离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣的制作方法

本发明是一种离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，属于叶轮机械技术领域。

背景技术：

叶轮式压气机分为轴流式压气机与离心压式气机两种基本类型。与多级轴流压气机相比，离心式压气机具有结构简单、重量轻、体积小等优点，并能在较宽的运行范围内保持较高的效率，因而在车、船增压器，部分工业压气机和航空压气机等设施上有广泛运用，但其稳定工作范围受到失速和喘振的限制。在离心压气机内部的流动中，由于流动空间小，流体所承受的逆压梯度作用强，具有复杂的涡系结构；位于转子叶尖的泄漏流结构是离心压气机内部流动损失和堵塞的主要来源，对压气机的压比、效率、裕度等性能具有至关重要的影响，严重时会引起压气机的失速和喘振，带来灾难性后果；经过几十年的研究，众多科研工作者们已经对压气机转子叶尖流动有了较深的认识，但由于其空间的局限性，流动的复杂性，目前还未能很好地根据已有的研究结果实现压气机内流动的有效控制；尤其是充分利用压气机内部流动机理，通过某种自循环调节机构，同时利用与改善不利于其性能的流动结构，达到扩大离心压气机稳定裕度进而扩大发动机工作范围的目的。

对离心压气机转子而言，导风轮和工作叶轮叶尖泄漏流动对其稳定工作状态有着重要影响，由于转子叶轮前缘溢流所导致的旋转失速问题是制约发动机稳定工作的关键；通过在工作叶轮前缘附近处引入抽吸激励在导风轮前缘附近处引入吹气激励，可有效改善转子叶尖的泄漏流动，提高转子的失速裕度，起到较好的扩稳效果。

机匣处理是一种常见的扩大压气机稳定裕度的方式，根据机匣处理结构对流场施加激励的特点，分为基于定常流动控制的机匣处理和基于非定常流动控制的机匣处理。前者已有众多学者展开了研究，设计了多种处理方式可以有效增加稳定裕度。而基于非定常流动控制的机匣处理可以对流场施加一定频率的激励，当激励频率与流场主要涡系结构频率相近时，就可以发生一定的相干作用，使流场中对应拟序结构有序化，以较小的能量付出达到改善流场的目的。并且，由于非定常流动控制与定常流动控制相比达到相同的控制效果所需要的激励强度小一个数量级，所以非定常流动控制对主流的影响较小，对离心压气机效率影响较小。

因此，基于非定常流动控制的离心压气机吹抽联合机匣处理方式对于提高离心压气机稳定裕度有着很大的优越性，可以通过一种简单可靠符合工程实际的具体实现方式。

技术实现要素：

本发明提出的是一种离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，其目的在于基于非定常控制机理在维持离心压气机效率基本不变的同时更大地提高离心式压气机的稳定裕度，进而有效扩大航空发动机工作范围。

本发明的技术解决方案：

离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，包括离心压气机机匣1、抽吸孔结构2、吹气孔结构3和环形空腔4；其中，抽吸孔结构2设于离心压气机机匣1内壁面靠近工作叶轮前缘的位置，吹气孔结构3设于离心压气机机匣1内壁面靠近导风轮前缘的位置，抽吸孔结构2和吹气孔结构3通过机匣内部沿通过气流方向截面积不变或渐缩的环形空腔4连接；所述吹气孔结构3沿周向具有较大的间隔，所述吹气孔结构3沿周向具有较大的间隔；所述离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣利用机匣与转子的相对运动和吹气孔结构3与抽吸孔结构2间的压差，驱动抽吸孔结构2与吹气孔结构3间气流流动，抽吸孔结构2内低压源通过周期性扫掠压气机转子流道来实现对压气机内流动的周期性抽吸作用，吹气孔结构3内气流通过周期性扫掠压气机导风轮流道来实现对压气机内流动的周期性吹气作用。

本发明的有益效果：

1）同时抑制离心压气机工作叶轮和导风轮叶尖附近的不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的影响范围和强度，从而显著扩大离心压气机的稳定工作裕度；

