[发明专利]一种转子叶尖被动射流的扩稳方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一类拓宽轴流风扇/压气机稳定工作裕度的方法，并且能保证风扇/压气机的压比、效率特性不降低。

背景技术

高推重比是航空发动机发展的大趋势，这就要求风扇/压气机必须提高级负荷以满足推重比的需求。风扇/压气机级负荷的提高使得叶栅流动更容易失稳。对风扇/压气机流动失稳现象的研究发现，转子叶尖的大尺度流动分离是造成流动失稳的主要原因。因此，对转子叶尖采取合理的流动控制是推迟风扇/压气机失速发生的主要方法之一。研究表明，主动的或者被动的转子叶尖射流能够有效的控制转子叶尖流动，拓宽压气机的稳定工作裕度。

目前，射流方法主要有两种实现手段：1.采用外部的射流源。这种方法在实验研究阶段较为有效，但由于需要外部气源，因此很难进入工程应用；2.从压气机后面级引高压气来对前面级进行射流。这种方法虽然避免了外部引气，但是射流改变了风扇/压气机的流量，影响了风扇/压气机的级间匹配，同时，由于引气源为后面级的高能气体，因此降低了风扇/压气机的性能，并且，附加的设备使得风扇/压气机重量增加，结构变得复杂。基于以上的分析，有必要对射流形式作出改进，使其能够方便的进入工程应用。

为了对射流形式作出改进，首先要了解射流扩稳的流动机理。一方面，对转子流动失稳的研究发现，随着转子负荷的提高，叶尖泄露涡的位置逐渐向流场上游偏移，当叶尖泄露涡达到相邻叶片的前缘时，失速即发生。另一方面，对转子叶尖射流技术的扩稳机理研究发现，射流速度与射流角度是影响射流扩稳效果的主要因素。当射流速度方向使转子叶尖基元处于零攻角附近工况时，射流的扩稳效果较好，在此基础上提高射流速度能进一步提高扩稳效果。分析射流对转子流场的作用发现，射流降低了转子叶尖负荷，并且将叶尖泄露涡向转子流场下游推移。综合以上的分析，可以得出如下结论：转子叶尖射流由于提高了转子叶尖的速度，因此叶尖泄露涡向流场下游推移，从而可有效的推迟失速的发生。

本发明在于通过风扇/压气机机匣的修型，使转子叶尖前缘形成一个局部的加速区，从而实现与转子叶尖射流类似的效果。本发明结构简单，不增加任何附加设施且具有明显的扩稳效果，因此具有较大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是在风扇/压气机转子叶尖前缘形成一个局部的加速区，将叶尖泄露涡的位置向转子下游推移，从而实现与转子叶尖射流相近的扩稳效果。

本发明所采用的技术是根据转子工作状态下轴向位置、叶尖间隙及转子叶尖轴向弦长对机匣进行局部修型，使得转子叶尖流动形成一个局部加速区，如图1与图2所示。

定义如下与机匣壁面修型相关的参数，如图3所示。对于非等外径设计的转子，轴向定义为沿机匣壁面的方向，径向定义为垂直机匣壁面的方向。

几何量：

工作状态下转子叶尖间隙δ；

转子叶尖前缘轴向坐标Z_{tip，leading}；

转子叶尖轴向弦长c_Z；

无量纲量：

机匣壁面修型搭接量L₁；无量纲搭接量

机匣修型厚度Δ；无量纲修型厚度

机匣修型长度L；坡角α＝Δ/L；

对于设计已定的风扇/压气机转子，以上三个无量纲参数互相独立，可以用来评价其对扩稳效果的影响。

图4、图5、图6分别显示了三个无量纲量的裕度变化曲线。其中ΔSM为压气机裕度增量，定义为ΔSM＝SM_Treated-SM_Baseline。分别选取三个无量纲量的最佳值，可以得到机匣壁面的修型参数如下：

搭接量L1=L1‾×cZ---(1)]]>