專利名稱：航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，其能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)扇及壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)增效，特別適用于高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
葉輪機(jī)械中葉頂間隙是為避免旋轉(zhuǎn)葉片和機(jī)匣之間發(fā)生碰磨而引入的，其大小約為O. 3% 1%壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂軸向弦長。在葉頂間隙兩側(cè)的壓差作用下，部分流體穿過葉頂間隙形成泄漏流動，同時由于受到主流的影響，該泄漏流動通常以葉尖泄漏渦的形式存在于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域。對風(fēng)扇/軸流壓氣機(jī)而言，葉尖泄漏流的負(fù)面影響主要體現(xiàn)為產(chǎn)生泄漏損失和堵塞，前者會降低壓氣機(jī)效率，后者會降低壓氣機(jī)的壓升能力和穩(wěn)定工作范圍。中等推力、中等增壓比的發(fā)動機(jī)，葉片高度較大，由葉尖間隙造成的損失還不很嚴(yán)重。隨著增壓比的増加，葉片高度顯著縮短，高壓壓氣機(jī)后幾級的葉高有的已縮短到2(T30mm， 這樣葉尖間隙造成的損失變得更加顯著。根據(jù)實測，葉尖間隙相對值(即間隙/葉片高度)增加1%，效率約降低1% ;而效率降低1%，耗油率約增加2%。此外，越來越多的研究結(jié)果表明，現(xiàn)代高性能壓氣機(jī)的失穩(wěn)大多是由葉頂間隙泄漏流動所產(chǎn)生的失速先兆觸發(fā)的?，F(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對高推重比的軍事需求要求軸流壓氣機(jī)總壓比不斷提高且級數(shù)(或葉片數(shù))不斷減少。這就導(dǎo)致軸流壓氣機(jī)的級負(fù)荷越來越高，葉尖泄漏更嚴(yán)重，壓氣機(jī)對葉尖間隙的敏感性逐步增強(qiáng)，葉頂間隙導(dǎo)致的損失所占的比例越來越高?？梢钥闯?，葉頂間隙大小以及布局對環(huán)壁附面層及其與葉片附面層的相互作用起著十分重要的作用。如果間隙控制得好，轉(zhuǎn)子壓升、效率及失速裕度都可得到不同程度的改善；反之，若間隙過大，或布局不合理，尖部區(qū)域又將是ー個嚴(yán)重的氣動損失源和率先失速區(qū)?，F(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)先進(jìn)的氣動設(shè)計與試驗方法已使壓氣機(jī)效率高達(dá)88%以上。如果想要進(jìn)ー步提高發(fā)動機(jī)性能，需要盡量減小氣流泄漏，減少流道中的端壁損失。隨著對葉尖泄漏流動認(rèn)識的日益豐富，人們開始考慮采取控制措施來減緩泄漏損失帶來的穩(wěn)定工作裕度退化和性能下降問題，如已經(jīng)在許多發(fā)動機(jī)實際型號中得到廣泛應(yīng)用的機(jī)匣處理，就是利用尖部間隙的變化來改進(jìn)轉(zhuǎn)子性能的。公告號CN102162472A的專利文獻(xiàn)公開ー種應(yīng)用在軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖端區(qū)的多圓弧斜槽處理機(jī)匣。所述多圓弧斜槽處理機(jī)匣的處理槽在徑向采用雙圓弧型并且在周向采用圓弧型的組合設(shè)計。通過合理的設(shè)計處理槽的幾何結(jié)構(gòu)形式，即在R方向(徑向)采用雙圓弧型并且在θ (周向)采用圓弧型的組合設(shè)計。公告號CN101691869的專利文獻(xiàn)公開了ー種具有軸向斜槽處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的軸徑流壓氣機(jī)，該軸徑流壓氣機(jī)包括軸流轉(zhuǎn)子，軸流靜子以及徑流壓氣機(jī)，且軸流轉(zhuǎn)子，軸流靜子以及徑流壓氣機(jī)三個部件依次同軸聯(lián)結(jié)；在所述的軸徑流壓氣機(jī)軸流轉(zhuǎn)子的機(jī)匣壁面上加工有周向均勻分布的軸向斜槽，軸向斜槽在徑向順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向呈30°飛0°的傾斜。傳統(tǒng)的周向槽處理機(jī)匣如圖I所示，是在機(jī)匣上沿壓氣機(jī)的周向開數(shù)條直槽，實際應(yīng)用效果表明，無論來流是均勻流或發(fā)生進(jìn)ロ畸變，壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度都有改善，由于周向槽能夠方便地實現(xiàn)加工，因此對于改善發(fā)動機(jī)的性能具有一定的意義。但這類處理機(jī)匣的缺點(diǎn)是穩(wěn)定裕度的改善以損失壓氣機(jī)的效率為代價。