本发明涉及燃气轮机/航空发动机技术领域，尤其涉及一种静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机。
背景技术：
压气机作为燃气轮机/航空发动机的关键部件之一，目前其朝着高负荷和高稳定性方向发展。增加负荷会使压气机内部流动变得非常复杂，对静叶而言，强逆压梯度会使吸力面附面层流动分离加剧，叶型损失增加。此外，非定常转静干涉会产生大量噪音，且上游静叶出口流场内的压力损失会加剧下游转子进口的非定常性和非均匀性，有可能会引起发动机的高周疲劳，影响发动机的使用寿命。因此，设法抑制压气机静叶吸力面流动分离具有重要意义。
采用吹/吸附面层以抑制流动分离的方法早在1904年由普朗特提出，并证实了采用附面层抽吸技术可以有效的控制流动分离。1997年，麻省理工学院在美国空军的资助下为提高高压压气机的级负荷率先提出了吸气式压气机气动设计概念，即通过加大静叶折转角尽可能地提高压气机级负荷，同时在静叶吸力面采用抽吸的方式抑制因折转角加大引起的分离。已有的设计结果表明吸气式压气机只需要抽吸3.5％的主流流量就可使压气机的级压比超过3(典型的压气机级压比低于2)。现有的研究表明，采用附面层抽吸，可以吸除附面层的低能流体，抑制或推迟附面层流动分离，从而可以使叶型达到很大的弯度，提高级压比；同时，采用附面层抽吸，可以减弱叶尖泄漏涡的强度，进而有利于增强压气机运行的稳定性。研究同时表明，单独应用附面层抽吸技术，会将部分已加功流体排出，影响整机的效率及经济性。
采用附面层喷气是抑制流动分离的另一种方法，研究表明采用喷气的方法可以使气流转角超过临近值60°。2009年nerge等人采用实验和数值模拟的方法对附面层喷气进行了研究，结果表明，当叶片稠度由0.4变为0.6时，除了二次流外，附面层产生了严重的分离，采用稳态附面层喷气技术可以有效控制强二次流及附面层分离，使气流转角增至60°。之后，nerger又针对稠度0.6的高负荷压气机平面叶栅进行了端壁和吸力面喷气的实验研究，发现端壁喷气主要是削弱二次流影响，吸力面喷气的主要作用是减少叶型附面层分离，二者组合喷气效果最好。2004年kirtley等人采用实验和数值模拟的方法，进行了通过降低叶片稠度来提高叶栅的负荷，同时采用定常射流的方法抑制流动分离的研究。在引气量为主流流量的1％时，对低速压气机可以达到使用2.1％的级效率下降换取稠度减少30％的目标，对高速压气机保守估计要用0.5％的级效率下降换取同等目标。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本发明静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机包括：机匣；于机匣内侧沿机匣轴向设置的n排静叶；以及设置于n排静叶其中之一的高压级静叶和其中另一的低压级静叶之间的自循环抽吸喷气装置；其中，n≥2，自循环吸喷气装置利用多级轴流压气机中高压级与低压级之间的静压差，将高压级静叶吸力面的气体引回到低压级静叶吸力面进行附面层喷气。
优选地，在本发明的一些实施例中，n≥4，高压级静叶和低压级静叶隔开n排的静叶，n≥2。
优选地，在本发明的一些实施例中，自循环抽吸喷气装置包括：在高压级静叶的吸力面开设的抽吸结构；在低压级静叶的吸力面开设的喷气结构；以及密封连接高压级静叶的吸力面上的抽吸结构与低压级静叶的吸力面上的喷气结构之间的气流通道。
优选地，在本发明的一些实施例中，抽吸结构为抽吸缝或抽吸孔，其数目为一个或多个。
优选地，在本发明的一些实施例中，低压级静叶内开设引气通道；在低压级静叶的引气通道的内壁上设置有用于引导气体流动的导流叶片。
优选地，在本发明的一些实施例中，喷气结构为：喷气缝或喷气孔。
优选地，在本发明的一些实施例中，喷气结构为喷气缝；喷气缝后的低压级静叶吸力面为康达平面。
优选地，在本发明的一些实施例中，气流通道为：设置于机匣外侧的管材；或形成于机匣内的通道。
优选地，在本发明的一些实施例中，气流通道为圆形管材。
优选地，在本发明的一些实施例中，还包括：设置于机匣中心轴位置的轮毂；于轮毂外侧沿机匣轴向设置的m排动叶，且动叶与静叶交错排布；其中，m≥1。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过在多级轴流压气机高压级静叶吸力面与低压级静叶吸力面之间设置自循环抽吸喷气装置，利用多级轴流压气机高压级与低压级之间的静压差，将高压级静叶吸力面的气体通过该自循环抽吸喷气装置引回到低压级静叶吸力面进行喷气，可以兼具附面层抽吸、喷气技术的有益效果，从而达到稳定性裕度提高和效率改善的双重目的。
