本发明专利技术一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法及装置，属于叶轮机械内部流动控制技术领域；所述扩稳装置包括引气通道，所述引气通道的吸气口位于转子叶顶上方靠近前缘处，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；喷气口位于转子叶顶上方、叶顶前缘与吸气口之间，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；所述吸气口为引气通道吸气段的入口，喷气口为引气通道喷气段的出口，吸气段与喷气段之间的转弯处由连通段连接，构成U型气流通道；所述扩稳装置沿周向延伸，构成周向覆盖率为100％的环形槽结构。本发明专利技术提高轴流压气机的失速裕度的同时减小其效率损失，并进一步提高压气机的推重比。
1、航空发动机被誉为工业皇冠上的明珠，它与一个国家的科技水平和综合国力息息相关，而压气机作为航空发动机的核心部件，不仅要实现高压比、高效率，同时也需要尽可能地减轻自身重量以提高航空发动机的推重比。轴向压气机包括两部分：一部分是转动的，称为转子；一部分是静止的，称为静子。因此，在压气机中存在着旋转和静子干涉效应。同时，这种影响与气流粘滞作用、叶尖间隙乃至通道内由于膨胀产生的压力梯度等因素，使压气机内的流场呈现出较强的三维非定常特性。而流场的三维性加之流体的可压缩性、流动的不稳定性和流体的粘性等因素，使得压气机中的流动变得非常复杂。另一方面，由于环形壁表面层和主流之间强烈的相互作用所引起的泄漏及二次流动，会严重降低压气机的效率，使压气机内部气流受到堵塞，进而对压气机的稳定运行范围产生负面影响。因此，研究利用扩稳技术来消除或削弱压气机的内部流场和叶尖泄漏涡的影响，对于拓宽国内航空发动机压缩系统的失速裕度有着重要的意义。
2、机匣处理作为一种端壁处理技术因其结构简单、成本低廉、改型方便、可靠性高等优势广泛应用于压气机的扩稳研究中。常见的机匣处理主要有槽式机匣处理、缝式机匣处理等。然而这些传统的机匣处理方式往往会使压气机产生一定的效率损失，因此如何设计和使用合理的机匣处理结构来有效提升压气机的稳定工作范围，同时降低其对压气机效率的影响，仍然具有一定的挑战性。
>1、要解决的技术问题：2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计及扩稳装置，设置于轴流压气机转子部件叶顶处，基于转子叶顶泄漏涡所导致的叶顶堵塞位置，设计引流通道的吸气口位置，并根据所产生高速射流的流速和流向要求，设计引流通道的喷气口位置及喷气角度。通道中的自循环流量随转子叶尖负荷变化和调整，移动了叶尖泄漏流与主流的交接面，提高轴流压气机的失速裕度的同时减小其效率损失，并进一步提高压气机的推重比。
3、本专利技术的技术方案是：一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，具体步骤如下：
4、根据转子叶顶气流堵塞位置或低能流体聚集区域确定引气通道的吸气口位置；所述吸气口位于转子叶顶上方靠近前缘处，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；
5、根据轴流压气机叶顶低能流体聚集的区域确定引气通道的喷气口位置，所述喷气口位于转子叶顶上方、叶顶前缘与吸气口之间，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；
6、确定所述引气通道的轴向长度及通道轮廓及吸气角度、喷气角度；
7、将所述引气通道沿周向延伸，构成贯穿于轴流压气机所有前排转子叶顶的环形槽，即得到能够提高轴流压气机的失速裕度并减小其效率损失的自循环机匣处理扩稳装置。
8、本专利技术的进一步技术方案是：所述引气通道的吸气口位置距离转子叶顶前缘18.8％-22.5％叶顶轴向弦长范围内。
9、本专利技术的进一步技术方案是：所述引气通道的喷气口位置距离转子叶顶前缘13.8％-15.2％叶顶轴向弦长范围内。
10、本专利技术的进一步技术方案是：所述引气通道的径向截面为u型结构，气流方向从吸气口进入通道，沿u型方向流向喷气口；其中吸气角度、喷气角度均为45°。
11、一种引气通道，沿气流方向依次分为吸气段、连通段、喷气段，所述连通段连接于吸气段和喷气段之间的转弯处，构成u型引气通道；
12、所述吸气段和喷气段均为等截面直线段结构，连接段为截面渐缩的圆弧形通道；
13、所述吸气段和喷气段的截面面积比为1.0：3.0。
14、一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，包括轮毂及沿其周面均布的前排转子叶片；还包括引气通道，所述引气通道的吸气口位于转子叶顶上方靠近前缘处，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；喷气口位于转子叶顶上方、叶顶前缘与吸气口之间，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；
15、所述吸气口为引气通道吸气段的入口，喷气口为引气通道喷气段的出口，吸气段与喷气段之间的转弯处由连通段连接，构成u型气流通道；
16、所述引气通道沿周向延伸，构成周向覆盖率为100％的环形槽结构。
17、本专利技术的进一步技术方案是：所述机匣处理扩稳装置轴向长度为前排转子叶片叶尖轴向弦长的8.5％-8.8％；中心位于距离前排转子叶片前缘下游的18％-18.5％处。
18、本专利技术的进一步技术方案是：所述引气通道的吸气口位置距离转子叶顶前缘18.8％-22.5％叶顶轴向弦长范围内；吸气段的轴向长度为转子叶片叶顶轴向弦长的1％-2％；所述引气通道的喷气口位置距离转子叶顶前缘13.8％-15.2％叶顶轴向弦长范围内；喷气段的轴向长度为转子叶片叶顶轴向弦长的3％-4％。
19、本专利技术的进一步技术方案是：所述吸气段的吸气角度、喷气段的喷气角度均为45°。
20、本专利技术的进一步技术方案是：所述吸气段、连接段、喷气段之间的连接处均为密封光滑过渡，以保证气流在整个循环过程中流动损失最小。
