一种压气机的机匣及其流动控制方法

技术领域

本发明实施例涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种压气机的机匣及其流动控制方法。

背景技术

压气机失稳的控制是研制高性能航空发动机过程中绕不开的主题。由于航空发动机的工作环境极为复杂，不可避免地会在非设计工况下运转，为了提高压气机的稳定裕度，常用的方法就是对压气机的机匣进行处理，简单地说就是在转子上方的机匣壁面开槽，通过改变转子叶片叶尖与机匣壁面之间的径向距离，来改变叶顶尖区的流动特性，进而改善非设计工况下的性能，有效抑制压气机的失稳。然而，这样的机匣处理方法会使得在设计工况下运转的压气机的气动效率下降。

因此，亟需一种新的压气机的机匣及其流动控制方法。

发明内容

基于现有的机匣处理方法会导致压气机在设计工况下的气动效率下降的问题，本发明实施例提供了一种压气机的机匣及其流动控制方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种压气机的机匣，包括：

呈环状的机匣外壳，设置有若干个贯穿所述机匣外壳内壁面和外壁面的通孔，所述内壁面向外凹陷形成凹槽；

呈环状的柔性内壁板，固定于所述机匣外壳的内壁面，所述柔性内壁板采用形状记忆材料制成，所述凹槽位于所述柔性内壁板的外侧；

通过所述通孔对所述柔性内壁板施加变形激励，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。

优选的，所述机匣外壳还包括：

限位部，位于所述凹槽的内侧，所述限位部用于限制所述柔性内壁板的轴向位置；

多个销钉孔，设置于所述所述凹槽的上方和下方，所述销钉孔用于将所述柔性内壁板固定在所述限位部内。

优选的，所述等离子体层中的等离子体呈梯度分布；其中，与所述等离子体发生器的距离较近的等离子体密度，大于与所述等离子体发生器的距离较远的等离子体密度。

优选的，所述变形激励包括温度激励和气压差激励。

优选的，还包括：

温度传感器，设置于所述柔性内壁板上，所述温度传感器用于在对所述柔性内壁板施加温度激励时，监测所述柔性内壁板的温度。

压力传感器，设置于所述通孔内，所述压力传感器用于在对所述柔性内壁板施加气压差激励时，监测所述通孔内的气压。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于本说明书任一实施例所述的机匣的流动控制方法，包括：

当接收到改变发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离的指令时，向每一个所述通孔充入热空气，以使所述柔性内壁板的温度升至所述柔性内壁板的目标相变温度为止；

使每一个所述通孔的内部与所述机匣外壳的外部形成气压差，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。

优选的，当所述指令为增加所述径向距离时，所述使每一个所述通孔的内部与所述机匣外壳的外部形成气压差，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离，包括：

向每一个所述通孔充入第一设定时长的负压，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以增加发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离；其中，增加的径向距离为所述指令中携带的目标增加值。

优选的，当所述指令为减小所述径向距离时，所述使每一个所述通孔的内部与所述机匣外壳的外部形成气压差，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离，包括：

向每一个所述通孔充入第二设定时长的正压冷空气，使得至少部分所述柔性内壁板发生垂直于所述柔性内壁板的径向的形变，以减小发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离；其中，减小的径向距离为所述指令中携带的目标减小值。

