[发明专利]压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其是一种压气机周向槽自循环喷气组合式扩稳装置及方法。

背景技术

压气机作为一种广泛应用的流体机械，如何提高其工作稳定性一直是研究热点和难点。国际上对提高稳定性裕度的扩稳措施进行了各种探索，主要包括可调叶片，机匣处理(周向槽和轴向缝)，叶顶喷气，大小叶片等。叶顶喷气和机匣处理作为有效的扩稳措施在国际上受到了广泛的关注，并对其扩稳机理开展了相关的数值和实验研究。

叶顶喷气方法早在上世纪七十年代初就为人们所尝试。当时，Emmons提出的叶片吸力面流动分离会导致失速的观点得到国际上大多数学者的认可，在此基础上一些学者也提出了要想推迟失速，首先要抑制叶片表面流动分离。因此，诸多抑制分离流的方法应运而生，而叶顶喷气就是其中之一，研究者们认为喷气可以带走因分离造成的堵塞团，从而减小分离。Koch与Smith在一台跨音压气机上进行了“喷-吸”气扩稳的尝试，取得了很好的效果。上世纪八十到九十年代中期，人们对压气机流动失稳的机理认识进展很快，从M-G模型的建立到两类失速先兆的发现极大地鼓舞了诸多科研工作者去寻求更为先进有效的扩稳方法。

剑桥大学的Day认为叶顶喷气能够抑制失速先兆的起始，并在多级轴流压气机实验台上采用主动喷气的方法成功地推迟了旋转失速和喘振的发生，而且所用喷气量小于压气机设计流量的1％，但却使压气机的失稳裕度增加4％。MIT的Weigl等人则认为喷气能够产生反馈控制波来抑制扰动的发展，并在主动喷气的基础上研究了喷嘴结构对跨音轴流压气机稳定性的影响，所采用喷气量为压气机设计流量的5.8％，在70％转速和100％转速条件下采用叶顶喷气时，使压气机的稳定工作范围分别拓宽了11％和3.5％，同时使压气机设计流量提高了3.6％。随后，Spakovszky等人同样采用主动喷气控制方法在跨音轴流压气机上进行了实验研究，实验中通过高频响动态传感器检测到长尺度扰动作为反馈信号，控制策略分别采用定常和非定常喷气手段。

基于主动控制理念的主动喷气，其实现机构也十分复杂，因此在实际应用时也受到了很大限制。因此，随着对主动控制理念优势与不足的反思，主动喷气又开始向早期的被动喷气回归。NASA的Suder等人在2000年所获得的稳态离散喷气的结果，其研究结果显示：当压气机转速为70％设计转速时，1％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移近30％；当压气机以100％转速运行时，1.3％主流流量的喷气量可使压气机的失稳边界最大左移3.5％。2006年希腊学者Kefalakis等人研究了稳态喷气和脉动(非定常)喷气对提高轴流压气机喘振裕度的影响。由早期Day首次利用喷气尝试对压缩系统流场进行干扰开始，喷气技术已经被各个研究机构所重视。但Day的研究仅仅局限在对失稳产生的阻止作用上，并没有阐述如何实现以较小流量的喷气手段能够对相对而言大流量流场产生干预的。

近几年，中国科学院工程热物理研究所在叶顶微喷气技术的研究工作也取得一些有价值的实验结果和理论方面的认识。聂超群等人对压气机近失速状态进行了实验研究，运用了动态测量技术和非定常流动的分析方法，并在此基础上改善了喷嘴构造，在低速三级轴流压气机上进行实验并结合后续数值计算处理，从实验及数值模拟两个角度分析结论如下：微喷气的主要影响区域在叶尖顶部区域，并且影响区域越贴近机匣内壁，扩稳效果越好；叶顶微喷气实际上起主导作用的是喷气出口动量，而不是喷气的质量流量；对壁面动态信号的处理结果表明：喷气会对顶部非定常流场特征产生影响；随着扩稳效果增加，喷气所造成的影响也变得更为明显。

2006年童志庭将微喷气控制技术及旋转失速失稳机理的研究相结合，并先后在亚音和高亚音单转子轴流压气机进行实验研究，实验结果表明：采取微喷量喷气(小于主流流量的0.1％)可以对压气机的稳定特性产生影响，具备将压气机稳定运行区域拓宽一定范围的能力。随后，对壁面动态压力信号进行了分析，并成功将小波分析手段引入到非定常流场分析中，论证了内部流动具有明显的非定常机制。耿少娟通过数值模拟对非定常机制所对应的物理现象进行研究，发现微喷气具有实际拓稳效果，同本所前期小波分析结果相联系可见叶顶微喷气能够抑制流场内部与流动失稳先兆相关的小扰动的奇异点的数目，并能够使叶顶间隙泄漏涡向叶片中部移动，很大作用上阻止了叶顶泄漏涡由叶尖溢出并横穿整个叶片通道形成失速的可能。总之，叶顶喷气扩稳控制技术在国际上一直是研究的热点，通过优化喷嘴几何结构，喷气位置，喷气偏航角等已经证实了叶顶喷气能够很大程度上拓宽压气机的稳定工作范围。