專利名稱：一種非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能明顯提高軸流壓氣機穩(wěn)定裕度而又能同時提高其絕熱效 率的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器。
背景技術：
軸流壓氣機大量運用在航空發(fā)動機和工業(yè)生產(chǎn)中。但是在壓氣機的設計發(fā)展過 程中，壓氣機的不穩(wěn)定流動，如旋轉(zhuǎn)失速、喘振等，極大地限制了壓氣機性能的進一 步提升。發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，存在一個或多個低能失速團沿壓氣機周向旋轉(zhuǎn)，壓氣機的 性能會突然下降，流量、壓比和效率均降至最低點，并且會對壓氣機葉片產(chǎn)生周期性 的激振力，甚至引起喘振的發(fā)生，危害極大。因此人們采取了很多方法來推遲壓氣機 發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速等不穩(wěn)定現(xiàn)象，以擴大其穩(wěn)定工作裕度。
為了擴大壓氣機的穩(wěn)定裕度，國內(nèi)外工作者做了很多研究工作，有主動控制的， 也有被動控制的。其中，處理機匣技術的擴穩(wěn)效果被認為非常明顯，且實用性很強， 因而得到了比較廣泛的應用。目前國內(nèi)外很多先進航空發(fā)動機機所用的壓氣機均釆用 了這項技術。圖1 —圖3給出了三種典型的處理機匣結(jié)構(gòu)形式。
如圖1所示，軸向斜槽處理機匣是在機匣上沿壓氣機的軸向開槽，其槽深方向 與壓氣機的徑向成一定夾角。當槽深方向?qū)蕘砹鞣较驎r，無論來流是均勻流或發(fā)生 進口畸變，失速裕度都有較大改善。
如圖2所示，弦向斜槽處理機匣是在機匣上沿葉尖基元的弦向開槽，槽深方向 可以有不同的夾角，并且可以通過氣室連通所有弦向槽。
如圖3所示，反旋渦淺槽處理機匣是根據(jù)葉片通道中已知旋渦的方向和強度， 在機匣上沿壓氣機軸向開無氣室的三角槽，當葉片掃過這些處理槽時，通過機匣壁面 曲率上的變化，產(chǎn)生與已知渦量反向的渦量，并與葉片通道中的已知旋渦抵消，從而 使失速裕度得到提高。但是，包括上述三種典型結(jié)構(gòu)處理機匣在內(nèi)的傳統(tǒng)處理機匣在擴大軸流壓氣機 穩(wěn)定裕度的同時，不得不付出降低壓氣機的絕熱效率為代價。這種代價通常為1% — 3%左右。在航空發(fā)動機上，壓氣機的絕熱效率的下降意味著燃油消耗會更多。因此， 絕熱效率的下降成為傳統(tǒng)處理機匣技術最致命的缺點，并且限制了處理機匣獲得更廣 泛的應用。
如前所述，當軸流壓氣機發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，會產(chǎn)生一個或多個低能失速團沿周 向旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生沿周向變化和傳播的強烈氣流脈動。此時的壓氣機流場是典型的非 軸對稱流場。而傳統(tǒng)的處理機匣都是軸對稱結(jié)構(gòu)的，沒有考慮到軸流壓氣機發(fā)生旋轉(zhuǎn) 失速時流場的嚴重非軸對稱性是其又一缺點。
到目前為止，傳統(tǒng)的處理機匣都是以經(jīng)驗為依據(jù)設計的。對于軸流壓氣機內(nèi)部 因轉(zhuǎn)/靜部件的相對旋轉(zhuǎn)所固有的非定常特性，并未充分考慮到處理機匣的設計過程 中。因此，如何從壓氣機內(nèi)部的非定常流動入手，對現(xiàn)有處理機匣技術進行改進成為 一種需要。
發(fā)明 內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有處理機匣技術存在的缺點，本實用新型提供一種代替現(xiàn)有處理機匣
的非軸對稱結(jié)構(gòu)的葉尖激勵發(fā)生器。
一種非軸對稱結(jié)構(gòu)的葉尖激勵發(fā)生器，包括一個處理環(huán)和一個或兩個調(diào)距環(huán)，調(diào)
距環(huán)在軸向上緊貼處理環(huán)，用于調(diào)節(jié)處理環(huán)的軸向位置，其特征是，處理環(huán)開有非軸
對稱分布的處理槽。
