一种基于自循环振荡射流的机匣、压气机及其扩稳方法
技术领域
本公开涉及压气机机匣处理，尤其涉及一种基于自循环振荡射流的机匣、压气机及其扩稳方法
背景技术
压气机发生失速的主要诱因一般包括叶表的流动分离、端壁及角区的复杂涡系作用等，通过被动或主动流动控制的方法抑制叶表的流动分离、叶尖的泄露流动和二次流动、减小端部区域的流动堵塞程度可以提高压气机的稳定性和效率，从而提升压气机的整体性能，扩大其稳定工作范围和效率。现有技术中，通过利用压气机前后级或者叶片吸力面和压力面之间的压力差，形成稳态的射流，从而使流动克服逆压梯度，减小或消除流动分离。已有大量研究表明，采用非稳态扰动能够大幅提高流动分离的控制效率，但是航空发动机内的工作条件恶劣，对所有零部件的可靠性要求极高，使用非稳态流动控制的难点就在于缺乏结构简单、可靠性高的激励器。而现有压气机主动控制研究中使用的非稳态流动控制激励器存在着安全性差、可靠性低、激励强度不足等缺陷。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种基于自循环振荡射流的机匣、压气机及其扩稳方法，具体实现方式如下：
一种基于自循环振荡射流的机匣，所述机匣内设置有流体振荡器流道；所述流体振荡器流道包括：振荡射流引气进口、至少一个振荡射流出口、以及用于将部分从所述振荡射流引气进口流向所述振荡射流出口的射流反馈回所述振荡射流引气进口与所述振荡射流出口之间连接部的两个反馈通道；
所述振荡射流引气进口设置于所述机匣内壁，并且位于压气机第n+m级静子中任意一个叶片流道内的位置；或位于压气机第n+m级转子叶片在机匣上的轴向投影范围内的位置；其中n≥1，m≥1；
全部所述振荡射流出口设置于所述机匣内壁，并且至少一个所述振荡射流出口位于压气机第n级静子中任意一个叶片流道内的位置；或位于压气机第n级转子叶片在机匣上的轴向投影范围内的位置。
所述流体振荡器流道的第一种优选方式：
所述流体振荡器流道还包括：进口气流引气通道、第一出口气流引气通道、第二出口气流引气通道；所述振荡射流出口包括：第一振荡射流出口和第二振荡射流出口；
所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述第一出口气流引气通道与所述第一振荡射流出口连通；所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述第二出口气流引气通道与所述第二振荡射流出口连通；
所述第一出口气流引气通道设有第一反馈出口；所述第二出口气流引气通道设有第二反馈出口；所述进口气流引气通道的出口连通有第一反馈回口和第二反馈回口；
两个所述反馈通道分别为第一反馈通道和第二反馈通道，所述第一反馈出口通过所述第一反馈通道与所述第一反馈回口连通；所述第二反馈出口通过所述第二反馈通道与所述第二反馈回口连通。
所述流体振荡器流道的第二种优选方式：
所述流体振荡器流道还包括：进口气流引气通道、第一出口气流引气通道、第二出口气流引气通道；所述振荡射流出口包括：第一振荡射流出口和第二振荡射流出口；
所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述第一出口气流引气通道与所述第一振荡射流出口连通；所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述第二出口气流引气通道与所述第二振荡射流出口连通；
所述进口气流引气通道的出口连通有第一反馈口和第二反馈口；所述第一反馈口通过一个所述反馈通道与所述第二反馈口连通。
所述流体振荡器流道的第三种优选方式：
所述流体振荡器流道还包括：进口气流引气通道、第一出口气流引气通道、第二出口气流引气通道以及流动室；所述振荡射流出口包括：第一振荡射流出口和第二振荡射流出口；
所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述流动室、所述第一出口气流引气通道与所述第一振荡射流出口连通；所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述流动室、所述第二出口气流引气通道与所述第二振荡射流出口连通；
