离心压气机的跨分流叶片自循环处理机匣和离心压气机

技术领域

本申请属于压气机领域，特别涉及一种离心压气机的跨分流叶片自循环处理机匣和离心压气机。

背景技术

压气机是航空发动机领域亟需取得技术突破的关键部件。离心压气机由于具有单级增压比高、稳定工作范围广、结构紧凑、重量轻等优势，在中小型航空发动机中占据重要的地位。但是，离心压气机的技术难度大，投入高，跨声速离心压气机的内部流动异常复杂，激波结构和涡系结构均会导致其稳定裕度和效率的下降。高压比、高负荷、高效率的设计要求为离心压气机的设计带来了诸多技术挑战。

尤其在大流量(大于1kg/s)、高压比(大于10)的条件下，相较于小流量、低压比的环境，叶片负荷更高，导致激波和泄漏涡相互作用复杂，更容易发生堵塞和失速，使得压气机只能以狭窄的稳定工作范围支持航空发动机全空域全转速工作。

机匣处理作为一种结构简单、高可靠性的压气机扩稳技术已经广泛应用于轴流和离心压气机工程应用中。传统的机匣处理方式，如机匣放气孔和沟槽类机匣，一般可以将稳定工作裕度提升10％左右。

在小流量、低压比的情况下，离心压气机的稳定工作裕度较高，一般无需扩稳措施。而随着流量和压比的增高，压气机逐渐进入跨音速的工作状态，激波强度与顶隙泄漏涡的强度都会逐渐增强，压气机的不稳定性加大。

离心压气机的自循环式机匣可以有效地抑制失速点附近的不稳定流动，推迟失速的发生，从而提高压气机的稳定工作裕度，但是对于大流量、超高压比的情况下，如何在低效率损失的基础上进一步增大裕度，仍缺乏有效的方法。

传统的离心压气机的自循环机匣的开口一般位于离心叶轮的喉部之后，目的在于分别在堵塞端和失速端对气流进行抽吸，进而达到提高堵塞流量和降低失速流量的作用。但是对于大流量超高压比的离心压气机，离心叶轮的做功能力更强，离心叶轮的喉部之后的压力相较于叶轮的进口处更大，导致传统的离心压气机的机匣很难适用于大流量超高压比的离心压气机。

发明内容

本申请旨在提出一种离心压气机的跨分流叶片自循环处理机匣，从而适用于大流量、超高压比的离心压气机，有效地扩展压气机的稳定工作裕度。

本申请还提出一种包括跨分流叶片自循环处理机匣的离心压气机。

本申请的实施方式提出一种离心压气机的跨分流叶片自循环处理机匣，包括：

主叶片，所述主叶片包括主叶片前缘；

第一分流叶片，所述第一分流叶片包括第一分流叶片前缘；

第二分流叶片，所述第二分流叶片包括第二分流叶片前缘；所述主叶片、所述第一分流叶片和所述第二分流叶片均沿所述离心压气机的周向间隔开地设置有多个，所述主叶片前缘位于所述第一分流叶片前缘的前侧，所述第一分流叶片前缘位于所述第二分流叶片前缘的前侧；

机匣，所述机匣包围所述主叶片、所述第一分流叶片和所述第二分流叶片；以及

机匣处理槽，所述机匣处理槽环绕所述机匣，所述机匣处理槽连接于所述机匣，所述机匣处理槽的轴向两端在所述机匣上形成开口，使得所述机匣内的气流能够经由所述机匣处理槽的轴向一端的开口进入所述机匣处理槽，而后从所述机匣处理槽的轴向另一端的开口回到所述机匣，

