專利名稱：一種非軸對稱組合處理機(jī)匣的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度的裝置，尤其是指一種能明顯提高壓氣機(jī)穩(wěn) 定裕度而又能同時(shí)提高其絕熱效率的非軸對稱組合處理機(jī)匣。
背景技術(shù)：
壓氣機(jī)大量運(yùn)用在航空發(fā)動機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)中。但是在壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展過程中， 壓氣機(jī)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(jī)性能的進(jìn)一步提升。 發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，存在一個(gè)或多個(gè)低能失速團(tuán)沿壓氣機(jī)周向旋轉(zhuǎn)，壓氣機(jī)的性能會突 然下降，流量、壓比和效率均降至最低點(diǎn)，并且會對壓氣機(jī)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。因此人們釆取了很多方法來推遲壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失 速等不穩(wěn)定現(xiàn)象，以擴(kuò)大其穩(wěn)定工作裕度。為了擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，國內(nèi)外工作者做了很多研究工作。處理機(jī)匣技術(shù) 的擴(kuò)穩(wěn)效果被認(rèn)為非常明顯，且實(shí)用性很強(qiáng)，因而得到了比較廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi) 外很多先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)機(jī)所用的壓氣機(jī)均釆用了這項(xiàng)技術(shù)。圖l一圖3給出了三種典 型的處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)形式。如圖1所示，軸向斜槽處理機(jī)匣是在機(jī)匣上沿壓氣機(jī)的軸向開槽，其槽深方向 與壓氣機(jī)的徑向成一定夾角(一般為60度)。當(dāng)槽深方向?qū)?zhǔn)來流方向時(shí)，無論來 流是均勻流或發(fā)生進(jìn)口畸變，穩(wěn)定裕度都有較大改善。但這類處理機(jī)匣的缺點(diǎn)是，穩(wěn) 定裕度的改善以損失壓氣機(jī)的效率為代價(jià)。如圖2所示，弦向斜槽處理機(jī)匣是在機(jī)匣上沿葉尖基元的弦向開槽，槽深方向 可以有不同的夾角。在均勻來流情況下，穩(wěn)定裕度的增長僅次于軸向斜槽處理機(jī)匣3 %，對壓氣機(jī)效率的損失也比軸向斜槽少一些。如圖3所示，反旋渦淺槽處理機(jī)匣是根據(jù)葉片通道中巳知旋渦的方向和強(qiáng)度， 在機(jī)匣上沿壓氣機(jī)軸向開無氣室的三角槽，當(dāng)葉片掃過這些處理槽時(shí)，在三角槽內(nèi)產(chǎn) 生與葉尖泄漏渦反向的渦量，并與葉尖區(qū)的泄漏渦抵消。這種處理機(jī)匣對壓氣機(jī)的絕 熱效率會有明顯提升，但是對穩(wěn)定裕度的增加量不大?？偨Y(jié)傳統(tǒng)的處理機(jī)匣技術(shù)，存在這樣的缺點(diǎn)很難同時(shí)提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度 和絕熱效率。包括上述前兩種典型結(jié)構(gòu)處理機(jī)匣在內(nèi)的大部分處理機(jī)匣在擴(kuò)大壓氣機(jī) 穩(wěn)定裕度的同時(shí)，不得不付出降低壓氣機(jī)的絕熱效率為代價(jià)。這種代價(jià)通常為1% — 3%左右。在航空發(fā)動機(jī)上，壓氣機(jī)的絕熱效率的下降意味著燃油消耗會更多。而上 述反旋渦淺槽處理機(jī)匣雖然對壓氣機(jī)的絕熱效率有所提升，卻對壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度的 增加量少。如前所述，當(dāng)壓氣機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)，會產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)低能失速團(tuán)沿周向旋 轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生沿周向變化和傳播的強(qiáng)烈氣流脈動。此時(shí)的壓氣機(jī)流場是典型的非軸對 稱流場。而傳統(tǒng)的處理機(jī)匣都是軸對稱分布的單一處理槽結(jié)構(gòu)，沒有考慮到壓氣機(jī)發(fā) 生旋轉(zhuǎn)失速時(shí)流場的嚴(yán)重非軸對稱性是其一大缺點(diǎn)。而壓氣機(jī)的這種非軸對稱特性反 映了一種比較強(qiáng)烈的非定常流動狀態(tài)。因此，如何從壓氣機(jī)流場的非軸對稱性出發(fā)，結(jié)合某些機(jī)匣的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)成能 發(fā)揮各自優(yōu)勢并且產(chǎn)生不同非定常激勵(lì)的組合機(jī)匣成為本發(fā)明所述工作的初衷。