所述流动室在靠近其出口的位置设置有第一反馈出口和第二反馈出口；所述进口气流引气通道的出口连通有第一反馈回口和第二反馈回口；
两个所述反馈通道分别为第一反馈通道和第二反馈通道，所述第一反馈出口通过所述第一反馈通道与所述第一反馈回口连通；所述第二反馈出口通过所述第二反馈通道与所述第二反馈回口连通。
针对以上三种优选的流体振荡器流道：
进一步地，所述第一振荡射流出口和所述第二振荡射流出口分别位于压气机第n级静子中任意相邻两个叶片流道内的位置；
或分别位于压气机第n级任意相邻两个转子叶片在机匣上的轴向投影范围内的位置。
进一步地，所述第一振荡射流出口位于压气机第n级静子的任意一个叶片流道内的位置，所述第二振荡射流出口位于压气机第n级转子在机匣上的轴向投影范围内的位置。
所述流体振荡器流道的第四种优选方式：
所述流体振荡器流道还包括：进口气流引气通道、出口气流引气通道、流动室；所述振荡射流出口的数量为一个；
所述振荡射流引气进口依次通过所述进口气流引气通道、所述流动室与所述振荡射流出口连通；
在靠近所述流动室进口的位置设有第一反馈回口和第二反馈回口，在靠近所述流动室出口的位置设有第一反馈出口和第二反馈出口；
两个所述反馈通道分别为第一反馈通道和第二反馈通道，所述第一反馈出口通过所述第一反馈通道与所述第一反馈回口连通；所述第二反馈出口通过所述第二反馈通道与所述第二反馈回口连通。
针对以上四种流体振荡器流道的优选方式，进一步地，所述流体振荡器流道内的气流流向与压气机内主流流向的夹角为b，0°≤b≤180°。
进一步地，所述振荡射流出口的流道方向与压气机主流轴向的夹角为a，0°≤a≤180°。
一种压气机，包括上述任一种机匣。
一种压气机的扩稳方法，根据压气机相应静子及叶片的数量和分布情况，在机匣内设置相应数量的流体振荡器流道，构建上述任一项所述的机匣；
一气流进入压气机内，并从机匣位于第n+m级静子或第n+m级转子间的振荡射流引气进口进入流体振荡器流道；
气流经过流体振荡器流道自循环振荡后，在振荡射流出口形成振荡射流，降低振荡射流出口对应静子的角区流动分离和吸力面流动分离，或降低振荡射流出口对应转子的叶顶尖隙二次流动，从而提高压气机的稳定工作裕度；
同时，由于振荡射流引气进口的压力大于位于第n级静子或第n级转子间的振荡射流出口的压力；
当振荡射流引气进口位于第n+m级静子之间时，流体振荡器流道对第n+m级静子顶端的附面层产生抽吸作用，降低其流动分离；产生扩稳效果；或
当振荡射流引气进口位于第n+m级转子之间时，流体振荡器对第n+m级转子顶端的二次流产生抽吸作用，降低其叶尖泄露流动；产生扩稳效果。
相比较现有技术，本公开具至少具有以下优点：
本公开根据压气机相应静子及转子叶片的数量和分布情况，在机匣内设置流体振荡器流道，气流从机匣第n+m级静子或第n+m级转子间的振荡射流引气进口进入流体振荡器流道；由于振荡射流引气进口的压力大于位于第n级静子或转子间的振荡射流出口的压力，气流在压气机后级与前级之间压力差的作用下，经过流体振荡器流道后，在位于机匣第n级静子间的振荡射流出口处形成振荡射流，降低振荡射流出口对应静子叶栅顶端的角区流动分离和吸力面流动分离；或在位于机匣第n级转子顶端的振荡射流出口处形成振荡射流，降低振荡射流出口对应转子叶片顶端的叶顶间隙二次流动，从而提高压气机的稳定工作裕度；由于振荡射流引气进口的压力大于位于第n静子或转子间的振荡射流出口的压力，当振荡射流引气进口位于第n+m级静子或转子之间时，流体振荡器流道对第n+m级静子或转子顶端的附面层及二次流动产生抽吸作用，降低其流动分离；产生扩稳效果。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开的机匣结构示意图；
图2是图1中A向的结构示意图；
图3是实施例一的流体振荡器流道结构示意图；
图4是振荡射流出口的剖面结构示意图；
图5是脉冲式流体振荡器单个出口在进口压力为表压1.0bar、工作介质为空气时的典型速度响应示意图；