优选的，所述第一设定时长是通过如下方式确定的：

根据不同的相变温度值、不同压力值的负压，制定对应的所述径向距离的增加速度关系数据库；

根据所述目标相变温度、当前充入的负压的压力值和所述增加速度关系数据库，确定当前所述径向距离的增加速度；

根据所述径向距离的目标增加值和当前所述径向距离的增加速度，确定第一设定时长。

优选的，在所述增加发生形变的所述柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离之后，还包括：

向每一个所述通孔充入冷空气，以使所述柔性内壁板快速冷却至最小相变温度值之下。

优选的，所述目标相变温度为所述柔性内壁板的最小相变温度值；

所述第二设定时长是通过如下方式确定的：

根据所述目标相变温度、不同压力值的正压冷空气和不同温度的正压冷空气，制定对应的所述径向距离的减小速度关系数据库；

根据当前充入的正压冷空气的压力值、温度和所述减小速度关系库，确定当前所述径向距离的减小速度；

根据所述径向距离的目标减小值和当前所述径向距离的减小速度，确定第二设定时长。

本发明实施例提供了一种压气机的机匣及其流动控制方法，通过在呈环状的机匣外壳，设置若干个贯穿机匣外壳内壁面和外壁面的通孔，且在机匣外壳内壁面向外凹陷形成凹槽，然后将呈环状的柔性内壁板，固定于机匣外壳的内壁面，其中，柔性内壁板采用形状记忆材料制成，且柔性内壁板位于凹槽的内侧；最后，通过通孔对柔性内壁板施加变形激励，使得至少部分柔性内壁板发生垂直于柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。因此，本方案可以根据压气机的工作环境，来改变转子叶片叶尖与机匣的柔性内壁板之间的径向距离，从而可以根据压气机的工作环境，来调节压气机的稳定裕度和气动效率。

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作简单地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种压气机的机匣的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的一种柔性内壁板的记忆起始态的示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种流动控制方法流程图；

附图标记：1-机匣外壳；2-柔性内壁板；3-凹槽；4-通孔；5-限位部；6-销钉孔。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，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的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。

如前所述，由于航空发动机的工作环境极为复杂，不可避免地会在非设计工况下运转，为了提高压气机的稳定裕度，常用的方法就是对压气机的机匣进行处理，简单地说就是在转子上方的机匣壁面开槽，通过增加转子叶片叶尖与机匣壁面之间的径向距离，来改变叶顶尖区的流动特性，进而改善非设计工况下的性能，有效抑制压气机的失稳。然而，增加转子叶片叶尖与机匣壁面之间的径向距离，会使得压气机在设计工况下运转时的气动效率下降。

综上，发明人考虑可以根据压气机的工作环境，自适应地改变转子叶片叶尖与机匣壁面之间的径向距离，而形状记忆高分子(Shapememory polymer，SMP)材料在一定条件下，被赋予一定的记忆起始态，当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定(变形态)，如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们便可逆的恢复至起始态，至此，完成“记忆起始态-固定变形态-恢复起始态”的循环。因此，本方案采用形状记忆材料制成压气机的柔性内壁板，通过对柔性内壁板施加变形激励，使得柔性内壁板发生垂直于柔性内壁板的径向的形变，以改变发生形变的柔性内壁板的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离，来达到根据压气机的工作环境，改变转子叶片叶尖与机匣壁面之间的径向距离的目的，从而可以在非设计工况下，提高压气机的稳定裕度，在设计工况下，提高压气机的气动效率，以增加发动机循环状态时的耗油率、缩短飞机航程。

下面描述以上构思的具体实现方式。

请参考图1，其中，图1为压气机的机匣的结构示意图，该装置包括:

呈环状的机匣外壳1，设置有若干个贯穿机匣外壳1内壁面和外壁面的通孔4，内壁面向外凹陷形成凹槽3；

呈环状的柔性内壁板2，固定于机匣外壳1的内壁面，柔性内壁板2采用形状记忆材料制成，凹槽3位于柔性内壁板2的外侧；

通过通孔4对柔性内壁板2施加变形激励，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以改变发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。

本发明实施例中，通过在呈环状的机匣外壳1，设置若干个贯穿机匣外壳1内壁面和外壁面的通孔4，且在机匣外壳1内壁面向外凹陷形成凹槽3，然后将呈环状的柔性内壁板2，固定于机匣外壳1的内壁面，其中，柔性内壁板2采用形状记忆材料制成，且柔性内壁板2位于凹槽3的内侧；最后，通过通孔4对柔性内壁板2施加变形激励，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以改变发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。因此，本方案可以根据压气机的工作环境，来改变转子叶片叶尖与机匣的柔性内壁板2之间的径向距离，从而可以根据压气机的工作环境，来调节到合适的压气机的稳定裕度和气动效率。