2）利用“以静制动”的非定常激励效应，在机匣上的开孔总面积比一般处理机匣小一个数量级以上，对离心压气机效率的影响较小，且结构简单、方便应用实施。

附图说明

附图1为离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣结构剖面示意图。

附图2为抽吸孔结构流动控制原理三维示意图。

附图3为吹气孔结构流动控制原理三维示意图。

附图4为抽吸孔结构所在横截面剖面示意图。

附图5为吹气孔结构所在横截面剖面示意图。

附图6为离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣中抽吸孔结构示意图。

附图中，1为离心压气机机匣，2为抽吸孔结构，3为吹气孔结构，4为环形空腔。

具体实施方式

离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，包括离心压气机机匣、抽吸孔结构、吹气孔结构和环形空腔；其中，抽吸孔结构设于离心压气机机匣内壁面靠近工作叶轮前缘的位置，吹气孔结构设于离心压气机机匣内壁面靠近导风轮前缘的位置，抽吸孔结构和吹气孔结构通过机匣内部沿通过气流方向截面积不变或渐缩的环形空腔连接；所述吹气孔结构沿周向具有较大的间隔，所述吹气孔结构沿周向具有较大的间隔；所述离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣利用机匣与转子的相对运动和吹气孔与抽吸孔间的压差，驱动抽吸孔与吹气孔间气流流动，抽吸孔内低压源通过周期性扫掠压气机转子流道来实现对压气机内流动的周期性抽吸作用，吹气孔内气流通过周期性扫掠压气机导风轮流道来实现对压气机内流动的周期性吹气作用。

所述抽吸孔结构是在工作叶轮进口下游距离叶片前缘L1处的机匣内壁面一周开N1个抽吸孔，在L1距离段叶尖附近的不利低能流的演变处于增长阶段，而抽吸孔结构所处位置的离心压气机内部压力高于环形空腔内部压力，由此实现向离心压气机内部的工作叶轮叶片通道内气流施加周期性向外抽吸的激励效果。

所述抽吸孔结构中的抽吸孔的数量N1为：记离心压气机主叶片数量为Z，Z由既有的离心压气机主叶片数确定，取N1/Z为0.4～0.7；所述抽吸孔距叶片前缘距离L1为：记工作叶轮叶片子午流道机匣侧弧长为L，L由既有的离心压气机工作叶轮叶片子午流道机匣侧弧长确定，取L1/L为0.4～0.7。

所述抽吸孔结构中的抽吸孔的开孔面积为：单个孔的面积为A1，记工作叶轮进口轮毂半径为R1、工作叶轮进口机匣内壁面半径 R2，R1、R2分别由既有的离心压气机工作叶轮进口轮毂半径和工作叶轮进口机匣内壁面半径确定，则工作叶轮进口面积为A=π（R2²-R1²），取A1/A为0.02～0.2%。

所述抽吸孔结构中的抽吸孔的开孔方向为：在子午面上，以指向主流方向为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角为35°～65°；在横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角为45°～75°。

所述吹气孔结构是在导风轮进口下游距离叶片前缘L2处的机匣内壁面一周开N2个吹气孔，在L2距离段叶尖附近的不利低能流的演变处于增长阶段，吹气孔结构所在位置处的离心压气机内部压力低于环形空腔内部压力，实现向离心压气机内部的导风轮叶片通道内气流施加周期性向内吹气的激励效果。

所述吹气孔结构(3)中的吹气孔的数量N2为：记离心压气机主叶片数量为Z，Z由既有的离心压气机主叶片数确定，取N2/Z为0.4～0.7；在子午面上，机匣上吹气孔与导风轮叶片前缘距离L2为：记离心压气机导风轮进口叶高为H，H由既有的离心压气机导风轮进口叶高确定，取L2/H为0.1～0.4。

