具有轴向斜槽处理机匣结构的轴径流压气机 【技术领域】
本发明涉及一种轴径流压气机，特别涉及一种具有轴向斜槽处理机匣结构的轴径流压气机，可用于车用、船用、航空用等各种用途增压器的压气机，以及航空、工业、发电等各种用途涡轴发动机的轴径流压气机，属于叶轮机械技术领域。
背景技术
高水平的涡轮增压是提高发动机升功率、缩小发动机排量进而减小CO2排放的有效途径。研制高压比、高效率、高可靠性、大流量范围涡轮增压器，在军用和民用领域均具有非常重要的意义。
在压气机特性中，由于激波等与边界层、泄露涡的相互作用，使得在单级涡轮增压器压比提高时，高效率区范围及稳定流量范围急剧变窄，因而在与内燃机联合工作时，难以满足性能要求以及排放指标。另一方面，增压器压比的提高依赖于压气机轮轮周线速度的增加，而轮周速度受到叶片强度的限制。因此，单级涡轮增压器压比的进一步提升面临性能和强度两方面的挑战。
轴径流式压气机是提高压气机压比的措施之一。其结构是在径流压气机前加一级轴流级压气机，把较高的增压压比合理分配到轴流级和径流级上，从而可在相对低的圆周速度下获得较高的压比，既保证了叶轮强度要求，又达到了高压比的目的。在较低的圆周速度下，轴径流压气机具有实现宽的稳定流量范围及高效率区的潜力。
轴径流压气机在航空涡轴发动机上有较为成熟的应用，在车、船用发动机中国外有零星的报道。轴流级压气机的稳定运行范围窄，且径流压气机进口条件受轴流级出口气流的影响而性能恶化，导致整个压气机的稳定流量范围较窄。为了扩大现有轴径流压气机的运行范围，针对该型压气机内的流动特点，有必要采取相应的流动控制措施。
【发明内容】
本发明目的是提供一种具有轴向斜槽处理机匣结构的轴径流压气机，以保证轴径流压气机在低转速时的高压比优势，同时有效扩大该压气机的稳定运行范围。
本发明的技术方案如下：
具有轴向斜槽处理机匣结构的轴径流压气机，包括轴流转子1，轴流静子3以及径流压气机4，所述的轴流转子、轴流静子和径流压气机依次同轴联结，其特征在于：在所述的轴径流压气机轴流转子1的机匣壁面上开有周向均匀分布的轴向斜槽2。
本发明的技术特征还在于：所述的轴向斜槽的数目为轴流转子叶片数目的10～15倍，所述的轴向斜槽沿转子转向倾斜，并与径向夹角α呈30°～60°；所述的轴向斜槽的轴向长度为转子外径的7％～13％；轴向斜槽与轴流转子叶尖的轴向重叠长度为轴向斜槽轴向长度的30％～60％，轴向斜槽槽深为轴向斜槽轴向长度的20％～30％，轴向斜槽的法向宽度为轴向斜槽轴向长度的15％～20％。
本发明具有以下优点及突出性效果：
研究表明，本发明所提出的具有轴向斜槽机匣结构的轴径流压气机，通过轴流转子上轴向斜槽处理机匣的抽吸作用，有效控制轴流转子叶尖低能间隙涡，进而实现小流量情况下流动分离的抑制，从而提高轴流级的稳定运行范围。另一方面，轴向斜槽处理机匣结构使得轴流转子及静子出口流动更加均匀，改善径流压气机进口条件，提高径流级的效率和稳定范围，从而在保证压比和效率变化不大的前提下，大幅度提高轴径流压气机失速裕度。
【附图说明】
图1为本发明的立体结构图。
图2是本发明的子午视图。
图3是图2地A-A剖视图。
图4是轴流级转子的轴向斜槽处理机匣结构示意图。
图5是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣的轴流级转子总效率对比图。
图6是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣的轴流级转子总压比对比图。
图7是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣的轴流级静子出口的马赫数分布对比图。