因此，亟需尋求ー種轉(zhuǎn)子葉頂間隙的合理布局，達(dá)到擴(kuò)大穩(wěn)定工作范圍和提高效率的雙重目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、即實現(xiàn)了穩(wěn)定工作裕度提升又不犧牲壓氣機(jī)效率、結(jié)構(gòu)簡單實用的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題為ー種航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，所述航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)包括轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣外殼，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述的機(jī)匣外殼內(nèi)側(cè)壁相應(yīng)的位置上加工成具有一定深度和寬度的階梯周向槽，通過優(yōu)化匹配間隙大小以及階梯周向槽開槽位置獲得不同的梯狀間隙結(jié)構(gòu)布局。

優(yōu)選為，本發(fā)明所述的周向槽的深度與壓氣機(jī)葉頂間隙大小tl相等。優(yōu)選為，本發(fā)明所述的周向槽開槽位于葉頂軸向弦長的60% 108%范圍內(nèi)。優(yōu)選為，本發(fā)明所述梯狀間隙結(jié)構(gòu)與壓氣機(jī)設(shè)計所追求的目標(biāo)有關(guān)，為了獲得更高的壓比和效率，優(yōu)選為將葉頂間隙tl設(shè)為葉頂軸向弦長的O. 3%，且使周向槽開槽位于葉頂軸向弦長的60% 108%范圍內(nèi)；為了獲得更高的穩(wěn)定工作范圍，優(yōu)選為將葉頂部間隙設(shè)為葉頂軸向弦長的O. 6%，且使周向槽開槽位于葉頂軸向弦長的90% 108%范圍內(nèi)。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明的新型梯狀間隙結(jié)構(gòu)布局更加簡單，更加方便地實現(xiàn)加工，并且能夠在提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的同時提高壓氣機(jī)效率；此外，通過葉頂間隙大小與階梯開槽位置的優(yōu)化組合，能夠?qū)崿F(xiàn)對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子端部流動的合理組織，達(dá)到提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度或者壓氣機(jī)性能的目標(biāo)。本發(fā)明利用在階梯槽與壓氣機(jī)頂部區(qū)域的復(fù)雜流動相互作用，有效控制壓氣機(jī)頂部區(qū)域阻塞團(tuán)的大小和位置，提高了通道主流的流通面積，在提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的同時，提高了壓氣機(jī)的性能。


圖I為傳統(tǒng)的周向槽處理機(jī)匣結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2為本發(fā)明ー實施例所述航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)的示意圖。標(biāo)號說明1-轉(zhuǎn)子葉片、2-機(jī)匣外殼、3-階梯槽。
具體實施例方式下面，結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步的詳細(xì)說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。實施例I :如圖2所示，本實施例所述的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)包括轉(zhuǎn)子葉片I和機(jī)匣外殼2，機(jī)匣外殼2的內(nèi)側(cè)壁設(shè)置有深度較小的階梯槽3。為了提高壓氣機(jī)的性能，實現(xiàn)對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂端區(qū)復(fù)雜流動的組織與調(diào)控，在壓氣機(jī)機(jī)匣外殼2上開設(shè)了深度與葉頂間隙大小相當(dāng)?shù)碾A梯槽3，針對壓氣機(jī)設(shè)計中所追求目標(biāo)的不同來確定葉頂間隙大小和階梯槽開槽位置，設(shè)計不同的轉(zhuǎn)子葉頂梯狀間隙結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計中追求更高的壓比和效率，則將轉(zhuǎn)子葉頂間隙tl設(shè)為轉(zhuǎn)子葉頂軸向弦長的O. 3%，同時在葉頂軸向弦長的60% 108%范圍內(nèi)引入深度與葉頂間隙相當(dāng)?shù)碾A梯槽；如果追求更高的穩(wěn)定工作范圍，則將轉(zhuǎn)子葉頂部間隙設(shè)為轉(zhuǎn)子葉頂軸向弦長的O. 6%，同時在葉頂軸向弦長的90% 108%范圍內(nèi)引入深度與葉頂間隙相當(dāng)?shù)碾A梯槽。