本發(fā)明涉及多級軸流壓氣機自循環(huán)處理機匣，尤其涉及一種同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣。

背景技術：

壓氣機是航空燃氣渦輪發(fā)動機的核心組成部件，由多級轉子和靜子順序交錯排列組成，其功用是提高氣體壓升；在壓氣機內部的流動中，由于流動空間小，流體所承受的逆壓梯度作用強，具有復雜的渦系結構；位于靜子端區(qū)的角區(qū)分離結構及位于轉子葉尖的泄漏流結構是壓氣機內部主要的二次流結構，是壓氣機內部流動損失和堵塞的主要來源，對壓氣機的壓比、效率、裕度等性能具有至關重要的影響，嚴重時會引起壓氣機的失速和喘振，帶來災難性后果；經過幾十年的研究，眾多科研工作者們已經對壓氣機靜子角區(qū)流動及轉子葉尖流動有了較深的認識，但由于其空間的局限性，流動的復雜性，目前還未能很好地根據(jù)已有的研究結果實現(xiàn)壓氣機內流動的有效控制；尤其是充分利用壓氣機內流動逐級增壓的特點，通過某種自循環(huán)調節(jié)機構，同時利用并改善不利于性能的流動結構，達到提升壓氣機性能的目的。

對壓氣機靜子而言，三維角區(qū)分離/失速所造成的流動擁堵使得壓氣機性能急劇下降；現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展對壓氣機性能提出了更高要求，尤其是單級負荷的增大以及更寬的有效工作范圍需求；然而隨著壓氣機負荷的增大，三維角區(qū)分離程度急劇增大，有效工作攻角范圍急劇縮減；目前，針對壓氣機靜葉角區(qū)分離與失速的流動控制技術，從是否額外引入能量，主要可以分為主動控制技術和被動控制技術兩大類：主動控制技術主要有等離子體激勵，附面層吹吸技術、合成射流等；被動控制技術主要有旋渦發(fā)生器、翼刀、端壁造型等；主動控制技術中附面層抽吸技術具有適應范圍廣，收益明顯的特點，但需要額外引入能量，不易于工程實現(xiàn)；現(xiàn)有的傳統(tǒng)被動控制技術，不具有自適應性，有效工作的工況范圍往往有限，未能解決工程上下一代高負荷壓氣機角區(qū)分離的問題。

對壓氣機轉子而言，葉尖泄漏流動對壓氣機的穩(wěn)定工作狀態(tài)有著重要影響，由于轉子前緣溢流所導致的旋轉失速問題是制約發(fā)動機穩(wěn)定工作的關鍵；通過在轉子前緣葉尖處引入射流，可有效改善轉子葉尖的泄漏流動，提高轉子的失速裕度，起到較好的擴穩(wěn)效果；傳統(tǒng)的轉子葉尖吹氣技術多是主動控制，需額外引入能量，不利于工程實現(xiàn)；亦有采用自流通機匣的方案，但其射流出口沿周向間歇性陣列分布，無法形成周向均勻的射流，對流動的穩(wěn)定性造成干擾。

研究手段的進步使得現(xiàn)代研究者們對壓氣機內部流動機理及性能特征的認識逐漸提升，其設計思路也對應發(fā)生了重大變化；壓氣機的研究出現(xiàn)了由局部單排甚至單個葉片/葉型的研究向全局多排葉片研究的轉變，由孤立關注單排葉片設計工況性能到關注全局匹配后有效工況及性能特點的轉變；因此，充分利用壓氣機逐級增壓的流動特點，實現(xiàn)不同級間的自適應流場調控，是改善壓氣機流場結構，提升新一代高負荷壓氣機性能的一大策略。