图6是实施例一当流体振荡器流道内的气流流向A1与压气机内主流流向C1相同时的结构示意图；
图7是实施例二的结构示意图；
图8是实施例三的流体振荡器流道结构示意图；
图9是实施例四的流体振荡器流道结构示意图；
图10是实施例五的结构示意图；
图11是实施例五当流体振荡器流道内的气流流向与压气机内主流流向相同时的结构示意图；
图12是实施例五中扫射型流体振荡器流道出口用水流显影扫射流形状示意图；
机匣1、流体振荡器流道2、振荡射流引气进口3、振荡射流出口4、第一振荡射流出口41、第二振荡射流出口42、反馈通道5、第一反馈通道51、第二反馈通道52、第一反馈出口511、第二反馈出口521、第一反馈回口512、第二反馈回口522、第一反馈口53、第二反馈口54、进口气流引气通道6、第一出口气流引气通道71、第二出口气流引气通道72、静子81、转子82、叶片9、流动室91。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
实施例一
参照图1和图2，一种基于自循环振荡射流的机匣1，所述机匣1内设置有流体振荡器流道2；本实施例中，所述流体振荡器流道2采用脉冲式射流振荡器流道，其特点是：含有一个进口，两个出口。在稳态的进口条件下，即进口流量不发生变化的情况下，主流动在两个出口交替的流出，在每个出口处，沿出口通道方向，形成了脉冲式的射流。
参照图1和图2，本实施例所述流体振荡器流道2包括：振荡射流引气进口3、振荡射流出口4、以及用于将部分从所述振荡射流引气进口3流向所述振荡射流出口4的射流反馈回所述振荡射流引气进口3与所述振荡射流出口4之间连接部的两个反馈通道5。
参照图2和图3，所述振荡射流出口4包括：第一振荡射流出口41和第二振荡射流出口42；两个所述反馈通道5分别为第一反馈通道51和第二反馈通道52。
参照图2和图3，所述流体振荡器流道2还包括：进口气流引气通道6、第一出口气流引气通道71、第二出口气流引气通道72；所述振荡射流引气进口3依次通过所述进口气流引气通道6、所述第一出口气流引气通道71与所述第一振荡射流出口41连通；所述振荡射流引气进口3依次通过所述进口气流引气通道6、所述第二出口气流引气通道72与所述第二振荡射流出口42连通；
所述第一出口气流引气通道71设有第一反馈出口511；所述第二出口气流引气通道72设有第二反馈出口521；所述进口气流引气通道6的出口连通有第一反馈回口512和第二反馈回口522；所述第一反馈出口511通过所述第一反馈通道51与所述第一反馈回口512连通；所述第二反馈出口521通过所述第二反馈通道52与所述第二反馈回口522连通。
参照图1-图3，所述振荡射流引气进口3设置于所述机匣1内壁，并且位于压气机第n+m级静子中任意一个叶片流道81内的位置或位于所述压气机第n+m级转子82叶片9在机匣上的轴向投影范围内的位置，例如图2所述，所述振荡射流引气进口3位于压气机第n+m级静子叶片流道81或第n+m级转子82的任意一个叶片9顶端的位置；所述振荡射流引气进口3优选位置为相应叶片9轴向0～1.1倍弦长之间，周向0-1.0倍栅距之间；为了满足形成振荡射流所需的压力差，其中m≥1；n≥1。
所述振荡射流出口4设置于所述机匣1内壁；所述第一振荡射流出口41和所述第二振荡射流出口42分别位于压气机第n级静子81或第n级转子82的任意相邻的两个叶片9顶端的位置。所述第一振荡射流出口41和所述第二振荡射流出口42的优选位置为位于相应叶片9轴向0～1.1倍弦长之间，周向0-1.0倍栅距之间；
参照图2和图4，所述流体振荡器流道2内的气流流向A1与压气机内主流流向C1的夹角为b，0°≤b≤180°；所述流体振荡器流道2内的气流流向A1为以所述振荡射流引气进口3中心为起点，指向所述振荡射流出口4的对称轴线向量方向。所述振荡射流出口4的流道方向B1与压气机主流轴向的夹角为a，0°≤a≤180°。
参照图2，本实施例以m＝2为例，当振荡射流引气进口3位于第n+2级静子81任意一个叶片9顶端靠近吸力面一侧的位置。从第n+2级静子81间引气进入所述机匣1后，气流首先进入所述进气气流引气通道6，然后进入所述流体振荡器流道2内，根据实际需要的应用情况，通过设计不同的几何尺寸，如反馈通道5的长度或体积，进口截面积和出口截面积之比，可以得到不同的随进口压力变化时的频率响应和速度响应。