在一些实施方式中，机匣外壳1还包括：

限位部5，位于凹槽3的内侧，限位部5用于限制柔性内壁板2的轴向位置；

多个销钉孔6，设置于凹槽3的上方和下方，销钉孔6用于将柔性内壁板2固定在限位部5内。

在本实施例中，限位部5是用于限制柔性内壁板2的轴向位置，为了使凹槽3位于柔性内壁板2的外侧，那么限位部5需要位于凹槽3的内侧，并在凹槽3的上方和下方设置多个均匀分布的销钉孔6，以用销钉将柔性内壁板2固定在限位部5内。

在一些实施方式中，变形激励包括温度激励和气压差激励。

在一些实施方式中，还包括：

温度传感器，设置于柔性内壁板2上，温度传感器用于在对柔性内壁板2施加温度激励时，监测柔性内壁板2的温度。

压力传感器，设置于通孔4内，压力传感器用于在对柔性内壁板2施加气压差激励时，监测通孔4内的气压。

在发明本实施例中，柔性内壁板2的记忆起始态为如图2所示的圆环片，此时刚度较高。转子位于压气机的机匣的中心轴线上，转子的顶部叶片位于所述机匣的内侧。

当根据压气机的工作环境，需要增加发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离时，通过通孔4对柔性内壁板2施加温度激励，即向每一个通孔4充入热空气，以使柔性内壁板2的温度升至柔性内壁板2的目标相变温度为止，其中，柔性内壁板2的相变温度是一个温度范围，在该温度范围内，可以对柔性内壁板2的形状完成赋形，在柔性内壁板2的温度低于相变温度时，柔性内壁板2的刚度较高，不容易发生形变。在柔性内壁板2的温度升至柔性内壁板2的目标相变温度之后，通过对通孔4施加气压差激励，即向每一个通孔4充入负压，可以使得柔性内壁板2与凹槽3对应的部分向接近凹槽3的方向发生形变，这样就可以增加柔性内壁板发生形变的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。在增加了径向距离之后，使柔性内壁板2冷却，这样柔性内壁板2就可以完成赋形。

当根据压气机的工作环境，需要减小发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离时，通过通孔4对柔性内壁板2施加温度激励，即向每一个通孔4充入热空气，以使柔性内壁板2的温度升至柔性内壁板2的目标相变温度为止。在柔性内壁板2的温度升至柔性内壁板2的目标相变温度之后，柔性内壁板2会逐渐恢复记忆起始态，这样就可以减小柔性内壁板2发生形变的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。

接下来，对本说明书任一实施例所述的压气机的机匣的流动控制方法进行说明。

请参考图3，本发明实施例提供了一种基于本说明书任一实施例的压气机的机匣的流动控制方法，该方法可以包括：

步骤300，当接收到改变发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离的指令时，向每一个通孔4充入热空气，以使柔性内壁板2的温度升至柔性内壁板2的目标相变温度为止；

步骤302，使每一个通孔4的内部与机匣外壳1的外部形成气压差，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以改变发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离。

在一些实施方式中，当指令为增加径向距离时，步骤302可以包括：

向每一个通孔4充入第一设定时长的负压，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以增加发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离；其中，增加的径向距离为指令中携带的目标增加值。

举例来说，当指令为增加径向距离，且增加的值，即目标增加值为0.5mm，那么在通过步骤300，使柔性内壁板2的温度到达目标相变温度之后，向每一个通孔4充入第一设定时长的负压，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以增加发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离，且需要增加的值为0.5mm。

那么，为了保证增加的值为目标增加值，需要控制向每一个通孔4充入负压的时长，即第一设定时长。

在本发明实施例中，第一设定时长是通过如下方式确定的：

根据不同的相变温度值、不同压力值的负压，制定对应的径向距离的增加速度关系数据库；

根据目标相变温度、当前充入的负压的压力值和增加速度关系数据库，确定当前径向距离的增加速度；

根据径向距离的目标增加值和当前径向距离的增加速度，确定第一设定时长。

在本实施例中，需要预先通过试验确定径向距离的增加速度关系数据库，具体地，使柔性内壁板2在不同的目标相变温度时，充入不同压力值的负压，观测柔性内壁板2在不同的目标相变温度和不同压力值的负压下，径向距离的增加速度，以制定对应的径向距离的增加速度关系数据库。

可以理解，根据在步骤300中的目标相变温度和当前充入的负压的压力值，从增加速度关系数据库中，可以检索到当前径向距离的增加速度；然后，根据指令中携带的目标增加值和当前径向距离的增加速度，可以确定第一设定时长。

