[发明专利]一种跨音速轴流压气机机匣周向槽组合设计方法

说明书

本发明公开了一种跨音速轴流压气机机匣周向槽组合设计方法，采用分析模型对泄漏流的掺混损失进行定量评价，避免了采用枚举法对多种周向槽组合方案进行大量数值模拟，大幅提高了组合方案的设计效率。具体的技术手段是：一、依据光壁机匣的数值模拟结果，对叶尖泄漏流进行分段处理；二、采用控制体分析方法，由控制方程组求解得到各段泄漏流对应的掺混损失；三、对比各段间隙对应的当量损失系数，依据损失系数的大小对各段进行排序，在损失系数较大的区间布置周向槽，得到效率较优的周向槽组合方案。本发明可用于跨音速轴流压气机的机匣处理优化设计研究，尤其适合用于评价机匣处理引起的压气机峰值效率损失。

技术领域

本发明涉及一种效率较优的跨音速轴流压气机机匣周向槽组合设计方法，属于压气机气动设计领域。

背景技术

轴流压气机作为航空发动机的重要组成部件，发挥着增加燃烧室进气压力、提升推进效率的重要作用。随着航空发动机向着高推重比、低耗油率方向发展，高负荷压气机成为先进航空发动机的关键技术之一。然而随着压气机负荷的提高，其稳定裕度变窄，影响发动机的安全运行。为此，研究设计人员采用各种流动控制方法对压气机的稳定裕度进行拓宽，其中很重要的一种被动控制方法就是机匣处理。

机匣处理，就是通过改变机匣的几何机构，改善叶尖附近的流动，从而达到推迟旋转失速发生的目的。自20世纪70年代以来，国内外研究人员对不同的机匣处理方式进行了大量的试验和数值研究，揭示了机匣处理扩稳的主要原因和机制。研究表明，机匣处理能够减弱叶尖泄漏流的强度，激励叶尖附近低能流体，抑制端壁边界层的分离，减小端区流动的堵塞效应，从而推迟了失速先兆的发生，使得压气机失速边界向小流量方向移动。

一般来说，常用的机匣处理方式主要有两种，即周向槽和轴向缝。其中周向槽机匣处理保证了几何结构的轴对称性，能以较小的效率损失取得一定的扩稳效果。而轴向缝机匣处理导致了非轴对称的端壁结构，虽然能够得到更明显的扩稳效果，但也会引起较大的效率损失。两种机匣处理方式的扩稳机理有所不同，周向槽主要是减弱了泄漏流及卷起泄漏涡的强度，而轴向缝则是通过抽吸和喷射的效果起到了激励端区低能流体的作用。

在跨音速压气机中，叶尖泄漏涡、激波以及端壁边界层的相互作用使得端区流动非常复杂。如何优化机匣处理的周向槽或轴向缝的几何参数，以较小的峰值效率损失得到较大的扩稳效果，是研究人员关心的重点。

发明内容

为了明确机匣处理中周向槽轴向位置对峰值效率损失的影响，本发明针对跨音速轴流压气机，考虑了叶尖载荷分布对泄漏流损失的影响，基于泄漏流掺混损失的控制体分析方法定量估计各段泄漏流的掺混损失，发展了一种效率较优的周向槽组合设计方法。

本发明为实现上述设计目标，采取的技术方案是：

一种跨音速轴流压气机机匣周向槽组合设计方法，其特征在于，所述方法是通过以下步骤实现的：

SS1.叶尖泄漏流弦向分段特征分析

根据压气机叶尖压力面附近的相对总压分布和叶尖吸力面附近的静压分布，对决定叶尖泄漏流强度的载荷弦向分布特征进行分析；

根据相对总压和静压的阶跃分布特征对叶尖泄漏流进行分段处理，计算每段的平均气流参数；

SS2.掺混控制体建模及损失分析

采用控制体方法对泄漏流与主流的掺混过程进行建模，根据质量、动量、能量、状态的守恒关系式列出控制方程组，根据各段泄漏流的气流参数以及主流参数，联立求解控制方程组得到掺混出口的气流参数，从而计算掺混过程引起的总压损失；

SS3.周向槽组合设计

根据当量损失系数，分析单位面积间隙引起的泄漏流掺混损失，将各部分泄漏流按照当量损失系数从大到小排序，将周向槽优先布置在当量损失系数大的叶尖分段区间，或是以当量损失较大的区间作为机匣开槽位置。