工作時，借助轉(zhuǎn)子葉片I葉頂吸カ面和壓カ面兩側(cè)的壓カ梯度，階梯槽能夠?qū)㈨敳块g隙渦與激波相互作用產(chǎn)生的位于轉(zhuǎn)子葉片尾緣附近的低能阻塞團(tuán)帶入相鄰轉(zhuǎn)子葉片頂部間隙，進(jìn)入相鄰葉片頂部間隙的高損失阻塞團(tuán)在與機(jī)匣粘性邊界層相互作用過程中耗散被成為中等損失的阻塞團(tuán)，從而有效地消除了轉(zhuǎn)子葉片壓カ面附近的堵塞，對轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域產(chǎn)生ー種氣動密封作用。因此，梯狀間隙結(jié)構(gòu)能夠調(diào)控轉(zhuǎn)子葉頂區(qū)域阻塞團(tuán)的大小和位置，提高通道主流的流通面積，從而改進(jìn)了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的壓比、效率和流量范圍。綜上所述，本發(fā)明可直接用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動風(fēng)扇/機(jī)壓氣機(jī)，在提高風(fēng)扇/機(jī)壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度的同時提高壓氣機(jī)的效率。本發(fā)明的思路是從合理組織壓氣機(jī)葉頂端區(qū)復(fù)雜流動出發(fā)，探索了ー種新型葉頂梯狀間隙結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種階梯槽處理機(jī)匣，打破了“機(jī)匣處理能夠擴(kuò)大壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕 度，但要降低效率”的傳統(tǒng)觀念，這也成為本發(fā)明設(shè)計的宗旨。此外，本說明書中所描述的具體實施例，其零部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發(fā)明專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)λ枋龅木唧w實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，所述航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)包括轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣外殼，其特征在于，在所述的機(jī)匣外殼內(nèi)側(cè)壁相應(yīng)的位置上通過加工開設(shè)具有一定深度和寬度的階梯周向槽，通過優(yōu)化匹配間隙大小以及階梯槽開槽位置獲得不同的梯狀間隙結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，周向槽的深度與壓氣機(jī)葉頂間隙大小tl相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述周向槽開槽位于葉頂軸向弦長的60% 108%范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，將葉頂間隙tl設(shè)為葉頂軸向弦長的O. 3%，同時在葉頂軸向弦長的60% 108%范圍內(nèi)引入深度與葉頂間隙相當(dāng)?shù)碾A梯槽，能夠獲得更高的壓比和效率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，其特征在于，將葉頂部間隙設(shè)為葉頂軸向弦長的O. 6%，同時在葉頂軸向弦長的90% 108%范圍內(nèi)引入深度與葉頂間隙相當(dāng)?shù)碾A梯槽，能夠獲得更高的穩(wěn)定工作范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的梯狀間隙結(jié)構(gòu)，涉及航空發(fā)動機(jī)高負(fù)荷風(fēng)扇或機(jī)壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)技術(shù)，所述航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)包括轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣外殼，其中，在所述機(jī)匣外殼內(nèi)側(cè)壁相應(yīng)的位置上通過加工開設(shè)具有一定深度和寬度的階梯周向槽，通過優(yōu)化匹配間隙大小以及階梯周向槽開槽位置獲得不同的梯狀間隙結(jié)構(gòu)布局，可利用在階梯槽與壓氣機(jī)頂部區(qū)域的復(fù)雜流動相互作用，有效控制壓氣機(jī)頂部區(qū)域阻塞團(tuán)的大小和位置，提高了通道主流的流通面積，在提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的同時，提高了壓氣機(jī)的性能。
文檔編號F04D29/66GK102817873SQ20121028533
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者張學(xué)鋒 申請人:勢加透博(北京)科技有限公司