(2)通过在多级轴流压气机高压级静叶吸力面开设结构参数经过优化的抽吸缝(或抽吸孔)，将吸力面附面层内的低能流体引出，使附面层分离减弱，气流折转角增大，总损失大幅度降低。同时在小流量工况下，对其后面级而言，采用附面层抽吸可以减少气流流量，使气流攻角增加，使其脱离堵塞状态。
(3)在低压级静叶吸力面采用附面层喷气，即在多级轴流压气机低压级静叶吸力面开设结构参数经过优化的喷气缝(或喷气孔)，为附面层低能流体注入能量，使其抵抗逆压梯度的能力增加。同时在小流量工况下，采用附面层喷气，由于有效抑制流动分离，减小了空气流路的阻力，使前面级压气机通流能力增加，轴向速度增大，攻角减小，使得多级压气机前面级退出喘振工作状态进入稳定工作。
(4)采用的自循环抽吸喷气装置主要是采用一段圆管，该圆管与低压级静叶吸力面与高压级静叶吸力面引气通道的连接部分，保证圆管内壁与连接部分内壁尽可能光滑过渡和无缝连接，尽可能保证气流在引气通道及圆管内流动时损失小且密封性能好。
附图说明
图1a为根据本发明实施例多级轴流压气机的示意总图。
图1b为图1a所示多级轴流压气机中自循环抽吸喷气装置的的结构示意图。
图2为多级轴流压气机中静叶叶表吸力面气流分离的示意图。
图3为图1a所示多级轴流压气机中高压级静叶吸力面抽吸缝及引气通道的示意图。
图4为图1a所示多级轴流压气机中低压级静叶吸力面喷气孔及引气通道的示意图。
图5为本发明另一实施例多级轴流压气机中低压级静叶吸力面采用康达喷气的结构示意图。
【附图中本发明实施例主要元件符号说明】
1-喷气缝(或孔)；2-自循环装置；3-高压级静叶；
3′-低压级静叶；4-机匣；5-轮毂；
6-抽吸缝(或孔)；7-压力面；8-吸力面；
9-前缘；10-引气通道；11-康达表面；
12-动叶。
具体实施方式
在实现本发明的过程中，申请人发现：单独使用附面层抽吸技术会由于部分高压流体抽离压气机，会影响该技术对整机效率的改善程度；而附面层喷气技术需要从外部气源或高压级引气，两种技术单独应用均需要复杂的辅助装置，实现的成本均较高。
申请人创造性地将上述两种技术联合起来，提供了一种多级轴流压气机，该多级轴流压气机在高压级静叶吸力面与低压级静叶吸力面之间设置自循环抽吸喷气装置，利用多级轴流压气机内高压级与低压级之间的静压差，将高压级静叶吸力面附面层内的低能流体通过该自循环抽吸喷气装置引回至低压级静叶吸力面进行附面层喷气。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机。
图1a为根据本发明实施例多级轴流压气机的示意总图。图1b为图1a所示多级轴流压气机中自循环抽吸喷气装置的的结构示意图。如图1a和图1b所示，本实施例静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机包括：
机匣4；
设置于机匣中心轴位置的轮毂5；
于机匣内侧沿机匣轴向设置的n排静叶3；
于轮毂5外侧沿机匣轴向设置的m排动叶12，且动叶与静叶交错排布；
设置于n排静叶其中之一的高压级静叶3和其中另一的低压级静叶3′之间的自循环抽吸喷气装置，其利用多级轴流压气机的高压级与低压级之间的静压差，将高压级静叶吸力面的气体引回到低压级静叶吸力面进行附面层喷气。
其中，n≥2，m≥1，所述高压级和低压级是相对而言，高压级的气流压力要高于低压级的气流压力。并且，上述的高压级静叶和低压级静叶可以相邻，也可以是隔开几排静叶。
由于相邻叶片的压差较小，在本发明优选的技术方案中，n≥4，高压级静叶和低压级静叶隔开n排的静叶，n≥2。
以下对本实施例多级轴流压气机进行详细描述。
本实施例中，m＝n＝3，但本发明并不以此为限。本领域技术人员应当清楚，可以依照实际需要来确定动叶和静叶的排数。只要具有多于两排的静叶，依照气流压力的方向，就会区分高压级静叶和低压级静叶，就可以实现本发明。
申请人通过数值计算和实验研究，对叶片通道的损失分布进行详细的分析。为提高多级轴流压气机的负荷，需对其静叶采用大折转角设计。图2为多级轴流压气机中静叶叶表吸力面气流分离的示意图。请参照图2，此时静叶吸力面会发生严重的分离，并大幅度降低压气机效率。具体详细的分离点及分离范围需通过数值计算给出。