在所述离心压气机的轴向上，所述机匣处理槽在所述机匣上的两个开口分别位于所述第二分流叶片前缘的上游和下游。

在至少一种可能的实施方式中，所述机匣处理槽的上游端在所述机匣上的开口位于所述第一分流叶片前缘和所述第二分流叶片前缘之间。

在至少一种可能的实施方式中，在所述离心压气机的气流方向上，所述机匣处理槽在所述机匣上的两个开口距离所述第二分流叶片前缘的距离相等。

在至少一种可能的实施方式中，所述机匣处理槽包括圆弧段和连接段，所述圆弧段通过所述连接段连接于所述机匣，所述连接段垂直于所述机匣和所述连接段的连接位置。

在至少一种可能的实施方式中，所述连接段沿直线延伸。

在至少一种可能的实施方式中，所述机匣处理槽在所述机匣上的两个开口位于所述主叶片前缘和所述主叶片的后缘之间27％和41％的位置，所述主叶片前缘所在的位置为0％，所述主叶片的后缘所在的位置为100％。

在至少一种可能的实施方式中，所述机匣处理槽在所述机匣上的两个开口的宽度分别为1毫米。

在至少一种可能的实施方式中，所述机匣处理槽包括内壁和外壁，所述内壁和所述外壁采用刚性支撑结构连接。

在至少一种可能的实施方式中，所述离心压气机使用环境为流量大于4千克每秒，压缩比大于等于10。

本申请的实施方式还提出一种离心压气机，所述离心压气机包括上述技术方案中任一项所述的离心压气机的跨分流叶片自循环处理机匣。

通过采用上述技术方案，本申请的机匣使离心压气机可以适用于大流量超高压比，保持较高的稳定工作裕度。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施方式的离心压气机的子午面流道示意图。

图2示出了根据本申请的实施方式的离心压气机的结构示意图。

图3示出了根据本申请的实施方式的离心压气机的内部结构示意图。

图4示出了根据本申请的实施方式的离心压气机的流量-效率曲线图。

图5示出了根据本申请的实施方式的离心压气机的流量-压比曲线图。

附图标记说明

1进气道

2主叶片21主叶片前缘

3第一分流叶片31第一分流叶片前缘

4第二分流叶片41第二分流叶片前缘

5 第一扩压器

6 第二扩压器

7 出气口

8 机匣

9机匣处理槽91圆弧段92连接段

A轴向C周向

具体实施方式

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

如图1至图3所示，本申请的实施方式提出一种离心压气机，离心压气机包括进气道1、主叶片2、第一分流叶片3、第二分流叶片4、第一扩压器5、第二扩压器6、出气口7和机匣8。

图1中的左侧为离心压气机的上游，右侧为离心压气机的下游，气流从上游侧流向下游侧。

机匣8可以围成沿离心压气机的轴向A延伸的进气道1，主叶片2、第一分流叶片3和第二分流叶片4连接于叶轮轮毂，叶轮轮毂能够相对于机匣8转动，主叶片2、第一分流叶片3和第二分流叶片4均能够相对于机匣8转动地设置于机匣8的内部。

如图2和图3所示，主叶片2、第一分流叶片3和第二分流叶片4均沿离心压气机的周向C间隔开地设置有多个。在离心压气机的周向C上，第一分流叶片3可以设置于两个相邻的主叶片2之间，第二分流叶片4可以设置于相邻的第一分流叶片3和主叶片2之间。沿离心压气机的周向C，主叶片2、第二分流叶片4、第一分流叶片3和第二分流叶片4可以按此顺序周期性地重复布置。

主叶片2的上游端为主叶片前缘21，第一分流叶片3的上游端为第一分流叶片前缘31，第二分流叶片4的上游端为第二分流叶片前缘41。主叶片前缘21位于第一分流叶片前缘31的前侧，第一分流叶片前缘31位于第二分流叶片前缘41的前侧。

