一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法与流程

本发明涉及叶轮机械技术领域，具体地说，涉及一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法。

背景技术：

当前相关研究人员一般采用两种方法来扩大压气机的稳定工作范围:一种是主动控制技术；另外一种是被动控制技术，这种方法的特点是延迟压气机失稳的发生，或者在压气机进入失稳之后能够及时并迅速地退出来，常用的方式有①压气机中间级放气或末级放气，②可调进口导流叶片和静子叶片，③双转子或三转子发动机，④机匣处理。机匣处理具有结构简单，易于实施，有较强的扩稳能力和抗进口畸变能力等特点，这使得其在工程上得到了广泛的应用。文献“anumericalinvestigationoftheinfluenceofcasingtreatmentsonthetipleakageflowinahpcfrontstage.proceedingsofasmeturboexpo2002,june3-6,2002,amsterdan,thenetherlands,gt-2002-30642”公开了一种轴向缝机匣处理方法，即在压气机机匣上沿轴向开一定数目的缝来延迟压气机失速。文献在某高压压气机前面级上的研究结果表明轴向缝机匣处理能够获得6.5％的流量失速裕度改进量但伴随5％的峰值效率损失。文献所述轴向缝机匣处理只能利用叶片通道的轴向压差进行引气和喷气，此时的引气量和喷气量较小且因缝内回流较强导致较大的回流损失，从而减弱了轴向缝机匣处理的扩稳能力并降低了效率。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法。该方法在轴向缝机匣处理结构的开口面方向，将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角的相反方向旋转一定角度使之形成反叶片角向缝机匣处理结构，反叶片角向缝机匣处理结构能同时利用叶片通道的流向和周向压差进行引气和喷气，进而提高了引气量和喷气量，同时降低了轴向缝机匣处理结构因缝内回流较强所导致的损失，从而解决了轴向缝机匣处理结构扩稳能力不强以及因缝内回流较强所导致的效率损失大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤一、在风扇机匣上沿轴向开有多条缝，并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝机匣处理结构的宽度覆盖整个叶顶轴向弦长；

步骤二、将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角的相反方向旋转一定角度使之形成反叶片角向缝机匣处理结构，定义轴向缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的相反方向旋转为负，且反叶片角向缝机匣处理结构与叶片呈交叉分布。

缝的前端面位于距离叶顶前缘上游25％的叶顶轴向弦长处,后端面位于75％的叶顶轴向弦长处，即缝的中心偏移度为0.25；中心偏移度的定义为叶顶轴向弦长中心与机匣处理结构中心的轴向位置之差与叶顶轴向弦长之比，且定义机匣处理结构向叶片前缘前伸为正。

缝的缝宽/缝片宽为3/1，即开缝面积/处理面积为75％。

缝的缝深为30％的叶顶弦长。

缝的开口面与轴向的夹角为-27°。

有益效果

本发明提出的一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法。该方法在轴向缝机匣处理结构的开口面方向，将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角的相反方向旋转一定角度使之形成反叶片角向缝机匣处理结构，相比于轴向缝机匣处理结构只能利用叶片通道的轴向压差进行引气和喷气，反叶片角向缝机匣处理结构能同时利用叶片通道的流向和周向压差进行引气和喷气，进而提高了引气量和喷气量，同时降低了轴向缝机匣处理结构因缝内回流较强所导致的损失，从而解决了轴向缝机匣处理结构扩稳能力不强以及因缝内回流较强所导致的效率损失较大的问题。

应用本发明跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法，在跨音速轴流风扇转子nasarotor67上开展两种缝式机匣处理的研究，一种是轴向缝机匣处理，另外一种是反叶片角向缝机匣处理。结果表明，轴向缝机匣处理、反叶片角向缝机匣处理获得的综合失速裕度改进量分别为15.39％、29.53％，峰值效率损失分比为3.49％、1.87％。即与轴向缝机匣处理相比，反叶片角向缝机匣处理进一步提高了综合失速裕度的同时降低了效率损失。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法作进一步的详细说明。

