一种旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置的制作方法

本发明涉及燃气轮机压气机技术领域，具体而言，尤其涉及一种旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置。

背景技术：

压气机是燃气轮机的核心部件之一，其技术含量高、研制难度大。旋转冲压压缩转子是一种新型的超声速压气机转子，其利用流道内产生的激波系实现气流间断性压缩，具有单级压比高、结构紧凑、体积小等优点。

然而旋转冲压压缩转子内存在的复杂激波系，激波-激波以及激波-附面层相互干涉及其所诱导的气流分离等复杂流动现象，导致压气机转子特性曲线陡峭，峰值效率工况靠近失速工况，因此如何有效扩大旋转冲压压缩转子稳定裕度是目前急需解决的问题。研究表明，旋转冲压压缩转子进气流道内不仅存在着s1及s2流面激波，还存在很强的隔板顶部泄漏流。受泄漏流影响，靠近隔板吸力面的气流相对马赫数与压力面相比较低，因此，隔板吸力面s1流面内的激波存在整体向上游迁移的趋势。另一方面隔板顶部泄漏流与s2流面激波系相互作用，导致隔板近前缘位置的泄漏涡形成之后，在沿着流向向下游运动的过程中，会逐渐向相邻隔板压力面靠近。由于泄漏涡卷吸了大量的低能流体团，靠近相邻隔板压力面后，会破坏s2流面的激波系。这种受隔板顶部流体泄漏作用而导致的波系前移和激波/附面层/泄漏流之间的相互干涉现象会减小旋转冲压压缩转子的稳定工作范围。

旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，通过结合隔板顶部喷气和机匣抽吸技术，自动抽除高压区隔板顶部泄漏流，同时增大低压区隔板顶部区域气流流速。可用于减小隔板间隙泄漏流、机匣端壁/隔板附面层分离等不稳定流动对主流的限制，在影响旋转冲压压缩转子效率较小的基础上，有效扩大其稳定工作范围。工作时，旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置将转子出口下游高压气流作为喷气气源，利用进出口气流压差驱动循环，无需提供外界动力/气源。并且，自循环过程的喷气量能够根据旋转冲压压缩转子工况自行调节。

技术实现要素：

根据上述提出现有技术中存在的受隔板顶部流体泄漏作用而导致的波系前移和激波/附面层/泄漏流之间的相互干涉现象会减小旋转冲压压缩转子的稳定工作范围的技术问题，而提供一种旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置。本发明主要利用隔板顶部喷气和机匣抽吸技术，在对旋转冲压压缩转子总体性能影响较小的情况下，拓展旋转冲压压缩转子稳定裕度；具有设计灵活、结构简单、无需外部气源/外部驱动力以及能够自行调节喷气量等优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，包括轮盘、隔板、外机匣和自循环机匣处理结构，所述轮盘为旋转冲压压缩转子的基座，所述轮盘的外缘设有轮毂，所述隔板沿螺旋线安装在所述轮毂上，所述轮毂上设有气流压缩楔面，所述外机匣将轮盘和隔板包围在内，所述外机匣为旋转冲压压缩转子进气流道的上端壁，所述自循环机匣处理结构与所述外机匣相连；

所述自循环机匣处理结构采取离散式结构，包括桥道、吸气段装置和喷气段装置，所述吸气段装置和所述喷气段装置分别安装在所述外机匣两端开设的卡槽处，所述吸气段装置与所述桥道的一端相连，所述吸气段装置与所述桥道内部相通处设有吸气槽，所述吸气槽与流道交接处位于转子流道出口处；所述喷气段装置与所述桥道的另一端相连，所述喷气段装置与所述桥道内部相通处设有喷气槽，所述喷气槽与流道交接处位于转子流道进口处；所述桥道为渐缩式结构，在桥道内实现对气流进行加速，从而提高喷气槽的射流流速；所述桥道弯折处的内部侧壁面设有整流挡板，设置整流挡板能够调整桥道内气流流动方向，抑制桥道弯折处壁角涡的发展，从而加速气流流动，减小流动损失，其中，整流挡板的安装位置、数量和整流角度可结合实际需求自行设计。

进一步地，上述离散式结构是指自循环机匣处理结构中的若干桥道均间隔设置。

进一步地，上述桥道采用渐缩式结构时，靠近吸气槽处的桥道截面积大，靠近喷气槽处的桥道截面积小，使得气流在桥道内进行加速，提高喷气槽射流流速。

进一步地，所述桥道为流向桥道或轴向桥道。

上述流向桥道是自吸气段向喷气段沿流道方向发展，并通过螺旋线积叠形成的，该螺旋线的螺旋角与隔板安装角相同；轴向桥道是自吸气段向喷气段沿旋转轴方向发展，并通过一条与轴向平行直线积叠形成的。