可以理解，主叶片2、第一分流叶片3和第二分流叶片4的具体叶型可依据叶轮机械的基本理论进行设计，满足离心压气机的性能要求即可

第一分流叶片3、第二分流叶片4随主叶片2一起转动做功，可以提高离心压气机的做功能力，减小压气机堵塞的可能性。

机匣8设置有机匣处理槽9，机匣处理槽9可以环绕于机匣8的径向外侧，机匣处理槽9的轴向两端可以在机匣8上形成环形的开口，使机匣处理槽9连通到机匣8的内部。

机匣处理槽9包括内壁和外壁，内壁位于外壁的径向内侧，内壁和外壁可以围成通道。如图1所示，沿离心压气机的子午面观察，机匣处理槽9可以是弧形的通道。

在离心压气机的轴向A上，机匣处理槽9在机匣8上的两个开口的位置跨过第二分流叶片前缘41。机匣处理槽9可以形成气体回流槽，形成从第一分流叶片到第二分流叶片的气体流动通道，使气体可以通过机匣处理槽9流动，以抑制失速点附近的不稳定流动，推迟失速的发生，从而可以提高压气机的稳定工作裕度。

机匣处理槽9的开口完全位于机匣8上，在大流量高压比的情况下，有利于调节分流叶片上下游的顶隙泄漏涡的发展，从而有效提高稳定工作裕度，同时避免过多的流动损失。

进一步的，机匣处理槽9的上游端在机匣8上的开口位于第一分流叶片前缘31和第二分流叶片前缘41之间。

更近一步的，在离心压气机的气流方向(可以理解为轴向A)上，机匣处理槽9的轴向两端距离第二分流叶片前缘41的距离相等，当然这里的相等可以包括大致相等，例如两个开口和第二分流叶片前缘41的距离相差小于或等于10％。

具体的，机匣处理槽9在机匣8上的两个开口的位置位于主叶片前缘21和主叶片后后缘之间27％和41％的位置，主叶片前缘21所在的位置为0％，主叶片后缘所在的位置为100％。当然也可以存在少许位置差异，例如误差量为正负3％。

机匣处理槽9的两端的开口的宽度可以较小，例如约为1mm，以避免气体在机匣处理槽9中过多的流动损失。机匣处理槽9的两端的开口的宽度可以相等，当然这里的相等可以包括大致相等，例如二者开口相差小于或等于10％。

机匣处理槽9的内壁和外壁可以采用刚性支撑结构连接，刚性支撑结构可以包括支撑杆，支撑杆可以嵌套于外壁，支撑杆可以设置于内壁和外壁之间，用以支撑固定内壁。

如图1所示，机匣处理槽9包括圆弧段91和连接段92，连接段92可以位于圆弧段91的两端，连接段92与机匣8相连。

连接段92与机匣8的连接位置垂直，机匣附近的气体流动比较复杂，在不同的工作条件下，比如不同的转速、流量下，难以确定机匣附近的气体流动方向，气体可能向下游流动也有可能向上游流动。使连接段92与机匣8的连接位置垂直可以尽可能保证在不同的工作条件下机匣处理槽9的开口既不迎着气流也不背对气流

机匣处理槽9的连接段可以为直线段，无论机匣8的外形形状如何都容易使连接段92与机匣8垂直相交，使机匣处理槽9的圆弧段91和机匣8过渡均匀。直线段的长度可以依据机匣的具体形状选择，使得自循环处理槽9沿离心压气机的轴向A的长度尽量较小。

第一扩压器5、第二扩压器6和出气口7可以依次设置于第二分流叶片4的下游侧，第二扩压器6位于第一扩压器5的径向外侧。第一扩压器5可以为渐缩型无叶段扩压器。第二扩压器6可以为楔形扩压器。由于叶片4的下游侧的气体流速大、压力高，使用渐缩型无叶段扩压器有助于气体的稳定流动。在渐缩型无叶段扩压器的下游侧采用楔形扩压器可以进一步对气体进行减速扩压，使扩压器有较好的扩压能力。