其中，自循环抽吸喷气装置包括：在高压级静叶3的吸力面开设的抽吸结构(如抽吸缝或抽吸孔)；在低压级静叶3′上开设的喷气结构(如喷气缝或喷气孔)；以及密封连接高压级静叶吸力面上的抽吸结构与低压级静叶吸力面上的喷气结构之间的气流通道。
所述在多级轴流压气机高压级静叶吸力面进行的抽吸，是根据静叶吸力面流动分离情况在吸力面局部区域开设抽吸结构实现。此外，对应抽吸结构的位置，在叶片内部开还设引气通道，将抽吸气体汇集。
本实施例中，在高压级静叶吸力面开设经过结构优化的抽吸结构，吸力面附面层内的流体会在压气机高低压级之间的静压差作用下从抽吸结构中经引气通道引出，可以吸除附面层的低动能流体，可以抑制附面层分离，提高气流转折能力。此外，分离状况的改善可以提高压气机的通流能力，有利于在小流量工况下，避免低压级过早进入喘振工况、高压级进入堵塞工况，提高稳定性裕度。
关于抽吸结构的形状、和分布等具体参数，需要根据不同流场状况优化得到，在此不做具体说明。
图3为图1a所示多级轴流压气机中高压级静叶吸力面抽吸缝及引气通道的示意图。如图3所示，缝的位置根据流场的分离情况而定，抽吸缝的形状及分布等具体参数的设计根据流场选取，可选取的形式包括圆形孔、矩形缝等，在叶表的开缝位置可为沿展向不变(直)，也可根据流场情况为弧线形或不规则形式；抽吸缝的个数可为一个或多个，其具体设计参数需优化得到。
所述在多级轴流压气机的低压级静叶的吸力面采用附面层喷气，即在叶片内部开设引气通道。在引气通道内，低压级静叶的内壁上设置经过优化设计的导流叶片，并开设喷气结构进行喷气。
本实施例中，高压喷气自高压级经自循环抽吸喷气装置及引气通道引入，经导流叶片后转向，经喷气缝(或喷气孔)注入静叶吸力面附面层，增加附面层的动能，抑制流动分离。
本领域技术人员可以理解，具体开设喷气结构的位置及其他参数根据不同流场优化得到，喷气结构可以为圆形孔或矩形缝。
图4为图1a所示多级轴流压气机中低压级静叶吸力面喷气孔及引气通道的示意图。如图4所示，本实施例中，在低压级静叶3′的吸力面的中央位置设置一列共六个的长方形的喷气孔。
在本发明的另一实施例中，在低压级静叶吸力面采用康达喷气，即喷气缝后低压级静叶吸力面应用康达表面，使喷气能够附壁流动。图5为本发明另一实施例多级轴流压气机中低压级静叶吸力面采用康达喷气的结构示意图。如图5所示，即将与尾缘相连部分的吸力面叶型改为曲率适当的康达表面，在附壁效应的作用下，喷射气流将沿康达表面流动，减小现有技术中射流与主流的掺混损失，有助于改善压气机效率。
同样，在数值计算和实验研究的基础上，确定低压级静叶吸力面流动分离的范围及位置，进行喷气缝(或喷气孔)参数的优化选择。
密封连接高压级静叶吸力面抽吸缝(或抽吸孔)与低压级吸力面康达喷气缝的通道，是采用管件将高压级静叶抽吸缝(或抽吸孔)对应开设的引气通道与低压级静叶吸力面康达喷气引气通道对应无缝连接。为了保证各个方向受力的均匀性，所述管材优选为圆管。
需要说明的是，虽然本实施例采用管件来实现连通，但本发明并不以此为限。本领域技术人员应当清楚，还可以通过形成于机匣内的通道来实现连通，不影响本发明的实现。
本实施例的这种多级轴流压气机静叶间的自循环抽吸喷气装置，在该多级轴流压气机处于变工况运行并向小流量工况推进时，该自循环抽吸喷气装置的引气量会随设置于该多级轴流压气机出口的节流阀的关闭而逐渐增加，使得低压级静叶吸力面康达喷气量增大，这样既能缓解压气机高压级的流动分离及气流堵塞现象，又能加强对低压级流动分离的抑制作用，从而有利于推迟小流量工况下“前喘后堵”现象的发生。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机有了清楚的认识。
综上所述，本发明静叶间自循环抽吸喷气的多级轴流压气机涉及燃气轮机/航空发动机技术领域，其采用自循环方式，将多级轴流压气机高压级静叶吸力面附面层的流体引回到低压级静叶吸力面进行附面层喷气，可以减小高负荷压气机大折转角静叶引起的流动分离，进而有利于改善在小流量工况下高压级发生堵塞、低压级发生喘振的现象，从而达到提高失速裕度和效率的双重目的，有利于实现多级轴流压气机的稳定、高效运行。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到[约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。