专利名称：：一种转子叶尖被动射流的扩稳方法
技术领域：
：本发明涉及的是一类拓宽轴流风扇/压气机稳定工作裕度的方法，并且能保证风扇/压气机的压比、效率特性不降低。
背景技术：
：高推重比是航空发动机发展的大趋势，这就要求风扇/压气机必须提高级负荷以满足推重比的需求。风扇/压气机级负荷的提高使得叶栅流动更容易失稳。对风扇/压气机流动失稳现象的研究发现，转子叶尖的大尺度流动分离是造成流动失稳的主要原因。因此，对转子叶尖采取合理的流动控制是推迟风扇/压气机失速发生的主要方法之一。研究表明，主动的或者被动的转子叶尖射流能够有效的控制转子叶尖流动，拓宽压气机的稳定工作裕度。目前，射流方法主要有两种实现手段l.采用外部的射流源。这种方法在实验研究阶段较为有效，但由于需要外部气源，因此很难进入工程应用；2.从压气机后面级引高压气来对前面级进行射流。这种方法虽然避免了外部引气，但是射流改变了风扇/压气机的流量，影响了风扇/压气机的级间匹配，同时，由于引气源为后面级的高能气体，因此降低了风扇/压气机的性能，并且，附加的设备使得风扇/压气机重量增加，结构变得复杂。基于以上的分析，有必要对射流形式作出改进，使其能够方便的进入工程应用。为了对射流形式作出改进，首先要了解射流扩稳的流动机理。一方面，对转子流动失稳的研究发现，随着转子负荷的提高，叶尖泄露涡的位置逐渐向流场上游偏移，当叶尖泄露涡达到相邻叶片的前缘时，失速即发生。另一方面，对转子叶尖射流技术的扩稳机理研究发现，射流速度与射流角度是影响射流扩稳效果的主要因素。当射流速度方向使转子叶尖基元处于零攻角附近工况时，射流的扩稳效果较好，在此基础上提高射流速度能进一步提高扩稳效果。分析射流对转子流场的作用发现，射流降低了转子叶尖负荷，并且将叶尖泄露涡向转子流场下游推移。综合以上的分析，可以得出如下结论转子叶尖射流由于提高了转子叶尖的速度，因此叶尖泄露涡向流场下游推移，从而可有效的推迟失速的发生。本发明在于通过风扇/压气机机匣的修型，使转子叶尖前缘形成一个局部的加速区，从而实现与转子叶尖射流类似的效果。本发明结构简单，不增加任何附加设施且具有明显的扩稳效果，因此具有较大的应用前景。
发明内容本发明的目的是在风扇/压气机转子叶尖前缘形成一个局部的加速区，将叶尖泄露涡的位置向转子下游推移，从而实现与转子叶尖射流相近的扩稳效果。本发明所采用的技术是根据转子工作状态下轴向位置、叶尖间隙及转子叶尖轴向弦长对机匣进行局部修型，使得转子叶尖流动形成一个局部加速区，如图1与图2所示。定义如下与机匣壁面修型相关的参数，如图3所示。对于非等外径设计的转子，轴向定义为沿机匣壁面的方向，径向定义为垂直机匣壁面的方向。几何量工作状态下转子叶尖间隙《；转子叶尖前缘轴向坐标Z^^g;转子叶尖轴向弦长^，无量纲量机匣壁面修型搭接量A;无量纲搭接量Z！=1,/^;机匣修型厚度A;无量纲修型厚度Z-A/5;机匣修型长度Z;坡角a-A/Z;对于设计已定的风扇/压气机转子，以上三个无量纲参数互相独立，可以用来评价其对扩稳效果的影响。图4、图5、图6分别显示了三个无量纲量的裕度变化曲线。其中ASM为压气机裕度增量，定义为A5M-SM^。^-SMto&。分别选取三个无量纲量的最佳值，可以得到机匣壁面的修型参数如下搭接量A=5xc2(1)修型厚度A=Kx5(2)修型长度=(3)根据以上确定的三个量，以及转子的几何参数，则可以确定机匣壁面修型的具体位置及大小。具体实施步骤为(1)确定A、B、C三点坐标，如图7所示。对于风扇转子，B点为风扇进口位置；对于多级压气机的中间级转子，B点满足如下两个条件之一即可a)B点为静子前缘点，b)AB段修型曲线坡角小于AC段修型曲线坡角的十分之一。A点为最大修型厚度点。C点为转子通道内的修型起始点。(2)重做机匣曲线。当Zfl<Z<^，任意位置的机匣半径及'与原来机匣半径及的关系表达为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>当<z<zc,任意位置的机匣半径及'与原来机匣半径及的关系表达为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>图l原型转子叶尖流动示意图(1:转子叶片，2:机匣，3:轮毂，4:来流)；图2机匣修型后转子叶尖流动示意图(1:转子叶片，2:机匣，3:轮毂，4:来流,A:最大修型厚度点)；图3机匣壁面修型参数示意图(A:机匣修型厚度，A:机匣壁面修型搭接量，Z:机匣修型长度，5:转子叶尖间隙，转子叶尖轴向弦长)；图4^/Cz—裕度曲线图5a—裕度曲线图6裕度示意图7机匣壁面修型方法示意图(1:导流叶片，2:转子叶片，3:新机匣，4:原机匣，5:来流，A:为最大修型厚度点，B:为风扇进口点，C:转子通道的修型起始点)；图8修型前后转子压比特性线对比；图9修型前后转子效率特性线对比；图10修型前后转子叶尖流场对比(a:新机匣，b:原机匣)；具体实施例方式以单转子为例，说明本发明的具体实施方式。