該非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器所述的處理槽的結(jié)構(gòu)可以是軸向斜槽、弦向斜槽、圓 弧斜槽、反漩渦淺槽或嵌葉片式處理槽等多種結(jié)構(gòu)形式中的一種。按處理槽的周向位 置不同，可以將此處理環(huán)分為一個或多個激勵區(qū)， 一個或多個實壁區(qū)。激勵區(qū)和實壁 區(qū)相間分布。激勵區(qū)內(nèi)開有三個以上的處理槽，且壓氣機的單個轉(zhuǎn)子通道對應的處理 槽數(shù)為3-8，實壁區(qū)內(nèi)沒有處理槽。激勵區(qū)的周向長度應大于一個壓氣機轉(zhuǎn)子通道 的葉尖柵距。實壁區(qū)的周向長度也應大于一個壓氣機轉(zhuǎn)子通道的葉尖柵距。所有激勵 區(qū)所對應的扇形角之和《相對于所有實壁區(qū)所對應的扇形角之和/ 的比值"/" = 1/5~5。對于包括多個激勵區(qū)和實壁區(qū)的處理環(huán)，不同的激勵區(qū)的周向長度既 可以一樣又可以不一樣，不同的實壁區(qū)的周向長度既可以一樣也可以不一樣。
本實用新型所述的葉尖激勵發(fā)生器在軸流壓氣機中的位置為在壓氣機轉(zhuǎn)子葉片 尖部的上方，并在軸向上相對葉片有相當于轉(zhuǎn)子葉尖弦長50%左右的前伸量。該葉 尖激勵發(fā)生器在設計的過程中考慮到了軸流壓氣機內(nèi)部流場的非定常性，特別針對軸 流壓氣發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時的非軸對稱流場設計了開有非軸對稱分布的處理槽的處理環(huán)。 這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)S流壓氣機的葉尖流場產(chǎn)生明顯的非定常激勵作用，使得流場變得更 為有序，因而將之稱為非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的具有軸對稱分布的 處理槽的處理機匣。
本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器能夠取得比傳統(tǒng)處理機匣更好的效 果，除了能顯著提高軸流壓氣機的穩(wěn)定裕度之外，還能提高絕熱效率1%左右。


圖1為典型的具有軸對稱分布的軸向斜槽結(jié)構(gòu)的處理機匣示意圖(圖中箭頭方向 為葉片旋轉(zhuǎn)方向)；
圖2為典型的具有軸對稱分布的弦向斜槽結(jié)構(gòu)的處理機匣示意圖(圖中箭頭方向 為葉片旋轉(zhuǎn)方向)；
圖3為典型的具有軸對稱分布的反漩渦淺槽結(jié)構(gòu)的處理機匣示意圖(圖中箭頭方 向為葉片旋轉(zhuǎn)方向)；
圖4為一種新型的具有軸對稱分布的圓弧斜槽結(jié)構(gòu)的處理機匣示意圖(圖中箭頭 方向為壓氣機軸向)；
圖5為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的一種實施例的軸剖視圖6為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第一種典型實施例的處理 環(huán)的垂直軸截面的剖視圖7為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第二種典型實施例的處理 環(huán)的垂直截面的剖視圖；圖8為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第三種典型實施例的處理 環(huán)的垂直截面的剖視圖9為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第一種典型實施例應用在 軸流壓氣機中所取得的壓氣機效率特性圖10為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第一種典型實施例應用在 軸流壓氣機中所取得的壓氣機效率特性局部放大圖11為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第一種典型實施例應用在 軸流壓氣機中所取得的壓氣機總壓升特性圖。
具體實施方式
為更清楚描述本實用新型，
以下結(jié)合附圖對本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵 發(fā)生器的幾種典型實施例進行說明。
圖5為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的一種實施例的軸剖視圖。 此非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器由一個處理環(huán)1和兩個調(diào)距環(huán)2組成。處理環(huán)1在壓氣 機轉(zhuǎn)子葉片3的上方，并且相對轉(zhuǎn)子葉片3的軸向位置為保持相當于轉(zhuǎn)子葉片3的 葉尖部位軸向長度的50%的前伸量。