出气口7整体上可以弯曲90度，出气口7的上游段可以沿径向R延伸，出气口7的下游段可以沿轴向A延伸，使气体沿轴向A排出机匣8。

离心压气机在大流量(大于4kg/s)、高压比(大于10)的条件下工作时，由于其压比远超常规的压气机，在机匣处理槽9中形成了气体流动通道，且气体流动速度远超机匣附近的流速以及顶隙泄漏涡的强度。因此，机匣处理槽的上游出口形成一股较强的射流，形成了对顶隙泄漏涡的阻滞作用。同时增加了机匣处理槽之前的流道中的静压，削弱了主叶片前缘激波的强度，主叶片前缘激波前的最大流动速度相较于无机匣处理槽的情况下降了0.2马赫。

本申请的离心压气机的扩稳效果主要体现在近失速端，而对近堵塞端的影响较小，但是在低于设计转速的情况下，机匣处理槽中出现了更多的低速流体，会在近堵塞端损失一部分流量。

使用NUMECA软件对本申请的离心压气机进行气动性能分析。首先使用NUMECA/Autogrid对压气机、扩压器和自循环处理机匣8划分结构化网格，壁面网格满足Y+小于10。使用SA湍流模型计算，时间离散采用四阶显式龙格-库塔时间推进方法，空间离散采用中心差分格式。给定标准大气情况下进口总温、总压，叶轮壁面设为绝热无滑移壁面。在出口条件方面，小流量工况为流量出口，大流量工况为压力出口。采用多重网格方法和CPUbooster等技术加速计算收敛。

使用ANSYS/Mechanical软件对离心叶轮进行强度校核，选用航空用TC11钛合金为叶轮材料，轴两端施加frictionless约束，轴内表面cylindrical约束，施加旋转角速度约束，结果得到的最大应力出现在轮缘和叶尖附近，安全系数1.16。

图4示出了本申请的离心压气机的流量-效率曲线，其中水平轴表示流量，竖直轴表示效率，图5示出了本申请的离心压气机的流量-压比曲线，其中水平轴表示流量，竖直轴表示压比。图4和图5中的n表示转速，图4和图5对了5种转速(90％n至110％n)下离心压气机的工作状态，曲线的两端表示失速端和堵塞端。本申请在不同转速下(图4和图5中的90％n至110％n)相较于原始无机匣处理槽的方案(图4和图5中原始设计)具有更宽的工作范围，即本申请的曲线在横轴上对应的转速范围更大，支持航空发动机全空域全转速工作。特别是在失速端(图4的左端)，本申请的离心压气机获得了极大的喘振裕度提升，可以满足现代航空发动机对压气机的稳定工作裕度和效率的要求。

通过性能对比，可知采用本申请的离心压气机的处理机匣相对于无机匣处理(图4和图5中原始设计)的情况，在设计转速(图4和图5中的90％n至110％n)下，以较低的效率损失获得了极大的喘振裕度提升，可以满足现代航空发动机对压气机的稳定工作裕度和效率的要求。以最高效率点为设计点，在不同转速下综合喘振裕度都相较于无机匣处理的情况普遍提升了50％以上，裕度接近10％，部分工况下综合喘振裕度达到10％以上，能够满足实际工程需求。

应当理解，上述实施方式、实施例或示例的至少部分方面或特征可以适当地组合。

可以理解，在本申请中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本申请排除了一个的情况。

在本申请中，除非另有明确的说明或限定，“安装”、“装配”、“组装”、“相连”、“连接”、“联接”、“连结”、“抵接”、“连通”、“相通”、“导通”、“固定”、“紧固”等术语应做广义理解，例如，其可以是直接或间接的。例如，关于连接，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的说明或限定。例如，关于连通/导通等，可以是直接连通/导通，也可以是经由中间媒介间接连通/导通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的说明或限定，一个构件设置在/安装在/位于/容纳在/置于另一构件之中、之内、内部等可以是如下两种情形中的任一情形：该一个构件的一部分或大部分位于该另一个构件内；以及该一个构件被完全容纳在该另一个构件内。

虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。