發(fā)明 內(nèi)容針對上述傳統(tǒng)處理機(jī)匣技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種非軸對稱結(jié)構(gòu)的組合處 理機(jī)匣，該處理機(jī)匣包括一個(gè)開有兩種結(jié)構(gòu)形式處理槽組合的非軸對稱分布的處理環(huán)； 一個(gè)或兩個(gè)調(diào)距環(huán)，用于調(diào)整上述處理環(huán)相對壓氣機(jī)葉片的軸向位置。 該非軸對稱組合處理機(jī)匣所述的處理環(huán)有兩種結(jié)構(gòu)形式的處理槽，分別是一種新 型的圓弧斜槽結(jié)構(gòu)和反旋渦淺槽結(jié)構(gòu)。按處理槽結(jié)構(gòu)形式的不同，可以將此處理環(huán)在 周向上分為一個(gè)或多個(gè)激勵(lì)區(qū)， 一個(gè)或多個(gè)緩沖區(qū)。激勵(lì)區(qū)和緩沖區(qū)相間分布。激勵(lì) 區(qū)內(nèi)開有三個(gè)或三個(gè)以上的圓弧斜槽式處理槽，且壓氣機(jī)的單個(gè)轉(zhuǎn)子通道對應(yīng)的處理 槽數(shù)為3~8，緩沖區(qū)內(nèi)開有反旋渦淺槽式處理槽。激勵(lì)區(qū)的周向長度應(yīng)大于一個(gè)壓
氣機(jī)轉(zhuǎn)子通道的葉尖柵距。緩沖區(qū)的周向長度也應(yīng)大于一個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子通道的葉尖柵距。所有激勵(lì)區(qū)所對應(yīng)的扇形角之和"相對于所有緩沖區(qū)所對應(yīng)的扇形角之和A的比值《/>0 = 1/5~5。本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣在壓氣機(jī)中的位置為在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片尖 部的上方，并在軸向上相對葉片有相當(dāng)于轉(zhuǎn)子葉尖弦長30% — 70%的前伸量。該處 理機(jī)匣在設(shè)計(jì)過程中考慮到了壓氣機(jī)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(shí)的非軸對稱流場設(shè)計(jì)了開有非軸對稱分布的處理槽的處理環(huán)。從處理機(jī)匣對壓氣機(jī)流場的非定常激勵(lì)頻率分析，可以看到本發(fā)明所述的非軸對 稱處理機(jī)匣對壓氣機(jī)流場的激勵(lì)頻率是多頻率的，而傳統(tǒng)的軸對稱結(jié)構(gòu)處理機(jī)匣對壓 氣機(jī)流場的激勵(lì)頻率為單一頻率。因此，本發(fā)明所述的非軸對稱處理機(jī)匣相對傳統(tǒng)軸 對稱結(jié)構(gòu)的處理機(jī)匣來說，具有不同的非定常作用機(jī)理。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)簹鈾C(jī)的葉尖流場產(chǎn)生明顯的非定常激勵(lì)作用，使得流場變得更 為有序，因而能取得與傳統(tǒng)處理機(jī)匣不同的效果，除了能顯著提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度 之外，還能其提高絕熱效率。


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(jī)匣示意圖；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(jī)匣示意圖；圖3為典型的具有軸對稱分布的反旋渦淺槽結(jié)構(gòu)的處理機(jī)匣示意圖；圖4為一種具有軸對稱分布的圓弧斜槽結(jié)構(gòu)的處理機(jī)匣示意圖；圖5為圖4所示的軸對稱結(jié)構(gòu)的圓弧斜槽式處理機(jī)匣的處理環(huán)的剖視圖；圖6為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的優(yōu)選實(shí)施例的軸剖視圖；圖7為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的優(yōu)選實(shí)施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖視圖(僅示出壓氣機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)子動葉)；圖8為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的第二種實(shí)施例的處理環(huán)的垂直軸向的剖視圖(未示出壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子動葉)；
圖9為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的第三種實(shí)施例的處理環(huán)的垂直軸 向的剖視圖(未示出壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子動葉)；圖IO為圖5所示的軸對稱結(jié)構(gòu)的圓弧斜槽式處理機(jī)匣對壓氣機(jī)流場的激勵(lì)頻譜圖；圖11為本發(fā)明圖7所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的優(yōu)選實(shí)施例對壓氣機(jī)流場的 激勵(lì)頻譜圖。
具體實(shí)施方式