所述吹气孔结构(3)中的吹气孔的面积为：单个孔的面积为A2，记导风轮进口轮毂半径R3，R3由既有的离心压气机导风轮进口轮毂半径确定，则导风轮叶轮进口面积为S=π*（（R3+H）²-R3²），取A2/S为0.02～0.2%；开孔角度为：在子午面上，以指向主流方向为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角为-40°～-70°；在横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上开孔方向与机匣外法线夹角为-50°～-80°。

所述抽吸孔结构(2)中的抽吸孔、吹气孔结构(3）中的吹气孔的形状为以下三种之一：①孔为椭圆形，其长半轴b与短半轴a的比值为是1.0～5.0，其面积为πab；②孔为矩形，其长边c与短边d的比值范围是1.0～5.0，此类举行还可以带有一个半径为r的小半径圆角，其面积为cd-4r2+πr2。；③孔为超椭圆形，（x/a）ⁿ+（y/b）ⁿ =1，其长半轴b与短半轴a的比值为1.0～5.0，其指数n的取值范围是2.0-10.0，其面积为4ab*(Γ(1+1/n))²/Γ(1+2/n)，Γ(z)为t^z-1/e^t对t作从0到正无穷的积分，当z为整数时Γ(z)=(z-1)!。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1所示，离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，包括离心压气机机匣1、抽吸孔结构2、吹气孔结构3和环形空腔4，所述的离心压气机机匣1内壁面，在靠近工作叶轮前缘位置设置沿周向具有较大间隔的抽吸孔结构2，在靠近导风轮前缘位置设置沿周向具有较大间隔的吹气孔结构3，抽吸孔结构2和吹气孔结构3通过机匣内部沿通过气流方向截面积不变或渐缩的环形空腔4连接。其原理在于利用机匣与转子的相对运动和吹气孔与抽吸孔间的压差，驱动抽吸孔与吹气孔间气流流动，抽吸孔内低压源通过周期性扫掠压气机转子流道来实现对压气机内流动的周期性抽吸作用，吹气孔内气流通过周期性扫掠压气机导风轮流道来实现对压气机内流动的周期性吹气作用。这项技术能够同时抑制离心压气机工作叶轮和导风轮叶尖附近的不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的影响范围和强度，从而显著扩大离心压气机的稳定工作裕度，有效扩大航空发动机工作范围；同时，由于巧妙利用“以静制动”的非定常激励效应，在机匣上的开孔总面积比一般处理机匣小一个数量级以上，对离心压气机效率的影响较小，且结构简单、方便应用实施。

如附图2、4所示，在其工作叶轮进口下游距叶片前缘一定距离L1处的机匣内壁面一周开N1个抽吸孔，在该距离处叶尖附近不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的演变处于增长阶段，而抽吸孔结构2所在位置处的离心压气机内部压力高于环形空腔4内部压力，由此实现向离心压气机内部的工作叶轮叶片通道内气流施加相对呈周期性向外抽吸的激励效果。

为实现周期性吹气的效果，所述的抽吸孔结构(2)的数量N1的特征在于：孔的数量参照离心压气机导风轮叶片数量选取，记离心压气机主叶片数量为Z，Z由既有的离心压气机主叶片数确定，取N1/Z为0.4～0.7。

所述的抽吸孔结构2，其开孔位置的特征在于：在子午面上，机匣上抽吸孔中心的位置与工作叶轮叶片前缘距离为L1，记工作叶轮叶片子午流道机匣侧弧长为L，L由既有的离心压气机工作叶轮叶片子午流道机匣侧弧长确定，取L1/L的范围为0.4至0.7。其开孔面积特征在于：机匣开孔的抽气量取决于机匣内壁面抽吸孔的面积，单个孔的面积为A1，记工作叶轮进口轮毂半径为R1、工作叶轮进口机匣内壁面半径R2，R1、R2分别由既有的离心压气机工作叶轮进口轮毂半径、工作叶轮进口机匣内壁面半径确定，则工作叶轮进口面积为A=π（R2²-R1²），取A1/A的范围为0.02%至0.2%。多数情况下，开孔面积取给定范围的中间值附近压气机稳定裕度较好，取偏小值附近压气机效率较高。