进一步地，所述吸气段装置与所述外机匣交接，组成吸气结构，所述吸气结构与流道交互处采用吸气槽结构或吸气孔结构，通过更换吸气段装置来改变吸气角度。

进一步地，所述喷气段装置与所述外机匣交接，组成喷气结构，所述喷气结构与流道交互处采用喷气槽结构或喷气孔结构，通过更换喷气段装置来改变喷气角度。

进一步地，所述喷气槽采用收缩喷管或康达喷嘴，采用收缩喷管时可提高叶顶喷气气流流速，采用康达喷嘴时，可使射流直接作用于隔板顶部区域，从而减少对来流的扰动。

进一步地，所述桥道采用平直结构，可减小桥道处流动损失。

进一步地，所述整流挡板的弧线曲率与所述桥道弯折处的弧线曲率相匹配。

进一步地，在每个所述桥道弯折处，至多设有3个均匀布置的所述整流挡板，防止设置过多整流挡板造成桥道流量过小，从而影响自循环机匣处理装置的扩稳效果。

进一步地，所述气流压缩楔面设有三个区域，依次是超声压缩面、喉部稳定面和亚声扩压面，所述超声压缩面为径向间隙逐渐缩小的压缩气道，实现气流间断性压缩，气流参数发生突跃；所述喉部稳定面为径向间隙保持不变的等面积通道，可将受压缩气体气流参数发展成稳定状态；所述亚声扩压面为径向间隙逐渐增大的压缩气道，可将气流进一步压缩，同时将压强与温度进一步提高。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，采用被动间隙控制技术，自动抽除高压区隔板顶部泄漏流，吹除低压区隔板顶部泄漏流，减小隔板间隙泄漏流、隔板端壁/隔板附面层分离等不稳定流动对主流的限制，在影响旋转冲压压缩转子效率较小的基础上，实现了有效扩大其稳定工作范围的效果。

2、本发明提供的旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，利用压气机出口下游的高压气流提供喷气气源，由进出口气流压差驱动循环，无需提供外界动力/气源。

3、本发明提供的旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，可根据压气机转子的工作状态自动调节自循环喷气量。

4、本发明提供的旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，具有结构简单，设计灵活，拆装方便，成本较低等优点。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中存在的受隔板顶部流体泄漏作用而导致的波系前移和激波/附面层/泄漏流之间的相互干涉现象会减小旋转冲压压缩转子的稳定工作范围的问题。

基于上述理由本发明可在旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中轮盘的结构示意图。

图3为本发明中离散式流向自循环处理结构的结构示意图。

图4为本发明中a处的放大图。

图5为本发明中离散式轴向自循环处理结构的结构示意图。

图6为本发明中b处的放大图。

图7为本发明中喷气槽、吸气槽的结构示意图。

图8为本发明中c处的放大图。

图9为本发明中d处的放大图。

图10为本发明中喷气孔、吸气孔的结构示意图。

图11为本发明中e处的放大图。

图12为本发明中f处的放大图。

图中：1、轮盘；2、隔板；3、外机匣；4、自循环机匣处理结构；5、超声压缩面；6、喉部稳定面；7、亚声扩压面；8、吸气槽；9、喷气槽；10、流向桥道；11、轴向桥道；12、吸气孔；13、喷气孔；14、轮毂；15、整流挡板；16、渐缩式结构；17、吸气段装置；18、喷气段装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

如图1-12所示，本发明提供了一种旋转冲压压缩转子自循环机匣处理装置，包括轮盘1、隔板2、外机匣3和自循环机匣处理结构4，轮盘1为旋转冲压压缩转子的基座，轮盘1的外缘设有轮毂14，隔板2沿螺旋线安装在轮毂14上，轮毂14上设有气流压缩楔面，外机匣3将轮盘1和隔板2包围在内，外机匣3为旋转冲压压缩转子进气流道的上端壁，自循环机匣处理结构4通过螺栓与外机匣3相连；