熟悉本領域的人員容易想到，在其它實施例中，通過調(diào)整調(diào)距環(huán)2的軸向?qū)挾龋?處理環(huán)1的軸向位置可以相對于此實施例所述軸向位置往前或往后移動，處理環(huán)1 前方的調(diào)距環(huán)2或者后方的調(diào)距環(huán)2可以去掉其中任何一個。
圖6為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第一種典型實施例的處理 環(huán)1的垂直軸截面的剖視圖。此處理環(huán)1由兩個激勵區(qū)4和兩個實壁區(qū)5組成。兩 個激勵區(qū)4的周向長度一樣，其所對應的扇形角a,和A均為90度。處理環(huán)1在兩 個激勵區(qū)4內(nèi)等間距地各開有9個處理槽6，壓氣機的單個轉(zhuǎn)子通道所對應的處理槽 6的數(shù)目為3，此處理槽的結(jié)構(gòu)形式為如圖4所示的一種新型的圓弧斜槽結(jié)構(gòu)。此激 勵區(qū)4的周向長度應大于兩個轉(zhuǎn)子葉片3所夾的通道的葉尖柵距t。處理環(huán)1在兩個 實壁區(qū)5內(nèi)的內(nèi)壁為光壁，沒有開任何形式的處理槽，其所對應的扇形角A和A分別為118度和72度。這個實施例所述的激勵區(qū)4和實壁區(qū)5對應的扇形角之和的 比值為(",+"2)/(/ ,+/ 2) = 1。
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同軸流壓氣機上，上述實施例激勵區(qū)4內(nèi) 的處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數(shù)值， 而且處理槽6在周向上可以是非等間距分布。
圖7為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第二種典型實施例的處理環(huán) 的垂直截面的剖視圖。此處理環(huán)1由一個激勵區(qū)4和一個實壁區(qū)5組成。激勵區(qū)4 所對應的扇形角"為60度。激勵區(qū)4內(nèi)等間距地開有7個處理槽6，壓氣機的單個 轉(zhuǎn)子通道所對應的處理槽6的數(shù)目為7，此處理槽的結(jié)構(gòu)形式為如圖1所示的一種典 型的軸向斜槽結(jié)構(gòu)。實壁區(qū)5范圍內(nèi)的處理環(huán)1的內(nèi)壁為光壁，沒有開任何形式的 處理槽，其所對應的扇形角/ 為300度。這個實施例所述的激勵區(qū)4和實壁區(qū)5對 應的扇形角的比值為"/〃 = 1/5。
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同軸流壓氣機上，上述實施例激勵區(qū)4 內(nèi)的處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數(shù) 值，而且處理槽6在周向上可以是非等間距分布。
圖8為本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器的第三種典型實施例的處理環(huán) 的垂直截面的剖視圖。此處理環(huán)1由三個激勵區(qū)4和三個實壁區(qū)5組成。三個激勵 區(qū)4所對應的扇形角",、"2和《3均為100度。激勵區(qū)4內(nèi)等間距地開有10個處理 槽6,壓氣機的單個轉(zhuǎn)子通道所對應的處理槽6的數(shù)目為4，此處理槽的結(jié)構(gòu)形式為 如圖2所示的一種典型的弦向斜槽結(jié)構(gòu)。實壁區(qū)5范圍內(nèi)的處理環(huán)1的內(nèi)壁為光壁， 沒有開任何形式的處理槽，其所對應的扇形角A、 A和A均為20度。這個實施例 所述的激勵區(qū)4和實壁區(qū)5對應的扇形角之和的比值為 (a,+a2+"3)/(A+爲+A卜5。
熟悉本領域的人員會意識到，應用在不同軸流壓氣機上，上述實施例激勵區(qū)4 內(nèi)的處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機的流場的非定常特征改為大于2的任何數(shù) 值，而且處理槽6在周向上可以是非等間距分布?？偨Y(jié)上述三種典型實施例的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器可以發(fā)現(xiàn)，本實用新型所述 的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器相對于傳統(tǒng)的處理機匣，最主要的特征在于處理環(huán)上開有 非軸對稱分布的處理槽，并且處理槽的數(shù)目和軸向位置等參數(shù)是經(jīng)過對壓氣機的流場 進行非定常分析后確定的。
