轉(zhuǎn)子葉尖端區(qū)流動(dòng)堵塞和損失的引氣槽，并按照“非定常 耦合流動(dòng)”理論和“非對(duì)稱流動(dòng)控制”技術(shù)設(shè)計(jì)了引氣槽在機(jī)匣周向上的分布形式。初步的 數(shù)值模擬結(jié)果表明，引氣槽減小了轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的旋渦流動(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)堵塞和損失。引 氣槽周向不連續(xù)的分布形式為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖流場(chǎng)提供了兩個(gè)合適的高頻率帶和低頻率 帶激勵(lì)信號(hào)。轉(zhuǎn)子葉尖間隙區(qū)域的泄漏流旋渦流場(chǎng)能夠感受到在引氣槽所在區(qū)域連續(xù)經(jīng)過(guò) 多個(gè)引氣槽時(shí)產(chǎn)生的高頻率的激勵(lì)信號(hào)，也能夠感受到引氣槽所在區(qū)域與無(wú)引氣槽區(qū)域間 隔交替產(chǎn)生的低頻率激勵(lì)信號(hào)。這兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖間隙區(qū)域的泄漏流旋渦流 場(chǎng)產(chǎn)生耦合激勵(lì)，使得轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流的旋渦流動(dòng)變得更加有序。此外，周向不連續(xù)分布的引氣槽改變了壓氣機(jī)失速時(shí)失速團(tuán)的個(gè)數(shù)并減弱了失速團(tuán)的強(qiáng)度和影響范圍，從而在提升 壓氣機(jī)增壓能力的同時(shí)，拓寬了壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度。壓氣機(jī)性能的提高帶來(lái)了發(fā)動(dòng)機(jī) 性能的改善。應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的引氣槽結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，不會(huì)較大的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，因 此具有較大的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是將空氣系統(tǒng)的氣源引氣作為流動(dòng)控制和非定常耦合激勵(lì)的方 式，提升壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在符合空氣系統(tǒng)氣源需求的 轉(zhuǎn)子機(jī)匣上設(shè)置引氣槽，如

圖1所示。引氣槽在周向上呈不連續(xù)分布的形式，如圖3所示。 轉(zhuǎn)子機(jī)匣上的引氣可以減小由轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動(dòng)產(chǎn)生的堵塞和損失，而引氣槽的不連 續(xù)分布可以對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動(dòng)施加兩個(gè)周期性的非定常激勵(lì)。兩個(gè)作用相結(jié)合，從 而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。周向不連續(xù)分布的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)計(jì)方法有效與否的關(guān)鍵在于根據(jù)轉(zhuǎn) 子葉尖間隙泄漏流發(fā)展情況和泄漏流旋渦特征頻率而設(shè)計(jì)得到幾何結(jié)構(gòu)特征。其結(jié)構(gòu)示意 圖如圖1、圖3、圖4所示，槽的截面為矩形。具體幾何參數(shù)的選擇如下(1)引氣槽軸向位置的確定，圖1所示引氣槽軸向位置的確定依賴于轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動(dòng)及其產(chǎn)生的流動(dòng)堵塞和損 失的發(fā)展，因此，引氣槽的前端位置應(yīng)位于轉(zhuǎn)子葉尖泄漏流旋渦起始點(diǎn)的下游?？梢酝ㄟ^(guò)前 期的數(shù)值模擬預(yù)估的方法大致確定。一般來(lái)說(shuō)，其大概范圍為L(zhǎng)l = 0. 3Lb 0. 5Lb上式中k為引氣槽前端距轉(zhuǎn)子葉片前緣的軸向距離，LB為轉(zhuǎn)子葉尖基元級(jí)葉型的 軸向弦長(zhǎng)。引氣槽的軸向投影長(zhǎng)度LH，其初步取值在一定范圍變化Lh = 0. 5Lb 0. 7Lb引氣槽的軸向長(zhǎng)度和前端位置確定以后，其位置即可確定。當(dāng)引氣槽后端位置受 下游靜子進(jìn)口的限制而不能向后延伸時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整槽的軸向長(zhǎng)度并保證與靜子不相干 涉的情況下盡量取大的值。(2)引氣槽徑向傾斜角ah的確定圖1中，槽的下游端面與機(jī)匣表面的交角定義為槽的徑向傾斜角a h，其取值范圍 一般為ah = 60° 90°。