图1为轴向缝机匣处理三维示意图。

图2为机匣处理开口面在风扇机匣上的轮廓视图。

图3为本发明的反叶片角向缝机匣处理三维视图。

图4为机匣处理开口面在风扇机匣上的轮廓视图。

图中

1.轴向2.周向3.轴向缝机匣处理结构4.叶顶5.开口面6.反叶片角向缝机匣处理结构7.前端面8.后端面9.叶片尾缘10.叶片前缘11.叶片

具体实施方式

本实施例是一种跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法。

参阅图1～图4，本实施例跨音速轴流风扇反叶片角向缝机匣处理方法，

首先，在风扇机匣上沿轴向开有多条缝，并沿周向均匀布设形成轴向缝机匣处理结构，轴向缝机匣处理结构的宽度覆盖整个叶顶轴向弦长；

然后，将轴向缝机匣处理结构的开口面沿叶片安装角的相反方向旋转一定角度使之形成反叶片角向缝机匣处理结构，定义轴向缝机匣处理结构开口面沿叶片安装角的相反方向旋转为负，且反叶片角向缝机匣处理结构与叶片呈交叉分布。

其缝的前端面位于距离叶顶前缘上游25％的叶顶轴向弦长处,后端面位于75％的叶顶轴向弦长处，即缝的中心偏移度为0.25；中心偏移度的定义为叶顶轴向弦长中心与机匣处理结构中心的轴向位置之差与叶顶轴向弦长之比，且定义机匣处理结构向叶片前缘前伸为正。

缝的缝宽/缝片宽为3/1，即开缝面积/处理面积为75％。

缝的缝深为30％的叶顶弦长。

缝的开口面与轴向的夹角为-27°。

实施例

本实施例应用在跨音速轴流风扇转子nasarotor67上，该转子的基本参数如表1所示。

表1nasarotor67基本参数

本实施例中，在风扇机匣上沿轴向1加工数量为13条多条缝，并沿周向2均匀布设形成轴向缝机匣处理结构3，轴向缝机匣处理结构3的宽度覆盖整个叶顶4轴向1弦长。将轴向缝机匣处理结构3的开口面5沿叶片11安装角的相反方向旋转一定角度使之形成反叶片角向缝机匣处理结构6，定义轴向缝机匣处理结构3开口面5沿叶片11安装角的相反方向旋转为负，且反叶片角向缝机匣处理结构6与叶片11呈交叉分布。

本实施例中，缝的前端面7位于距离叶顶4前缘上游25％的叶顶4轴向1弦长处,后端面8位于75％的叶顶4轴向1弦长处，即缝的中心偏移度为0.25。缝的缝宽/缝片宽为3/1，即开缝面积/处理面积为75％。缝的缝深为2.72005cm，即等于30％的叶顶4弦长；缝的深度为30％的叶顶4弦长。缝的开口面5与轴向1的夹角为-27°。

轴向缝机匣处理结构、反叶片角向缝机匣处理结构的主要几何结构参数如表2所示。

表2两种机匣处理主要几何结构参数

在跨音速轴流风扇转子nasarotor67上开展轴向缝机匣处理结构、反叶片角向缝机匣处理结构的非定常数值模拟研究，其实施过程如下：

1)使用numecafine/turbo软件包的igg/autogrid模块生成风扇转子和机匣处理的数值计算网格；

2)使用numecafine/turbo软件包的euranus求解器对生成的数值计算网格进行全三维数值计算，具体配置为，风扇转子的转速为16043r/min，空间离散采用jameson有限体积中心差分格式并结合spalart-allmaras湍流模型对全三维雷诺时均方程在相对坐标系下进行求解，对于时间离散，定常计算时选择显式四阶runge-kuutta时间推进方法，同时加入二阶和四阶人工粘性项来消除数值计算中的伪数值计算振荡，并采用多重网格法、当地时间步长和隐式残差光顺等方法来加快收敛速度；非定常计算时利用隐式双时间步方法，物理时间步设置为660，每个物理时间步下的虚拟时间步设置为为20；

3)获取数值计算结果并进行数据处理，获得轴向缝机匣处理结构、反叶片角向缝机匣处理结构的综合失速裕度改进量和峰值效率改进量。

研究结果表明，反叶片角向缝机匣处理结构获得的综合裕度改进量比轴向缝机匣处理结构的高14.14％，同时峰值效率损失比之低1.62％，即反叶片角向缝机匣处理结构的扩稳能力比轴向缝机匣处理结构的更强，同时效率损失比之更小。