技術實現(xiàn)要素：

(一)待解決的技術問題

本發(fā)明的目的在于，提供一種同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣，在目標轉子葉片下游的靜子葉片端壁及吸力面布置有組合抽吸槽，在目標轉子葉片葉尖前緣機匣處布置有與轉子葉尖預旋方向一致的切向射流槽，并將兩者通過布置在機匣內的引氣管及抽吸氣體穩(wěn)壓腔、射流氣體導流腔連接起來；射流氣體導流腔沿整個周向貫通，并通過位于其出口前的導流腔出口前導葉調節(jié)射流方向，獲得周向均勻且與轉子葉尖預旋方向一致的射流；在不同流動工況下，利用多級壓氣機逐級加壓的特點，靠自身壓差形成自適應的抽吸、射流，解決傳統(tǒng)附面層抽吸、射流控制所需要額外引入能量問題，將主動控制化為被動控制；在非設計工況，目標轉子葉片下游的靜子角區(qū)抽吸量與目標轉子葉片葉尖前緣機匣處的射流流量可通過抽吸槽、射流槽當?shù)氐膲毫崿F(xiàn)自適應調節(jié)，在改善多級軸流壓氣機靜子端區(qū)三維角區(qū)分離的同時，避免了動葉旋轉失速等的過早發(fā)生，提高了壓氣機裕度，拓寬了壓氣機的穩(wěn)定工作工況范圍。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣，包括目標轉子葉片、下游靜子葉片、機匣及位于機匣內部的引氣管結構；所述目標轉子葉片與機匣間具有葉頂間隙，在目標轉子葉片葉尖前緣處機匣內部布置有貫通整個周向的導流腔結構；所述導流腔出口前沿周向均勻布置有用于調節(jié)射流方向的導流腔出口前導葉；所述導流腔出口前導葉的出口方向與目標轉子葉尖預旋方向一致；所述下游靜子葉片位于目標轉子葉片下游，并帶有抽吸槽結構；所述下游靜子葉片的抽吸槽連接有抽吸氣體穩(wěn)壓腔并與所述射流氣體導流腔間通過位于機匣內部的引氣管相聯(lián)通。

其中，所述下游靜子葉片位于目標轉子葉片下游，可緊位于目標轉子葉片后方或者與目標轉子葉片間隔有多個轉靜子排。

其中，所述機匣內部的引氣管嚴格密封且具有環(huán)向陣列結構，其數(shù)目等同于下游靜子葉片的數(shù)目。

其中，所述下游靜子葉片吸力面機匣側、輪轂側均沿展向布置有多個抽吸槽，每個抽吸槽的寬度為葉片弦長的2％，高度不超過葉片展向高度的20％，所述下游靜子葉片機匣端壁、輪轂端壁在靠近吸力面?zhèn)妊亓飨蜃?5％軸向弦長自尾緣處布置有單個抽吸槽，槽寬為2％到5％倍的葉片弦長值。

其中，所述下游靜子葉片輪轂側端壁抽吸槽由輪轂側端壁抽吸槽導管i、輪轂側端壁抽吸槽導管ii分別與下游靜子葉片內部氣流導管i、下游靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下游靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽由輪轂側吸力面抽吸槽導管i、輪轂側吸力面抽吸槽導管ii分別與下游靜子葉片內部氣流導管i、下游靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下游靜子葉片機匣側端壁抽吸槽由機匣側端壁抽吸槽導管i、機匣側端壁抽吸槽導管ii分別與下游靜子葉片內部氣流導管i、下游靜子葉片內部氣流導管ii連接；所述下游靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽由機匣側吸力面抽吸槽導管i、機匣側吸力面抽吸槽導管ii分別與下游靜子葉片內部氣流導管i、下游靜子內部氣流導管ii連接。

其中，所述下游靜子葉片內部氣流導管i、下游靜子葉片內部氣流導管ii連通位于機匣中的抽吸氣體穩(wěn)壓腔；所述抽吸氣體穩(wěn)壓腔沿周向陣列分布，其數(shù)目等同于下游靜子葉片的數(shù)目，周向寬度取下游靜子葉片機匣側柵距的一半；所述抽吸氣體穩(wěn)壓腔通過引氣管連通所述射流氣體導流腔。

其中，所述射流氣體導流腔為全環(huán)通腔結構，且沿氣流方向具有漸縮的流道截面；在所述射流氣體導流腔出口前，周向陣列分布有導流腔出口前導葉；所述導流腔出口前導葉的高度與導流腔出口段的沿導葉展向的寬度相等；所述導流腔出口前導葉軸向弦長不大于上游靜子與目標轉子葉片間軸向間隙的80％；所述導流腔出口前導葉與機匣連接截面的稠度取1到2之間的值。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的多級軸流壓氣機，具有以下有益效果：

(1)設置同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣，利用多級壓氣機逐級加壓的特點，通過目標轉子葉尖前緣與下游靜子葉片通道的壓差作用形成自適應的抽吸、射流，避免了傳統(tǒng)壓氣機靜子葉片三維角區(qū)流動主動控制中附面層抽吸控制、轉子葉尖前緣處機匣射流控制需要額外引入能量問題，將主動控制轉變?yōu)楸粍涌刂啤?/p>