自循环机匣处理结构4采取离散式结构，包括桥道、吸气段装置17和喷气段装置18，吸气段装置17和喷气段装置18分别安装在外机匣3上下两端开设的卡槽处，吸气段装置17通过螺栓连接于桥道的一端，吸气段装置17与桥道内部相通处设有吸气槽8，吸气槽8与流道交接处位于转子流道出口处，多选择喉部稳定面6末尾或亚声扩压面7之后的流道区域；喷气段装置18通过螺栓连接于桥道的另一端，喷气段装置18与桥道内部相通处设有喷气槽9，喷气槽9与流道交接处位于转子流道进口处，多选择超声压缩面5之前的流道区域；桥道为渐缩式结构16，在桥道内实现对气流进行加速，从而提高喷气槽9的射流流速，桥道流通面积由设计工况下自循环流量决定；桥道弯折处的内部侧壁面设有整流挡板15，设置整流挡板能够调整桥道内气流流动方向，抑制桥道弯折处壁角涡的发展，从而加速气流流动，减小流动损失，其中，整流挡板15的安装位置、数量和整流角度可结合实际需求自行设计。

上述离散式结构是指自循环机匣处理结构4中的若干桥道均间隔设置。

上述桥道采用渐缩式结构16时，靠近吸气槽8处的桥道截面积大，靠近喷气槽9处的桥道截面积小，使得气流在桥道内进行加速，提高喷气槽9射流流速。

本实施例中的桥道为流向桥道10。

本实施例中的吸气段装置17与外机匣3交接，组成吸气结构，吸气结构与流道交互处采用吸气槽8结构，通过更换吸气段装置17来改变吸气角度。

本实施例中的喷气段装置18与外机匣3交接，组成喷气结构，喷气结构与流道交互处采用喷气槽9结构，通过更换喷气段装置18来改变喷气角度。

本实施例中的喷气槽9采用收缩喷管或康达喷嘴，采用收缩喷管时可提高叶顶喷气气流流速，采用康达喷嘴时，可使射流直接作用于隔板2顶部区域，从而减少对来流的扰动。

本实施例中的整流挡板15的弧线曲率与桥道弯折处的弧线曲率相匹配。

本实施例中，在每个桥道弯折处，设有3个均匀布置的整流挡板15，防止设置过多整流挡板15造成桥道流量过小，从而影响自循环机匣处理装置的扩稳效果。

本实施例中的气流压缩楔面设有三个区域，依次是超声压缩面5、喉部稳定面6、亚声扩压面7，超声压缩面5为径向间隙逐渐缩小的压缩气道，实现气流间断性压缩，气流参数发生突跃；喉部稳定面6为径向间隙保持不变的等面积通道，可将受压缩气体气流参数发展成稳定状态；亚声扩压面7为径向间隙逐渐增大的压缩气道，可将气流进一步压缩，同时将压强与温度进一步提高。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例中的桥道为轴向桥道11。

本实施例中的吸气结构与流道交互处采用吸气孔12结构。

本实施例中的喷气结构与流道交互处采用喷气孔13结构。

本实施例中的桥道采用平直结构，可减小桥道处流动损失，平直结构是指为非收缩结构，桥道内每一处的通道截面积均相等。

本实施例中，在每个桥道弯折处，设有2个均匀布置的整流挡板15，防止设置过多整流挡板15造成桥道流量过小，从而影响自循环机匣处理装置的扩稳效果。

工作过程：当旋转冲压压缩转子高速旋转后，相对超声速气流被吸入转子流道；由于气流压缩楔面的存在，气流经过超声压缩面5时，根据超声速进气道压缩气体理论，流道截面积减小，相对超声速气流在流道内产生多道激波；气流经过激波后，被间断性压缩，气流参数会发生突跃。受压缩气体气流参数在喉部稳定面6逐渐发展稳定；随后，气流经过亚声扩压面7时，由于流道截面积改变，并受出口背压的影响，产生结尾激波或激波串，气流进一步压缩，其压强与温度进一步提高；此时进气流道进口处低压区气流压力远小于出口处高压区气流压力，两区域之间存在明显压差；自适应机匣处理结构4通过在进气流道进口处低压区设置吸气段装置17，在出口处高压区设置喷气段装置18，利用前后压差，将高压区气流作为喷气气源，使得部分高压区气流通过流入吸气槽8进入自适应机匣处理结构4，并经由桥道移动到喷气段装置18，随后自喷气槽9喷出。其中，设置在桥道弯折处的整流挡板15，对进入自适应机匣处理结构4的气流起整流作用，通过调整其流动方向，抑制桥道弯折处壁角涡的生成，减小流动损失。

自适应机匣处理结构4通过前后压差，将高压区气流作为喷气气源，在低压区隔板2顶端喷气，对隔板2间隙泄漏流、隔板2端壁/隔板2附面层分离等不稳定流动进行控制，减少损失，抑制压气机旋转失速现象的发生，扩大压气机稳定裕度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。