图8是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣的轴径流压气机整机总效率对比图。
图9是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣的轴径流压气机整机总压比对比图。
【具体实施方式】
下面结合附图说明本发明的工作原理、工作过程和具体结构作进一步的说明。
图1是是本发明的立体结构视图。图2是所述轴径流压气机的子午面视图。
如图1、2所示，轴径流压气机主要包括轴流级转子1、轴流静子3和径流级压气机4等部件。所述的轴流级转子、静子、径流级压气机依次同轴串联联结。在所述的轴径流压气机的轴流级转子的机匣上，采用了轴向斜槽的机匣处理结构，以拓宽整级压气机的稳定流量范围。由于轴流级的稳定流量范围较离心级窄，导致轴径流压气机的稳定流量范围不宽。针对某现有轴径流压气机的研究表明，整机的失稳由轴流级首先失稳引起的。因此，优先考虑了在轴径流压气机的轴流级上采用扩稳的技术方案。
图3是图2的A-A剖视图，图4是轴流级转子的轴向斜槽处理机匣结构示意图。轴向斜槽的轴向投影长度L为轴流转子外径的7％～13％，轴向斜槽与转子叶尖的轴向重叠部分的搭接长度Ce为槽轴向投影长度L的30％～60％，使斜槽搭接范围跨越转子流道喉部，一方面保证了推动间隙流抽吸所需的上下游压差，另一方面减小由于槽内的回流带来的流动损失。轴向斜槽槽深h为轴向斜槽轴向长度L的20％～30％，槽深方向顺轴流转子的转向，并且与径向呈30°～60°夹角，使气流的进入方向与槽深方向一致，以削弱斜槽内的角涡，从而更有效地对转子叶尖低能间隙流进行抽吸。轴向斜槽在周向的总数影响所抽吸的间隙流的流量以及斜槽对流场的非定常激励频率，该数值由转速和转子叶片数以及叶尖的切线速度等因素决定。为了获得合适的激励频率和抽吸量，以实现较好的轴径流压气机扩稳效果，轴向斜槽总数Z为轴流转子叶片数的10～15倍，轴向斜槽法向宽度B为轴向斜槽轴向长度L的15％～20％。
轴径流压气机在小流量附近工作时，由于离心作用，大量的低能气流向叶尖位置聚集。由于机匣上的轴向斜槽抽吸作用，轴流转子叶尖间隙流等低能气流从下游喉口后的高压区转移到上游叶片头缘附近的低压区并形成射流，提高上游叶尖附近低能间隙流的动量，增加抵抗分离或抵抗涡破碎的能力，同时也增加了进口气流流量，进而减小压气机失速流量，有效扩大轴流转子的稳定运行范围。然而由于轴向斜槽内的回流损失以及与进口气流的掺混损失，轴流级的效率和压比均会有所下降。另一方面，由于轴向斜槽减小了由于间隙流所形成的低能流体的总量，增加了尖部的流通能力，从而改善了径流级压气机的进口条件，提高了该级的效率和稳定运行范围。从轴径流压气机整机来看，轴向斜槽机匣处理对轴流级和径流级效率的负、正效果相互抵消，但是大幅度扩大了整机的稳定运行范围。
采用三维数值仿真的方法对具有轴向斜槽机匣处理的轴径流压气机的性能进行预测，对本发明进行了验证。图5和图6所示的是轴径流压气机中采用现有的轴流级实壁机匣和采用了轴向斜槽处理机匣结构轴流转子的性能图。可以看出，轴向斜槽处理机匣将轴流级的相对裕度扩大了15％，而效率仅平均下降了约1.7％。图7所示的是带有实壁机匣和轴向斜槽处理机匣轴流级在近失速工况下静子出口的马赫数分布对比图，可以看出采用轴向斜槽处理机匣后，静子出口叶尖区域的流通能力增加了。图8和图9所示的是采用了轴向斜槽处理机匣和实壁机匣的轴径流压气机效率和压比性能曲线。由图可知，轴径流压气机在轴流级转子上采用轴向轴向斜槽形式的机匣后，效率基本保持不变，而相对稳定裕度增大了2.3％，大流量区域的堵塞流量显著增加，因而轴径流压气机的性能有了明显地提升。