为了防止柔性内壁板2在冷却的过程中逐渐向恢复记忆起始态的方向形变，需要在增加发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离之后，加快柔性内壁板2的冷却速度，使柔性内壁板2快速冷却至最小相变温度值之下，以保证径向距离的增加精度。因此，在本发明实施例中，在增加发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离之后，还可以包括：

向每一个通孔4充入冷空气，以使柔性内壁板2快速冷却至最小相变温度值之下。

在一些实施方式中，当指令为减小径向距离时，步骤302可以包括：

向每一个通孔4充入第二设定时长的正压冷空气，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以减小发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离；其中，减小的径向距离为指令中携带的目标减小值。

由于形状记忆材料在变形之后，当温度达到相变温度范围内，形状记忆材料会自动恢复记忆初始态，但为了提高柔性内壁板2恢复的速度，可以通过通孔4对柔性内壁板2施加正压，且为了快速固定恢复的形状，需要充入冷空气，使柔性内壁板2在利用正压和自动恢复记忆初始态的过程中，快速冷却并固定。

举例来说，在柔性内壁板2从记忆初始态的圆环片形状，形变到与压气机的转子叶片叶尖的径向距离增加0.5mm之后，接收到目标减小值为0.3mm的减小径向距离指令，那么需要根据步骤400使柔性内壁板2升温到最小相变温度值后，向每一个通孔4充入第二设定时长的正压冷空气，使得至少部分柔性内壁板2发生垂直于柔性内壁板2的径向的形变，以减小发生形变的柔性内壁板2的部分与压气机的转子叶片叶尖的径向距离，且减小的距离为0.3mm时，快速提高刚度，使之定型在减小的距离为0.3mm的位置。

那么，为了保证减小的值为目标减小值，需要控制向每一个通孔4充入的正压冷空气的时长，即第二设定时长。

在本发明实施例中，目标相变温度为柔性内壁板2的最小相变温度值；

第二设定时长是通过如下方式确定的：

根据目标相变温度、不同压力值的正压冷空气和不同温度的正压冷空气，制定对应的径向距离的减小速度关系数据库；

根据当前充入的正压冷空气的压力值、温度和减小速度关系库，确定当前径向距离的减小速度；

根据径向距离的目标减小值和当前径向距离的减小速度，确定第二设定时长。

在本实施例中，由于形状记忆材料在变形之后，当温度达到相变温度范围内，形状记忆材料会自动恢复记忆初始态，由于使用正压激励，使柔性内壁板2快速减小径向距离，那么在径向距离减小目标减小值时，需要快速冷却，使之固定形态，因此步骤300中的目标相变温度可以为该形状记忆材料的相变温度范围中的最小值，以保证径向距离的减小精度。

在本实施例中，由于径向距离的减小原因，不只是因为施加正压，还有形状记忆材料自动恢复记忆初始态的特性。因此，径向距离的减小速度和增加速度并不相同。

因此，需要预先通过试验确定径向距离的减小速度关系数据库，具体地，使柔性内壁板2在目标相变温度(即最小相变温度值)时，充入不同压力值和不同温度的正压冷空气，观测柔性内壁板2在到达最小相变温度值时，充入不同压力值和不同温度的正压冷空气下，径向距离的减小速度，以制定对应的径向距离的减小速度关系数据库。

可以理解，根据当前充入的正压冷空气的压力值、温度，从减小速度关系数据库中，可以检索到当前径向距离的径向减小速度；然后，根据指令中携带的目标减小值和当前径向距离的减小速度，可以确定第二设定时长。

需要说明的是，本实施例中的温度激励和气压差激励，都可以通过航空发动机或飞行器的其他装置中引气，例如风扇外涵等。故在此不对引气的方式做具体限定。因此，本实施例可以根据压气机的工作环境，来自适应地自动改变转子叶片叶尖与机匣的柔性内壁板2之间的径向距离，从而可以根据压气机的工作环境，自适应地调节至合适的稳定裕度和气动效率的同时，还不会提升压气机质量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

最后应说明的是：以上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精神和范围。