为更有效地利用气流动能，抽吸孔开孔方向的特征在于：在子午面上，以指向主流方向为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角的范围为35°到65°；在横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角的范围为45°到75°之间。

如附图3、5所示，其在离心压气机机匣内壁面开孔产生周期性吹气激励的方法的特征在于：在导风轮进口下游距叶片前缘一定距离L2处的机匣内壁面一周开N2个孔，在该距离处叶尖附近不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的演变处于增长阶段，吹气孔结构(2)所在位置处的离心压气机内部压力低于环形空腔4内部压力，由此实现向离心压气机内部的导风轮叶片通道内气流施加相对呈周期性向内吹气的激励效果。

吹气孔的分布特征在于：①为实现周期性吹气的效果，吹气孔的数量N2的特征在于：孔的数量参照离心压气机导风轮叶片数量选取，记离心压气机主叶片数为Z，Z由既有的离心压气机主叶片数确定，N2/Z的范围为0.4至0.7。②其开孔位置特征在于：在子午面上，机匣上吹气孔中心的位置与导风轮叶片前缘距离为L2，记导风轮进口叶高为H，H由既有的离心压气机导风轮进口叶高确定，取L2/H的范围为0.1至0.4。

单一吹气孔的特征在于：①吹气孔的面积特征在于:吹气孔的吹气量取决于机匣内壁面吹气孔的面积，单个孔的面积为A2，记导风轮进口轮毂半径R3，R3由既有的离心压气机导风轮进口轮毂半径确定，则导风轮叶轮进口面积为S=π（（R3+H）²-R3²），取A2/S的范围为0.02%至0.2%；多数情况下，开孔面积取给定范围的中间值附近压气机稳定裕度较好，取偏小值附近压气机效率较高。②为更有效地对叶轮气流产生激励，开孔角度的特征在于：在子午面上，以指向主流方向为正，机匣上开孔方向与机匣外法向夹角的范围为-40°到-70°；在横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上开孔方向与机匣外法线夹角的范围为-50°到-80°。

如附图6所示，为更有效地对叶轮气流产生激励，抽吸孔和吹气孔的形状特征可以按以下三类设计：①如图6.2所示，孔可以选择为椭圆形，其长半轴b与短半轴a的比值范围是1.0至5.0,其面积为πab；②如图6.1所示，孔也可选择为矩形，其长边c与短边d的比值范围是1.0至5.0，此类矩形可以带有一个小半径圆角(半径为r),其面积为cd-4r²+πr²；③如图6.3所示，孔也可选择为按照下式生成的超椭圆，（x/a）ⁿ+（y/b）ⁿ =1，其长半轴b与短半轴a的比值范围是1.0至5.0，其指数n的取值范围是2.0至10.0,其面积为4ab(Γ(1+1/n))²/Γ(1+2/n)，Γ(z)为t^z-1/e^t对t作从0到正无穷的积分，当z为整数时Γ(z)=(z-1)!。以上三种孔型，多数情况下，其长短半轴（长短边）比值取给定范围的中间值附近效果较好。同时，从环形空腔4内壁面至机匣1内壁面，孔的横截面积保持不变或逐渐减小；多数情况下孔可取为直孔。

实施例（以某微型涡喷发动机离心压气机为例）

本发明的离心压气机周向大间隔小开孔吹抽联合脉冲激励机匣，包括离心压气机机匣1、抽吸孔结构2、吹气孔结构3和环形空腔4；离心压气机机匣1内壁面，在靠近工作叶轮前缘位置设置沿周向具有较大间隔的抽吸孔结构2，在靠近导风轮前缘位置设置沿周向具有较大间隔的吹气孔结构3，抽吸孔结构2和吹气孔结构3通过机匣内部沿通过气流方向截面积渐缩的环形空腔4连接。