根据上述转子前机匣的修型方法对一风扇转子机匣进行修型，并用数值模拟的方法验证其作用效果。该风扇转子的设计参数如表1所示，叶片表面参数为已知数据。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>一、根据图4、图5、图6选取最佳Z;、Z、"，分别为O.l,2，0.23。考虑到增大修型厚度量可能会对发动机结构及前面级气动产生影响，且修型厚度增大对裕度的影响渐渐平缓，因此选取修型厚度为2倍间隙大小。二、根据式(1)、式(2)、式(3)及转子几何参数，可以分别得到机匣壁面修型参数l!=czx0.1=0.00276,A=2x^=0.0013,丄=A/0.23=0.00565。三、确定机匣修型的坐标^、Zs、Zc。B点选为转子的进口。可得^=-0.0425，Zc=&。+丄,=0.00921，&=Zc—丄=0.00356。四、根据步骤(2)重新拟合机匣曲线。对比机匣修型前后转子压比、效率特性图，如图8及图9所示，可以看出，转子裕度有了较大幅度的提升，ASM约为4.85%,并且转子的压比及效率也都有所提升。对比同一背压条件下修型前后转子叶尖流场，如图10所示，可以看出，机匣修型后叶尖泄露涡的位置明显的向转子下游偏移，因此减小了转子叶尖堵塞，提高了转子的稳定工作裕度。由于机匣修型减轻的转子叶尖的流动堵塞，因而损失降低，转子的整体效率和压比都有一定程度的提升。本实例中最高压比提升的约0.007,最高效率提升了约0.17个百分点。人们将会了解到，本发明不限于本申请案中指出和说明的特殊实施例子，只要不违背权利要求书中限定的新构思和范围就可以做出各种改变和改进的方案。权利要求1、一种风扇/压气机扩稳方法，其特征在于根据压气机结构的几何特征对机匣局部进行修型，确定新的机匣几何，包括最大修型厚度位置ZA，修型起始点位置ZB，修型结束点位置ZC，以及最大修型厚度Δ。新的机匣半径确定方法为在修型I段，R′＝R+Δ×(Z-ZB)/(ZA-ZB)；在修型AB段，R′＝R+Δ×(ZC-Z)/(ZC-ZA)。其中，R为原机匣任意轴向位置的半径，R′为该位置的新的机匣半径。2、按照权利要求1所述的机匣修型方法，最大修型厚度A范围取值为1~3倍的转子叶尖间隙。3、按照权利要求1所述的机匣修型方法，修型结束点的位置确定为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中Z^d—为转子前缘叶尖位置轴向坐标，cz为转子叶尖轴向弦长，系数&取值范围在0~0.2之间，而取值为O.l附近时扩稳效果较优。4、按照权利要求1所述的机匣修型方法，修型AC段坡角"取值范围为0.1~0.5,而取值0.29附近时扩稳效果较优<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>5、按照权利要求1所述的机匣修型方法，最大修型厚度位置^由修型结束点的位置Zc、最大修型厚度A及修型AC段坡角a确定，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>6、按照权利要求1所述的机匣修型方法，修型起始点位置A的确定方法为，令Z^为风扇转子或压气机转子上游无穷远，或者令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>全文摘要转子叶尖射流能够有效的提高压气机的失速裕度。对转子叶尖射流扩稳的流动机理研究发现，转子叶尖射流由于提高了转子叶尖的速度，因此叶尖泄露涡向流场下游推移，从而可有效的推迟失速的发生。本发明在于通过风扇/压气机机匣的修型，使转子叶尖前缘形成一个局部的加速区，从而实现与转子叶尖射流类似的效果。本发明通过在Rotor37上的数值研究，给出了机匣修型厚度、修型搭接量以及修型坡角对扩稳效果的影响。当采用修型厚度为2倍转子叶尖间隙，修型位置为0.1倍转子叶尖轴向弦长，修型坡角为0.23的修型方案时，转子裕度提升了4.85％。对转子叶尖流场的分析发现，采用转子叶尖被动射流方法后，叶尖泄露涡明显的向吸力面靠近。文档编号F04D29/32GK101660543SQ20091009258公开日2010年3月3日申请日期2009年9月18日优先权日2009年9月18日发明者侯安平,盛周,周军伟申请人:北京航空航天大学