21、有益效果
22、本专利技术的有益效果在于：不同于传统的自循环处理机匣，本专利技术提供了一种尺寸小，重量轻，应用于轴流压气机的自循环机匣处理扩稳装置。通过所处理转子叶片的吸、压力面之间的压力差，气流在专利技术的机匣结构内自动实现自循环。同时，转子叶片叶顶的轴向压力梯度增强了压差，且出口的亚音速喷嘴的形状结构使其获得高动量气流。该高动量气流轴向分量与泄漏流轴向速度相反，从而缓解叶尖泄漏流的发展，抑制失速提前。因此所设计自循环机匣在吸气口的抽吸作用和喷气口的高速射流作用下，改善了轴流压气机叶片通道内的流动状况，抑制叶尖泄漏流的发展和扩大，减小转子的叶顶堵塞，起到了提高压气机失速裕度的作用。
23、基于轴流压气机叶顶流场的高损失区将自循环机匣装置放置在轴流压气机转子的叶顶机匣的对应位置上，在所处理转子叶片吸力面和压力面之间压力差的驱动下，吸力面叶顶机匣附近的低能流体从吸气口进入后经连接通道经压力面叶顶机匣附近的喷气口喷出，实现对叶尖泄漏流的控制和对压气机稳定工作范围的拓宽。具体上，该装置所包含的光滑连接通道、亚音速喷嘴形状等设计更加针对性的控制叶顶区域的低能流体，使得该扩稳装置相较常规自循环机匣处理装置更加简易、轻便对未来高推重比的航空发动机和高性能压气机的研究具有一定的参考意义。
24、本专利技术在某亚音轴流压气机转子上开展机匣处理及实壁机匣的数值研究，结果表明：在设计间隙下，应用自循环机匣处理的轴流压气机，其性能有所提升。相较无机匣处理，机匣处理方式所获得的综合失速裕度改进量为5.3％；峰值效率增加量是-0.2％。同时转子叶顶区域的低能流体区域和高熵区均减少，通道堵塞缓解，流场得以改善。与相同设计的其他机匣处理方式相比，新型自循环机匣处理方式可为轴流压气机带来更大失速裕度的同时损失更小的等熵效率，在对轴流压气机扩稳方面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的吸气口位置距离转子叶顶前缘18.8％-22.5％叶顶轴向弦长范围内。
3.根据权利要求2所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的喷气口位置距离转子叶顶前缘13.8％-15.2％叶顶轴向弦长范围内。
4.根据权利要求3所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的径向截面为U型结构，气流方向从吸气口进入通道，沿U型方向流向喷气口；其中吸气角度、喷气角度均为45°。
5.一种引气通道，其特征在于：沿气流方向依次分为吸气段、连通段、喷气段，所述连通段连接于吸气段和喷气段之间的转弯处，构成U型引气通道；
6.一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，包括轮毂及沿其周面均布的前排转子叶片，其特征在于：还包括权利要求5所述引气通道，所述引气通到的吸气口位于转子叶顶上方靠近前缘处，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；喷气口位于转子叶顶上方、叶顶前缘与吸气口之间，贯穿转子叶片的压力面和吸力面；
7.根据权利要求6所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于：所述机匣处理扩稳装置轴向长度为前排转子叶片叶尖轴向弦长的8.5％-8.8％；中心位于距离前排转子叶片前缘下游的18％-18.5％处。
8.根据权利要求7所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于：所述引气通道的吸气口位置距离转子叶顶前缘18.8％-22.5％叶顶轴向弦长范围内；吸气段的轴向长度为转子叶片叶顶轴向弦长的1％-2％；所述引气通道的喷气口位置距离转子叶顶前缘13.8％-15.2％叶顶轴向弦长范围内；喷气段的轴向长度为转子叶片叶顶轴向弦长的3％-4％。
9.根据权利要求8所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于：所述吸气段的吸气角度、喷气段的喷气角度均为45°。
10.根据权利要求9所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，其特征在于：所述吸气段、连接段、喷气段之间的连接处均为密封光滑过渡，以保证气流在整个循环过程中流动损失最小。
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【技术特征摘要】
1.一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的吸气口位置距离转子叶顶前缘18.8％-22.5％叶顶轴向弦长范围内。
3.根据权利要求2所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的喷气口位置距离转子叶顶前缘13.8％-15.2％叶顶轴向弦长范围内。
4.根据权利要求3所述一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置的设计方法，其特征在于：所述引气通道的径向截面为u型结构，气流方向从吸气口进入通道，沿u型方向流向喷气口；其中吸气角度、喷气角度均为45°。
5.一种引气通道，其特征在于：沿气流方向依次分为吸气段、连通段、喷气段，所述连通段连接于吸气段和喷气段之间的转弯处，构成u型引气通道；
6.一种轴流压气机自循环机匣处理扩稳装置，包括轮毂及沿其周面均布的前排转子叶片，其特征在于：还包括权利要求5所述引气通道，所述引气通到的吸气口位于转子叶顶上方靠近前缘处，贯穿转子叶片...
【专利技术属性】
技术研发人员：茅晓晨，付磊，陈飞，李敏，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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