一种非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器.pdf

本发明涉及一种应用在民用轴流风机静子叶根端区的非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器。该非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器的设计考虑到了风机静子端区无序的非定常旋涡分离流动及丰富的二次流动损失。通过合理的设计处理槽的数目和周向分布形式时，非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器在保持了有益的高频激励信号的同时，引入了合适的低频激励信号和有益的副频激励信号，使得激励发生器的流动更容易与压气机中的复杂涡系产生耦合激励作用，因此能够有效减少静子叶根端区的大尺度分离及二次流损失，从而大幅降低噪声，扩大风机稳定裕度范围，同时提高风机效率。

1、  一种非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器，其特征在于本发明所述非轴对称轮毂激励发生器在轴对称轮毂激励发生器的基础上去掉了50％的处理槽(3)，所剩下的处理槽(3)在周向上按照四个激励区(1)分布。分布有处理槽(3)的四个激励区(1)与没有处理槽的四个缓冲区(2)分别相间分布。处理槽采用圆弧斜槽。

一种非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器
技术领域
本发明涉及一种提高民用风机稳定裕度的装置，尤其是改善民用轴流风机静子根部端区流动分离及二次流损失的一种非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器。
背景技术
民用轴流风机的级压比和流动速度相对航空燃气轮机低得多，而且为了尽量降低加工和制造成本，叶型通常相对简单而粗糙，因此叶片通道内存在有较大的流动分离，尤其是静子根部的端壁区域，存在着很严重的分离流动和丰富的二次流动，其往往是风机噪声源和性能较低的原因之一。民用风机的效率基本在60-80％左右。
在航空发动机领域，为了扩大压气机的稳定裕度，处理机匣技术的扩稳效果被认为非常明显，且实用性很强，因而得到了比较广泛的应用。机匣处理技术的根本目的在于提高压气机的稳定裕度范围，其有效性的本质在于改善端区的流动情况。本课题组基于对风机静子端区的流动结构的分析，结合前期已获得成功的非定常耦合流动理论，针对风机静子叶根存在大尺度分离的流动结构，已经成功设计了改善静子端区流动分离的轴对称轮毂激励发生器，这种轮毂激励发生器能有效减少静子端区的流动分离，大幅降低气动噪声，提高民用风机性能。但是这种轴对称轮毂处理环只能产生单一的激励频率，对静子叶根端区的二次流不能产生非定常耦合激励作用。
因此，如何更有效地控制风机静子叶根端区的非定常流动，设计出一种能够产生多种激励频率的轮毂处理环，使它不仅能对静叶根部的分离团进行更好地整流而且能对复杂的二次流进行一定程度的整流，使流场更加有序，减轻叶背分离和减少流动损失，使得民用风机的性能进一步提升，噪声进一步降低。这种非定常多频率激励的轮毂激励发生器成为本发明所追求的目标。
发明内容
受到航空发动机处理机匣以及只能产生单频率的轴对称轮毂激励发生器的的启发，并针对民用风机静子端区的非定常流动特点，本发明提供了一种能产生多频率激励的非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器。其特征是在轴对称轮毂激励发生器的基础上去掉50％的处理槽，处理槽采用圆弧斜槽形式。这种非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器包括开有处理槽的为四个激励区和未开处理槽的四个缓冲区。激励区和缓冲区相间分布，每个激励区的处理槽数为轴对称轮毂激励发生器总槽数的12.5％。
这种非轴对称圆弧斜槽形轮毂处理环是在轴对称轮毂激励发生器的基础上进行设计发明的。首先对轴对称轮毂激励发生器进行设计：
(1)激励发生器处理槽数目N的确定
激励器控制的主要对象为轮毂端区的分离团，因此，激励器槽数与该脱落涡的主要特征频率以及轮毂转速相关，其具体取值为：
N=f(n,fshed)=60·cf·fshedn]]>
其中，n为轮毂转速RPM，f_shed为轮毂端区分离团旋涡的频率，其可以通过实验的方法来获得，c_f为系数，取值范围为0.5～1.5；
(2)激励发生器处理槽位置确定
激励发生器处理槽的总的轴向投影长度L_H，其初步取值在一定范围变化：
L_H＝0.7L_b～1.3L_b
上式中L_b为静子叶根基元级叶型的轴向弦长。
激励器槽后端应位于转子轮毂端区分离的起始点位置。一般来说，其大概范围为：
L_T＝0.4L_H～0.7L_H
(3)根据经验，激励发生器处理槽径向倾斜角α_h取40°-60°范围
(4)激励发生器处理槽深度h的确定
h＝0.04R_h～0.07R_h
其中R_h轮毂半径。处理槽的深度影响进出槽道气流的强度，即施加激励的幅值大小，其取值应该随着静子分离区增加而增大
(5)轮毂激励发生器采用圆弧斜槽式处理槽
(6)处理槽前端和尾端倒角φ的确定：
经验参数，其主要目的是让进出槽道的气流损失减小，其取值范围
φ＝15°～30°
在设计好的轴对称轮毂激励发生器上分区地去掉50％的处理槽，具体如图2所示。图2中，在激励区，静子叶根端区流场能感受到连续的处理槽的非定常激励，而在缓冲区，静子叶根端区流场则不能感受到处理槽的非定常激励。这种从有到无，再从无到有的的激励过程，就是一个典型的低频方波激励信号，这是轴对称尾流撞击方案所不能提供的。此外，在激励区，静子叶根端区流场还会感受到多个处理槽连续经过时产生的高频率的激励信号。而这个高频激励信号就是轴对称轮毂激励发生器能对静子叶根端区流场产生耦合激励频率。这种结构能够对风机主流区及端壁区二次流产生明显的非定常激励整流作用。因此，本发明所述的非轴对称圆弧斜槽形轮毂激励发生器相对轴对称轮毂激励发生器来说，具有不同的非定常作用机理。
这种结构能够对民用风机静子叶根端区的流场产生明显的非定常激励作用，使得流场变得更为有序，因而能取得与传统轮毂处理环不同的效果，能够进一步降低风机的噪声和进一步提高风机的性能。
附图说明
图1为本发明实施的示意图(1为机匣，2为转子叶片，3为静子叶片，4为轮毂，5为处理槽)；
图2为轴对称轮毂激励发生器示意图(1为处理槽)；
图3为圆弧斜槽沿子午面的剖视图；
图4为非轴对称轮毂激励示意图(1为激励区，2为缓冲区，3为处理槽)；
具体实施方式
以某民用风机为例来说明本发明的具体实施方式，表1是该民用风机的基本的气动和结构参数。
表1某民用风机的基本气动和结构参数