為更清楚描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的幾 種典型實(shí)施例進(jìn)行說明。圖6為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的優(yōu)選實(shí)施例的軸剖視圖。此非軸 對稱組合處理機(jī)匣由一個(gè)處理環(huán)1和兩個(gè)調(diào)距環(huán)2組成。處理環(huán)1在壓氣機(jī)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(dāng)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(lǐng)域的人員容易想到，在其它實(shí)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(shí)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(gè),以此來改變對處理環(huán)1 相對于轉(zhuǎn)子葉片3的前伸量。在處理環(huán)1上，開有圓弧斜槽式處理槽6的區(qū)域能對壓氣機(jī)的葉尖區(qū)流場產(chǎn)生 很強(qiáng)的激勵(lì)作用，能使流場變得更有序，因此稱之為激勵(lì)區(qū)4，而開有反旋渦淺槽式 處理槽7的區(qū)域?qū)簹鈾C(jī)的葉尖區(qū)流場的激勵(lì)作用很小，能對壓氣機(jī)的葉尖泄漏流 產(chǎn)生緩沖，因此稱之為緩沖區(qū)5。圖7為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的優(yōu)選實(shí)施例的處理環(huán)1的垂直軸向 的剖視圖。此處理環(huán)1由兩個(gè)激勵(lì)區(qū)4和兩個(gè)緩沖區(qū)5組成。兩個(gè)激勵(lì)區(qū)4的周向 長度一樣，其所對應(yīng)的扇形角a,和A均為90度。處理環(huán)1在兩個(gè)激勵(lì)區(qū)4內(nèi)等間 距地各開有9個(gè)圓弧斜槽式處理槽6，壓氣機(jī)的單個(gè)轉(zhuǎn)子通道所對應(yīng)的圓弧斜槽式處 理槽6的數(shù)目為3，此處理槽的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。此激勵(lì)區(qū)4的周向長度大于
兩個(gè)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(gè)緩沖區(qū)5的內(nèi)壁開有反旋 渦淺槽形式的處理槽7，如圖3所示的處理槽的結(jié)構(gòu)形式，其所對應(yīng)的扇形角A和A 分別為118度和72度。這個(gè)實(shí)施例所述的激勵(lì)區(qū)4和緩沖區(qū)5對應(yīng)的扇形角之和 的比值為(",+cO/(A+A)"。熟悉本領(lǐng)域的人員會意識到，應(yīng)用在不同壓氣機(jī)上，上述實(shí)施例的激勵(lì)區(qū)4內(nèi)的 圓弧斜槽式處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機(jī)的流場的非定常特征改為大于2的 任何數(shù)值，而且圓弧斜槽式處理槽6在周向上可以是非等間距分布。圖8為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的第二種實(shí)施例的處理環(huán)的垂直軸向 的剖視圖。此處理環(huán)1由一個(gè)激勵(lì)區(qū)4和一個(gè)緩沖區(qū)5組成。激勵(lì)區(qū)4所對應(yīng)的扇 形角"為60度。激勵(lì)區(qū)4內(nèi)等間距地開有7個(gè)圓弧斜槽式處理槽6，壓氣機(jī)的單個(gè) 轉(zhuǎn)子通道所對應(yīng)的圓弧斜槽式處理槽6的數(shù)目為7。緩沖區(qū)5范圍內(nèi)的處理環(huán)1的 內(nèi)壁開有反旋渦淺槽形式的處理槽7，其所對應(yīng)的扇形角々為300度。這個(gè)實(shí)施例 所述的激勵(lì)區(qū)4和緩沖區(qū)5對應(yīng)的扇形角的比值為《/〃 = 1 / 5 。熟悉本領(lǐng)域的人員會意識到，應(yīng)用在不同壓氣機(jī)上，上述實(shí)施例的激勵(lì)區(qū)4內(nèi) 的圓弧斜槽式處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機(jī)的流場的非定常特征改為大于2 的任何數(shù)值，而且圓弧斜槽式處理槽6在周向上可以是非等間距分布。圖9為本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣的第三種實(shí)施例的處理環(huán)的垂直軸向 的剖視圖。此處理環(huán)1由三個(gè)激勵(lì)區(qū)4和三個(gè)緩沖區(qū)5組成。三個(gè)激勵(lì)區(qū)4所對應(yīng) 的扇形角"?！?和《3均為100度。激勵(lì)區(qū)4內(nèi)等間距地開有IO個(gè)圓弧斜槽式處理 槽6，壓氣機(jī)的單個(gè)轉(zhuǎn)子通道所對應(yīng)的圓弧斜槽式處理槽6的數(shù)目為4。緩沖區(qū)5范 圍內(nèi)的處理環(huán)1的內(nèi)壁開有反旋渦淺槽形式的處理槽7，其所對應(yīng)的扇形角A、々2和 A均為20度。這個(gè)實(shí)施例所述的激勵(lì)區(qū)4和緩沖區(qū)5對應(yīng)的扇形角之和的比值為 (a, +a2 + or3)/(A + A + A) = 5 。熟悉本領(lǐng)域的人員會意識到，應(yīng)用在不同壓氣機(jī)上，上述實(shí)施例的激勵(lì)區(qū)4內(nèi) 的圓弧斜槽式處理槽6的數(shù)目能夠根據(jù)不同壓氣機(jī)的流場的非定常特征改為大于2 的任何數(shù)值，而且圓弧斜槽式處理槽6在周向上可以是非等間距分布。 