(2)設置同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣，通過布置在機匣內的引氣管連接下游靜子葉片抽吸氣體穩(wěn)壓腔與目標轉子葉尖前緣處端壁內側射流氣體導流腔，使得下游靜子葉片角區(qū)的抽吸量與目標轉子葉尖前緣處端壁的射流流量可通過抽吸槽、射流氣體導流腔出口的當?shù)貕毫Σ钪祵崿F(xiàn)自適應調節(jié)；通過全環(huán)的射流氣體導流腔及布置在其出口前的用于調節(jié)射流方向的導流腔出口前導葉，形成周向均勻且與目標轉子葉尖預旋方向一致的射流，在通過自適應抽吸有效抑制多級壓氣機靜子端區(qū)三維角區(qū)分離流動的同時，通過與轉子葉尖預旋方向一致的周向均勻射流改善了轉子葉尖流動，避免了動葉旋轉失速等的過早發(fā)生，解決了傳統(tǒng)自流通處理機匣射流的周向不均勻問題，避免了針對靜子角區(qū)分離的傳統(tǒng)被動控制方法有效作用工況范圍有限的問題，增加了轉子葉片的旋轉穩(wěn)定性，提高了壓氣機裕度，拓寬了壓氣機的穩(wěn)定工作工況范圍。

附圖說明

圖1為一種同時改善靜子角區(qū)流動的自循環(huán)處理機匣的剖視圖；

圖2為圖1中i部分的放大圖；

圖3為圖1中a-a截面示意圖；

圖4為圖3中ii部分的放大圖；

圖5為圖1中b-b或c-c截面示意圖；

圖中，1：轉子輪盤；2：下游靜子葉片輪轂；3：下游靜子葉片輪轂端壁抽吸槽；4：下游靜子葉片尾緣；5：下游靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽；6：下游靜子葉片輪轂端壁；7：下游靜子葉片內部氣流導管i；8：下游靜子葉片內部氣流導管ii；9：下游靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽；10：下游靜子葉片機匣端壁抽吸槽；11：抽吸氣體穩(wěn)壓腔；12：機匣；13：引氣管；14：下游靜子葉片壓力面；15：下游靜子葉片機匣端壁；16：下游靜子葉片；17：下游靜子葉片前緣；18：目標轉子葉片；19：轉子葉片葉頂間隙；20：轉子葉片葉尖；21：轉子葉片前緣；22：導流腔出口前導葉；23：射流氣體導流腔；24：導流腔出口前導葉前緣；25：導流腔出口前導葉尾緣；26：轉子葉片葉尖截面；27：導流腔出口；28：下游靜子葉片吸力面；29：下游靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽導管i；30：下游靜子葉片機匣側吸力面抽吸槽導管ii；31：下游靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽導管i；32：下游靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽導管ii；33：下游靜子葉片機匣側端壁抽吸槽導管i；34：下游靜子葉片機匣側端壁面抽吸槽導管ii；35：下游靜子葉片輪轂側端壁面抽吸槽導管i；36：下游靜子葉片輪轂側端壁面抽吸槽導管ii。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1：

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的自循環(huán)處理機匣，包括目標轉子葉片18、下游靜子葉片16、機匣12及位于機匣12內部的引氣管13結構；目標轉子葉片18通過轉子輪盤1與發(fā)動機軸連接，其葉尖20與機匣12間具有葉頂間隙19，下游靜子葉片16位于目標轉子葉片18下游，其16一側與機匣12無縫連接，并具有機匣側端壁15，另一側連接有輪轂2，并具有輪轂側端壁6。

如圖5所示，在下游靜子葉片16的吸力面28機匣側端區(qū)、輪轂側端區(qū)及機匣端壁15、輪轂端壁6布置有組合抽吸槽3，5，9，10結構；位于下游靜子葉片16機匣側吸力面28抽吸槽9有多個，均位于下游靜子葉片吸力面28機匣側角區(qū)，以一定的軸向弦長間隔均勻分布，其9寬度取為2％的靜子葉片16中徑處弦長，其9展向高度不超過靜子葉片16總高度的20％；位于下游靜子葉片輪轂側吸力面28抽吸槽5有多個，均位于下游靜子葉片吸力面28輪轂側角區(qū)，以一定的軸向弦長間隔均勻分布，其寬度取為2％的葉片中徑處弦長，其展向高度不超過下游靜子葉片總高度的20％；位于下游靜子葉片機匣側吸力面28的抽吸槽9與位于下游靜子葉片輪轂側吸力面的抽吸槽5可具有不同的展向高度。在下游靜子葉片機匣端壁15靠近下游靜子葉片吸力面28處具有下游靜子葉片機匣端壁抽吸槽10結構，抽吸槽10的寬度取為下游靜子葉片16中徑處葉片弦長的2％，抽吸槽10的流向位置起始于角區(qū)分離點前(25％軸向弦長位置之前)，終止于后面級靜子葉片尾緣4處；在下游靜子葉片輪轂端壁6靠近下游靜子葉片吸力面28處同樣具有下游靜子葉片輪轂端壁抽吸槽3結構，抽吸槽3的寬度取為后面級靜子葉片16中徑處葉片弦長的2％，抽吸槽3的流向位置起始于角區(qū)分離點前(25％軸向弦長位置之前)，終止于后面級靜子葉片尾緣4處。下游靜子葉片機匣側吸力面28抽吸槽9通過機匣側吸力面28抽吸槽導管i29和機匣側吸力面28抽吸槽導管ii30分別與下游靜子葉片16內部氣流導管i7、下游靜子葉片內部氣流導管ii8連接；下游靜子葉片輪轂側吸力面抽吸槽5通過輪轂側吸力面抽吸槽導管i31和輪轂側吸力面抽吸槽導管ii32分別與下游靜子葉片16內部氣流導管i7、下游靜子葉片16內部氣流導管ii8連接；下游靜子葉片機匣端壁抽吸槽10通過機匣側端壁抽吸槽導管i33、機匣側端壁面抽吸槽導管ii34分別與下游靜子葉片16內部氣流導管i7、下游靜子葉片16內部氣流導管ii8連接；下游靜子葉片輪轂端壁抽吸槽3通過輪轂側端壁抽吸槽導管i35、輪轂側端壁面抽吸槽導管ii36分別與下游靜子葉片16內部氣流導管i7、下游靜子葉片16內部氣流導管ii8連接。