参照图1-图5，所述流体振荡器流道2能够依靠流体的康达原理产生自激振荡。从而在位于第n级静子81相邻叶片9吸力面附近的所述第一振荡射流出口41和所述第二振荡射流出口42形成与图5所示类似的高频脉冲型振荡射流。
所述进口气流引气通道6和所述出口气流引气通道7的作用是增大流体振荡器流道2在机匣1内布置位置的灵活性。如图2所示，所述流体振荡器流道2内的气流流向A1与压气机内主流方向C1相反，而所述振荡射流出口4的方向需要与压气机主流方向相同时，即：a<90时。由于机匣1厚度的限制，仅仅通过机匣1内的径向流道难以满足所述振荡射流出口4的方向与压气机主流方向相同的需求，为摆脱机匣1厚度的限制，可以通过延长和弯曲所述出口气流引气通道，将振荡射流出口4气流的方向从与压气机主流方向相反变为与主流方向垂直，再通过机匣1内的径向流道实现所需要的振荡射流出口4方向。
如图6所示，所述流体振荡器流道2内的气流流向A1与压气机内主流流向C1相同，所述振荡射流引气进口3也位于振荡射流出口4的上游位置，此时通过延长和弯曲所述进口气流引气通道6，将位于受控点下游的高压气流引到受控点的上游，从而使所述流体振荡器流道2内气流流向与压气机内主流流向相同，降低了将振荡射流出口4气流方向变为所需要的射流出口方向时的难度和流动损失。
本实施例中，由于流体振荡器流道2的康达效应的作用，以及在第n+m级静子81或第n+m级转子82与第n级静子81或第n级转子82间压力差的作用下，在每个出口形成类似于图5的脉冲型振荡射流，即速度的方向不变，速度的绝对值在一定范围内以一定的频率振荡。两个振荡射流出口4处的脉冲振荡射流能够降低对应叶栅顶端的流动分离，即降低静子81的角区流动分离，或者降低转子82的叶尖泄露流动，从而提高压气机的稳定工作裕度。
实施例二
参照图7，本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于：所述第一振荡射流出口41和所述第二振荡射流出口42分别位于压气机第n级静子81中任意相邻两个叶片9流道内的位置，或分别位于压气机第n级任意相邻两个转子叶片在机匣上的轴向投影范围内的位置。例如，参照图7，所述第一振荡射流出口41位于压气机第n级静子81的任意一个叶片9顶端的位置，所述第二振荡射流出口42位于压气机第n级转子82的任意一个叶片9顶端的位置。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，所述流体振荡器流道2采用脉冲式射流振荡器流道，参照图8，其不同之处在于，所述流体振荡器流道2的所述进口气流引气通道6的出口连通有第一反馈口53和第二反馈口54；所述第一反馈口53通过一个所述反馈通道5与所述第二反馈口54连通。
实施例四
本实施例与实施例一基本相同，所述流体振荡器流道2采用脉冲式射流振荡器流道，参照图9其不同之处在于：
所述流体振荡器流道2还包括：流动室91；
所述振荡射流引气进口3依次通过所述进口气流引气通道6、所述流动室91、所述第一出口气流引气通道71与所述第一振荡射流出口41连通；所述振荡射流引气进口3依次通过所述进口气流引气通道6、所述流动室91、所述第二出口气流引气通道72与所述第二振荡射流出口42连通；
所述流动室91在靠近其出口的位置设置有第一反馈出口511和第二反馈出口521；所述进口气流引气通道6的出口连通有第一反馈回口512和第二反馈回口522；
两个所述反馈通道5分别为第一反馈通道51和第二反馈通道52，所述第一反馈出口511通过所述第一反馈通道51与所述第一反馈回口512连通；所述第二反馈出口521通过所述第二反馈通道52与所述第二反馈回口522连通。
实施例五
参照图1、图10、图11，本实施例提供一种基于自循环振荡射流的机匣1，所述机匣1内设置有流体振荡器流道2；所述流体振荡器流道2为扫射型流体振荡器流道2，与实施例一不同的是，本实施例所述流体振荡器流道2的振荡射流出口4的数量为一个，并且所述流体振荡器流道2还包括流动室91；