圖9一圖11反映了上述第一種典型實施例的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器應用在軸 流壓氣機上所取得的優(yōu)于傳統(tǒng)處理機匣的效果。圖中，實線和實心點所指為軸流壓氣 機在100%轉(zhuǎn)速的工作條件下的特性，虛線和空心點所指為軸流壓氣機在85%轉(zhuǎn)速 的工作條件下的特性；A所指的是沒有任何處理槽的光壁機匣應用的情況，B為沿壓 氣機全周都開有軸對稱分布的處理槽的處理機匣應用的情況，C為本實用新型所述的 非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器應用的情況。其中，圖io為壓氣機效率特性的局部放大圖。 從圖9一11可以清楚地看到應用本實用新型所述的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器時，不 僅能使軸流壓氣機能正常工作的流量范圍大大增加(穩(wěn)定裕度增加16%),同時使得 總壓升特性在小流量情況下有明顯提升，還能使該軸流壓氣機的絕熱效率最高提高 1.2%，。而圖9-10中所示的處理機匣應用在軸流壓氣機上時，使得該軸流壓氣機 的絕熱效率下降約1%。可見，對于軸流壓氣機來說，本實用新型所述的非軸對稱葉 尖激勵發(fā)生器相對于傳統(tǒng)的處理機匣技術具有明顯的進步。
權利要求1、一種非軸對稱結(jié)構(gòu)的葉尖激勵發(fā)生器，包括一個處理環(huán)和一個或兩個調(diào)距環(huán)，調(diào)距環(huán)在軸向上緊貼處理環(huán)，其特征是，處理環(huán)開有非軸對稱分布的處理槽。
2、 如權利要求1所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的處理環(huán)包括一個以上各 開有三個以上處理槽的激勵區(qū)， 一個以上無處理槽的實壁區(qū)。
3、 如權利要求1所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的處理槽的結(jié)構(gòu)是軸向斜 槽、弦向斜槽、反漩渦淺槽、圓弧斜槽或嵌葉片式處理槽多種結(jié)構(gòu)形式中的一種。
4、 如權利要求2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的激勵區(qū)和實壁區(qū)間隔分 布。
5、 如權利要求2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的激勵區(qū)或?qū)嵄趨^(qū)的周向 長度應大于一個壓氣機轉(zhuǎn)子通道的葉尖柵距。
6、 如權利要求2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的激勵區(qū)所對應的扇形角 之和"相對于所述的實壁區(qū)所對應的扇形角之和〃 的比值"/〃 = 1/5 ~5 。
7、 如權利要求1或2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的處理槽在激勵區(qū)內(nèi) 等間距或非等間距分布，壓氣機的單個轉(zhuǎn)子通道對應的處理槽數(shù)為3 ~ 8 。
8、 如權利要求2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的激勵區(qū)至少為兩個，不 同激勵區(qū)的周向長度相同或不同。
9、 如權利要求2所述的葉尖激勵發(fā)生器，其特征是，所述的實壁區(qū)至少為兩個，不 同實壁區(qū)的周向長度相同或不同。
專利摘要本實用新型涉及一種應用在軸流壓氣機上的非軸對稱葉尖激勵發(fā)生器。該葉尖激勵發(fā)生器包括一個開有非軸對稱分布的處理槽的處理環(huán)，以及一個或兩個調(diào)距環(huán)。該處理環(huán)包括開有處理槽的激勵區(qū)和無處理槽的實壁區(qū)。該葉尖激勵發(fā)生器的設計考慮到了軸流壓氣機發(fā)生失速時的非軸對稱流場和流場的固有非定常性，對壓氣機轉(zhuǎn)子的葉尖流場產(chǎn)生激勵作用，并能取得比現(xiàn)有處理機匣技術更好的效果，除了能明顯擴大壓氣機的穩(wěn)定裕度外，還能保證壓氣機的增壓能力不降低或有所提升，提高壓氣機的絕熱效率1％左右。
文檔編號F04D29/52GK201152282SQ20072017337
公開日2008年11月19日 申請日期2007年9月26日 優(yōu)先權日2007年9月26日
發(fā)明者劉建勇, 盛 周, 巍 袁 申請人:北京航空航天大學