如圖1所示，下游靜子葉片16內部氣流導管i7、氣流導管ii8與機匣12內部的抽吸氣體穩(wěn)壓腔11連接，如圖3所示，機匣12內部的抽吸氣體穩(wěn)壓腔11周向陣列布置，其數(shù)目等同于下游靜子葉片16的數(shù)目，周向寬度為下游靜子葉片16機匣側柵距的一半。抽吸氣體穩(wěn)壓腔通過機匣12內部的引氣管13與射流氣體導流腔23相連接。射流氣體導流腔23具有全環(huán)通腔結構，其沿著氣流方向具有漸縮的流道截面，在約束射流切向流動的同時，保證較大的總壓恢復系數(shù)，減小流動損失。在射流氣體導流腔23出口27前，周向陣列布置了一圈導流腔出口前導葉22，出口前導葉22的高度與導流腔23出口27段的沿導葉展向的寬度相等，出口前導葉22的軸向弦長不大于上游靜子與目標轉子葉片18間軸向間隙的80％，稠度可取1到2之間的值。射流氣體導流腔23出口前導葉22的出口角與目標轉子葉片18葉尖前緣處的預旋角度一致，使得射流氣體導流腔23出口27的射流具有與轉子葉片18葉尖前緣處理想氣流同樣的流動方向，得到更好的轉子葉尖泄漏流動控制效果。

在自循環(huán)處理機匣工作時，來自于目標轉子葉片18上游靜子的氣流作用于目標轉子18，經過目標轉子18進一步做功增壓后，流向下游靜子16。由于多級軸流壓氣機逐級增壓的特點，位于下游的葉片通道具有比上游葉片通道更大的靜壓，因此在下游靜子葉片16通道與上游目標轉子18通道壓差的作用下，位于下游的抽吸氣體穩(wěn)壓腔11具有比上游射流氣體導流腔出口處更大的壓力。壓差的作用使得下游靜子葉片機匣側吸力面28抽吸槽9、輪轂側吸力面抽吸槽5，下游靜子葉片機匣端壁抽吸槽10、輪轂端壁抽吸槽3吸入下游靜子葉片16角區(qū)低能的附面層流體，進而抑制下游靜子葉片16通道的三維角區(qū)分離流動，減弱因此造成的流動堵塞及損失，增大下游靜子葉片16的擴壓能力。該部分高壓流體通過抽吸槽導管29-36進入下游靜子葉片內部氣流導管7，8，匯聚到抽吸氣體穩(wěn)壓腔11中，通過位于機匣內部的引氣管13通向射流氣體導流腔23，并在射流氣體導流腔23的導流作用下調整射流方向為切向，通過位于射流氣體導流腔23出口前的導流腔出口前導葉22在導流腔出口27處形成周向均勻的與目標轉子18葉尖前緣處預旋方向一致的射流，作用于目標轉子18的葉尖間隙19，改善了目標轉子葉尖20的間隙流動，有效防止了由于前緣溢流導致的旋轉失速，增強了目標轉子18的旋轉穩(wěn)定性，提高了裕度，拓寬了壓氣機的穩(wěn)定工作工況范圍。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，所不同之處在于目標轉子與下游靜子間具有多個轉靜子排。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。