Cih的取值會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，但Cih越小，從壓氣機(jī)主 流進(jìn)入引氣槽的氣流轉(zhuǎn)角越小，引氣槽內(nèi)的流動(dòng)堵塞和壓力損失就越小。(3)引氣槽高度h的確定圖1中，引氣槽的高度為h。引氣槽的高度影響進(jìn)入槽道氣流的流通效果，一般取 為h = 1. OLh 2. OLhh的大小受到發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制。當(dāng)h> LOLh時(shí)，引氣槽出口的氣流流動(dòng)均勻， 流動(dòng)傳輸損失小。(4)引氣槽數(shù)目N和周向位置的確定
引氣槽的主要控制對(duì)象為葉尖間隙區(qū)域的泄漏流旋渦流場(chǎng)，因此，引氣槽數(shù)與該 泄漏流旋渦流場(chǎng)的主要特征頻率以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相關(guān)。先得到全周向均勻分布的引氣槽數(shù) 目，其具體取值為
權(quán)利要求
1.一種周向不連續(xù)分布的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)計(jì)方法，其特征在于所設(shè)計(jì)引氣槽 的幾何結(jié)構(gòu)和周向分布方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)，其特征在于引氣槽的軸向位置是通過(guò) 前期的數(shù)值模擬預(yù)估轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流旋渦運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的流動(dòng)堵塞和損失的位置來(lái) 確定，引氣槽前端距轉(zhuǎn)子葉片前緣的軸向距離k以及引氣槽的軸向投影長(zhǎng)度Lh分別為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)，其特征在于引氣槽徑向傾斜角Cih= 60° 90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)，其特征在于引氣槽高度h=1.0Lh
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)和周向分布方式，其特征在于引氣槽的 數(shù)目N和周向位置分布按如下步驟確定(1)先得到全周向均勻分布的引氣槽數(shù)目Ntl，其具體取值為6Q.幾—，其
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)，其特征在于引氣槽的寬度d按如下公 jμ·δ^^ -· =ητ TZ dn，其中，M為壓氣機(jī)iiH十點(diǎn)主、流流量，δ為空氣系統(tǒng)在壓氣機(jī) p-lhv b^mah中間的引氣量占?jí)簹鈾C(jī)主流流量的百分比，P為引氣槽所在位置處的氣流密度，Vb為引氣 速度，Vb 一般取為VB = 0.加 0. 6a, a為當(dāng)?shù)芈曀佟?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的引氣槽的幾何結(jié)構(gòu)，其特征在于引氣槽安裝角C^=αΒ，其 中，《 引氣槽所在的轉(zhuǎn)子葉片的安裝角。
全文摘要
一種周向不連續(xù)分布的發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)計(jì)方法，將空氣系統(tǒng)的氣源引氣作為流動(dòng)控制和非定常激勵(lì)的方式，與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖流場(chǎng)的間隙泄漏流動(dòng)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)引氣吸除葉尖泄漏流產(chǎn)生的堵塞和損失，利用周向不連續(xù)的引氣槽布置方式實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖流場(chǎng)的多頻率非定常激勵(lì)，二者相結(jié)合，提升壓氣機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本發(fā)明將空氣系統(tǒng)引氣槽設(shè)置在轉(zhuǎn)子機(jī)匣上，并利用引氣槽的周向不連續(xù)分布產(chǎn)生多頻率的非定常激勵(lì)，是非定常耦合流動(dòng)理論在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的新應(yīng)用，也是對(duì)空氣系統(tǒng)引氣裝置設(shè)計(jì)的探索和創(chuàng)新。
文檔編號(hào)F02C7/00GK102094850SQ20101062138
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者周盛, 宋西鎮(zhèn), 李紹斌, 趙斌 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)