總結(jié)上述三種典型實(shí)施例的非軸對稱組合處理機(jī)匣可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明所述的非軸 對稱組合處理機(jī)匣相對于傳統(tǒng)的處理機(jī)匣，最主要的特征在于處理環(huán)上開有非軸對稱 分布的不同結(jié)構(gòu)形式的處理槽。而從激勵(lì)頻譜分析的角度可以看到，在圖io上顯示，軸對稱結(jié)構(gòu)的圓弧斜槽式處理機(jī)匣對壓氣機(jī)流場的非定常激勵(lì)頻率為單一頻率，這個(gè)單一的激勵(lì)頻率由處理環(huán) 周向上的處理槽總數(shù)和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速決定。而圖11所顯示本實(shí)施例所述的非軸 對稱組合處理機(jī)匣對壓氣機(jī)流場的非定常激勵(lì)頻率為多頻率多幅值，除了由處理環(huán)周 向上處理槽的數(shù)目決定的高頻率激勵(lì)外，還包括相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)緩沖區(qū)和激勵(lì)區(qū)之間 的交替變換所帶來的低頻率激勵(lì)作用。這兩種處理機(jī)匣相對壓氣機(jī)的激勵(lì)頻譜的不 同，反映了二者對于壓氣機(jī)流場的非定常作用機(jī)理不一樣。因此，二者對于壓氣機(jī)的作用效果也是不同的軸對稱結(jié)構(gòu)的圓弧斜槽式處理機(jī)匣大幅度提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕 度的代價(jià)是損失壓氣機(jī)絕熱效率1%左右，而本發(fā)明所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣在 大幅度提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度的同時(shí)，能提高其絕熱效率。
權(quán)利要求
1、一種非軸對稱結(jié)構(gòu)的組合處理機(jī)匣，其特征是該非軸對稱處理機(jī)匣包括一個(gè)開有兩種結(jié)構(gòu)形式處理槽組合的非軸對稱分布的處理環(huán)(1)；一個(gè)或兩個(gè)調(diào)距環(huán)(2)，用于調(diào)整上述處理環(huán)(1)相對壓氣機(jī)葉片的軸向位置。
2、 如權(quán)利要求1所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣，其特征在于所述的處理環(huán)包括一個(gè) 或一個(gè)以上各開有三個(gè)或三個(gè)以上圓弧斜槽式處理槽(6)的激勵(lì)區(qū)(4)， 一個(gè) 或一個(gè)以上開有反旋渦淺槽式處理槽(7)的緩沖區(qū)(5)。
3、 如權(quán)利要求2所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣，其特征在于所述的激勵(lì)區(qū)(4)和 緩沖區(qū)(5)相間分布。
4、 如權(quán)利要求2所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣，其特征在于所述的激勵(lì)區(qū)(4)或 緩沖區(qū)(5)的周向長度應(yīng)大于壓氣機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)子通道的葉尖柵距。
5、 如權(quán)利要求2所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣，其特征在于所述的激勵(lì)區(qū)(4)所 對應(yīng)的扇形角之和"相對于所述的緩沖區(qū)(5)所對應(yīng)的扇形角之和〃的比值大 約為《/〃 = 1/5~5。
6、 如權(quán)利要求2所述的非軸對稱組合處理機(jī)匣，其特征在于所述的圓弧斜槽式處理 槽(6)在激勵(lì)區(qū)(4)內(nèi)等間距或非等間距分布，壓氣機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)子通道對應(yīng)的 圓弧斜槽式處理槽(6)的數(shù)目為3-8。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用在軸流壓氣機(jī)上的非軸對稱組合處理機(jī)匣。該葉尖激勵(lì)發(fā)生器包括一個(gè)開有非軸對稱分布的包含不同結(jié)構(gòu)形式的處理槽的處理環(huán)，以及一個(gè)或兩個(gè)調(diào)距環(huán)。而該處理環(huán)包括開有圓弧斜槽式處理槽的激勵(lì)區(qū)和開有反旋渦淺槽式處理槽的緩沖區(qū)。該非軸對稱組合處理機(jī)匣的設(shè)計(jì)考慮到了軸流壓氣機(jī)發(fā)生失速時(shí)的非軸對稱流場，對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的葉尖區(qū)流場產(chǎn)生非定常激勵(lì)作用，并能取得比傳統(tǒng)的軸對稱結(jié)構(gòu)的處理機(jī)匣技術(shù)更好的效果，除了能明顯擴(kuò)大壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度外，還能提高壓氣機(jī)的絕熱效率。
文檔編號B64D29/06GK101148199SQ20071017710
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者劉建勇, 巍 袁, 陸亞鈞 申請人:北京航空航天大學(xué)