在工作叶轮进口下游距叶片前缘一定距离L1处的机匣1内壁面一周开N1个抽吸孔2，在该距离处叶尖附近不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的演变处于增长阶段，且抽吸孔结构2所在位置处的离心压气机内部压力高于环形空腔4内部压力，由此实现向离心压气机内部的工作叶轮转子叶片通道内气流施加相对呈周期性向外抽吸的激励效果。

抽吸孔2为横截面为椭圆形的直孔，其长半轴a=1.14mm，短半轴b=0.57mm，长短半轴比值a/b为2.0，n=2.0；吹气孔3为横截面为圆角矩形的直孔，其长边c=2.00mm，短边d=1.00mm长短边比值c/d为2.0，倒角半径r=0.17mm，倒角半径r与短边d的比值为0.17。

抽吸孔2的数量N1=7，既有的离心压气机主叶片数量为Z=14，N1/Z为0.5。

在子午面上，机匣上抽吸孔2中心的位置与叶片前缘距离为L1=9.42mm，既有离心压气机叶片子午流道机匣侧弧长为L=18.85mm，L1/L为0.5。

机匣开孔的抽气量取决于机匣内壁面抽吸孔的面积，单个抽吸孔2的面积为A1=πab=2.042mm²，既有的工作叶轮进口轮毂半径为R1=8mm、工作叶轮进口机匣内壁面 R2=26.9mm，则工作叶轮进口面积为A=π（R2²-R1²）=2062.7mm²，A1/A为0.1%。

子午面上，以指向主流方向为正，机匣上抽吸孔2的开孔方向与机匣外法向夹角α1为50°；横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上抽吸孔2的开孔方向与机匣外法向夹角α2为60°。

在导风轮进口下游距叶片前缘一定距离L2处的机匣1内壁面一周开N2个吹气孔3，在该距离处叶尖附近不利低能流（泄漏涡、叶背分离涡等）的演变处于增长阶段，吹气孔结构3所在位置处的离心压气机内部压力低于环形空腔4内部压力，由此实现向离心压气机内部的导风轮转子叶片通道内气流施加相对呈周期性向内吹气的激励效果。

吹气孔3的数量N2=7，既有的离心压气机主叶片数量为Z=14，N2/Z为0.5。

在子午面上，机匣上吹气孔3中心的位置与导风轮叶片前缘距离为L2=4.73mm，既有的导风轮进口叶高为H=18.9mm，L2/H为0.25。

单个吹气孔3的面积为A2= cd-4r²+πr²=1.97mm²，导风轮进口轮毂半径R3=8mm，则导风轮叶轮进口面积为S=π*（（R3+H）²-R3²）=2072.2mm²，A2/S为0.09%。

子午面上，以指向主流方向为正，机匣上吹气孔3开孔方向与机匣外法向夹角β1为-60°；在横截面上，以指向该处叶尖转动线速度为正，机匣上吹气孔3开孔方向与机匣外法线夹角β2为-65°。

在这里补充说明的是，抽吸孔和吹气孔的形状特征可以按以下三类设计：①孔可以选择为椭圆形，其长半轴b与短半轴a的比值范围是1.0至5.0，其面积为πab (如图6.1视图中实线或虚线所示)；②孔也可选择为矩形，其长边c与短边d的比值范围是1.0至5.0，此类矩形还可以带有一个小半径圆角(半径为r)，其面积为cd-4r²+πr²(如图6.2视图中实线或虚线所示) ；③孔也可选择为按照下式生成的超椭圆，（x/a）ⁿ+（y/b）ⁿ =1，其长半轴b与短半轴a的比值范围是1.0至5.0，其指数n的取值范围是2.0至10.0，其面积为4ab*(Γ(1+1/n))²/Γ(1+2/n)，Γ(z)为t^z-1/e^t对t作从0到正无穷的积分，当z为整数时Γ(z)=(z-1)! (如图6.3视图中实线或虚线所示)。以上三种孔型，多数情况下，其长短半轴（长短边）比值取给定范围的中间值附近效果较好。同时，从环形空腔4内壁面至机匣1内壁面，孔的横截面积保持不变或逐渐减小；多数情况下孔可取为直孔。