所述振荡射流引气进口3依次通过所述进口气流引气通道6、所述流动室91与所述振荡射流出口4连通；本实施例所述流体振荡器流道2没有出口气流引气通道；
在靠近所述流动室91进口的位置设有第一反馈回口512和第二反馈回口522，在靠近所述流动室91出口的位置设有第一反馈出口511和第二反馈出口521；
两个所述反馈通道5分别为第一反馈通道51和第二反馈通道52，所述第一反馈出口511通过所述第一反馈通道51与所述第一反馈回口512连通；所述第二反馈出口521通过所述第二反馈通道52与所述第二反馈回口522连通。
参照图10和图11所示，以m＝2为例，与脉冲型流体振荡器流道2类似，扫射型流体振荡器流道2也有一个振荡射流进口3，进口气流引气通道6与在n+2级静子81任一叶片9吸力面一侧的振荡射流引气进口3连通。不同点在于，扫射型流体振荡器流道2只有一个出口，且由于扫射型振荡射流的特性，此出口即为机匣1内流道的振荡射流出口4，中间没有出口气流引气通道。所述振荡射流出口4位于与所述振荡射流引气进口3相对应的第n级静子81叶片9的吸力面一侧。为了使出口射流的方向与压气机主流轴向方向成一定角度，如图4所示，0°≤a≤180°，扫射型流体振荡器出口扩张段平面也需要与振荡器核心部分平面成一定角度，以满足a角度的要求。
本实施例的一种基于自循环振荡射流的机匣1，在第n+m级静子81或转子82与第n级静子81或转子82间压力差以及流道内流体康达效应的作用下，在出口处形成类似于图12的扫射型振荡射流，即速度的绝对值不变，速度的方向在一个平面内的一定夹角范围内20°～160°以一定的频率振荡。此出口处的扫射型振荡射流能够降低对应叶栅顶端的流动分离，即降低静子81的角区流动分离，或者降低转子82的叶尖泄露流动，从而提高压气机的稳定工作裕度。
实施例六
本实施例提供了一种压气机，包括上述实施例中任一种机匣1。通过将流体振荡器的内部流道与压气机机匣1的设计相结合，从而在压气机动叶顶区或者静叶角区形成自循环的振荡射流，将会在不增加现有结构复杂性的前提下，同时实现压气机压比/效率提高以及工作裕度的大幅提升。
同时结合了主动流动控制效率高，以及被动流动控制可靠性高和安全性高的优点，以被动控制的形式获得了主动控制的良好效果。应用到航空发动机压气机上能够显著提高工作效率和失速裕度，同时兼顾了安全性、可靠性以及系统结构的复杂性，在实际工程应用上具有广阔的前景。
实施例七
一种压气机的扩稳方法，根据压气机静子81及叶片9的数量和分布情况，在机匣1内设置一定数量的流体振荡器流道2，构建上述实施例中任一项所述的机匣1；
一气流进入压气机内，并从机匣1位于第n+m级静子81或第n+m级转子82间的振荡射流引气进口3进入流体振荡器流道2；
气流经过流体振荡器流道2自循环振荡后，在振荡射流出口4形成振荡射流，降低振荡射流出口4对应叶栅顶端的流动分离，从而提高压气机的稳定工作裕度；
同时，由于振荡射流引气进口3的压力小于位于第n级静子81或第n级转子82间的振荡射流出口4的压力，当振荡射流引气进口3位于第n+m级静子81之间时，流体振荡器流道2对第n+m级静子81顶端的附面层产生抽吸作用，降低其流动分离，产生扩稳效果；或，当振荡射流引气进口3位于第n+m级转子82之间时，流体振荡器对第n+m级转子82顶端的附面层产生抽吸作用，降低其叶尖泄露流动，产生扩稳效果。
实际应用中，应根据压气机静子81及叶片9的数量和分布，布置合理数量的自循环振荡射流流道。对于脉冲振荡射流，假设第n级静叶含有20个叶片9，则应该按照图2、图6的流道结构，沿机匣1周向，轴对称的设置10组自循环脉冲振荡射流流道；如果采用一个出口位于静子81间，另一个出口位于转子82间，则应沿机匣1周向，轴对称的设置20组自循环脉冲振荡射流流道；而对于扫射振荡射流，则应该按照图10和图11的流道结构，沿机匣1周向，轴对称的设置20组自循环脉冲振荡射流流道。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
