一种轴流压气机自适应机匣处理装置及其设计方法

1.本发明涉及轴流压气机，具体地涉及一种轴流压气机自适应机匣处理装置及其设计方法。


背景技术：

2.压气机性能提升需要满足稳定裕度提高同时效率不降低的要求。现有压气机的机匣处理装置有两种结果：第一，机匣处理装置提高了压气机的稳定裕度，但同时效率降低；第二，同一个机匣处理装置不能满足多转速需求，大多数机匣处理装置是根据设计转速下的压气机内部流场特点设计的，机匣处理装置为固定结构，不可拆卸；压气机在其他转速运行时，机匣处理装置的位置和结构与压气机内部流场不匹配，不再起到扩稳作用，甚至引起压气机提前失稳，违背了机匣处理装置设计的初衷，导致机匣处理装置并不能运用在压气机的实际工作中。针对现有机匣处理装置对压气机稳定裕度和与效率的不可兼顾性，以及同一个机匣处理装置对压气机多转速不同工况的不可兼顾性，需要重新设计机匣处理装置结构。
3.cn102162471a公开了一种应用在轴流压气机转子叶尖端区的椭圆及圆弧斜槽处理机匣，该发明设计的是一个大开口圆弧形腔体，虽然这种大开口式的处理机匣可提高压气机稳定裕度，但会产生极大的流动损失，导致压气机效率降低过多。
4.cn107202036a公开了一种同时改善静子角区流动的自循环处理机匣，但该发明的处理机匣只要一个抽取口，并且抽吸口与喷射口间隔太远，使得开口之间压差过大，处理机匣中的流通量过大，导致过多的流体回流，压气机效率必然下降很多。
5.cn112685829a公开了一种船舶燃气轮机压气机带槽环式处理机匣设计方法，首先该发明中提出的设计方法存在一定漏洞，分析压气机流场时只考虑近喘点，同一转速下的其他流量工况点未考虑，其次，该发明采用正交法来减少计算量，从中选出最优的处理机匣设计，这种方法得出的并不是处理机匣设计的最优方案，仅仅是在已计算的案例中选择一个相对好的。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种轴流压气机自适应机匣处理装置及其设计方法，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：
7.根据本发明的一方面，提供了一种轴流压气机自适应机匣处理装置，其可包括沿周向均匀间隔开布置在机匣上的多个机匣处理通道，所述机匣处理通道包括位于两端的喷射口和抽吸口以及位于所述喷射口与所述抽吸口之间的自适应开口，所述喷射口在叶顶前缘之前预设距离处，所述抽吸口和自适应开口位于叶片弦长中部区域，所述自适应开口离所述喷射口更近并且可根据流场自发调节成抽吸或喷射。
8.进一步地，所述预设距离为叶片弦长的15％。
9.进一步地，所述机匣处理通道为圆管体。
10.进一步地，所述喷射口、抽吸口和自适应开口的直径相同。
11.进一步地，所述喷射口、抽吸口和自适应开口的管体高度为12个叶顶间隙高度。
12.根据本发明的另一方面，还提供了一种轴流压气机自适应机匣处理装置设计方法，其可包括以下步骤：
13.s1：数值模拟压气机的设计转速和其他转速，得出峰值效率、流量范围和近失速点压比；
14.s2：分析各个转速下，近失速工况点、峰值效率工况点和近堵塞工况点的流场特征，考察从峰值效率工况点到近失速工况点以及从峰值效率工况点到近堵塞工况点的流场参数变化，同时采用熵产率分析法找寻流场中损失较集中的区域，找到各个转速流场失速的共性；
15.s3：根据流场失速特征的共性，初步设计机匣处理装置，其中，机匣处理装置为如上所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，根据经验首先确定若干机匣处理装置的结构和位置参数，包括：喷射口位置、管体高度、喷射口、抽吸口和自适应开口的周向位置、喷射口与抽吸口直径比例；
16.s4：对于其他可调结构和位置参数，每个参数根据经验在一定范围内选取三个值，采用软件进行数值模拟，其中，其他可调结构和位置参数包括抽吸口和自适应开口的弦向位置、机匣处理通道的周向分布稠度以及喷射口、抽吸口和自适应开口的直径；
17.s5：使用数据敏感性分析法，对上述其他可调结构和位置参数进行敏感性分析，找出对压气机性能影响较大的参数，使用扩稳裕度和效率提升量作为衡量指标；
18.s6：将对压气机性能影响较大的参数进一步细分寻优，最终得到精细化的最优自适应机匣处理装置的设计参数。
19.进一步地，在步s1和s4中，数值模拟软件为商业软件cfx。
20.进一步地，在s5中，敏感性分析采用python自编程程序实现。
21.本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：一是，通过自适应开口，兼顾多个转速，确保机匣处理装置同时对多转速具有扩稳作用；二是，兼顾稳定裕度与效率，尽量减少流动损失的同时增加稳定裕度；三是，采用不同工况压气机流场参数差值法，以及熵产率分析法，更准确的确定容易失速的区域；四是，采用数据敏感性分析法，辨别压气机性能影响较大的参数，进一步将最优处理机匣设计精细化。
附图说明
22.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
23.图1是本发明的一种轴流压气机自适应机匣处理装置的示意图；
24.图2是本发明的一种轴流压气机自适应机匣处理装置设计方法的流程图。
具体实施方式
25.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
26.如图1所示，一种轴流压气机自适应机匣处理装置设置在动叶100的叶顶上方的机匣(未示出)处，该机匣处理装置包括沿周向均匀间隔开布置在机匣上的多个机匣处理通道1，所述机匣处理通道1包括位于两端的喷射11和抽吸口12以及位于喷射口11与抽吸口12之间的自适应开口13。其中，喷射口11在叶片2的叶顶前缘之前预设距离(例如，叶片弦长的15％)处，抽吸口12和自适应开口13位于叶片弦长中部区域，自适应开口13离喷射口更近并且可根据流场自发调节成抽吸或喷射。通过自适应开口13，兼顾多个转速，确保处理机匣同时对多转速具有扩稳作用。
27.在本实施例中，机匣处理通道1为圆管体，放置朝向为沿弦向。即，机匣处理通道1具有主管体和与主管体垂直连通的喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的管体。其中，喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的管体高度为12个叶顶间隙高度(即，叶片100的叶顶与机匣内壁之间的间距)。喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的周向位置为在叶顶正上方弦向布置。优选地，喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的直径相同。
28.如图2所示，一种轴流压气机自适应机匣处理装置设计方法可包括以下步骤：
29.s1：用商业软件cfx等数值模拟软件模拟压气机的设计转速和其他转速(例如，50％和75％的设计转速)，得出峰值效率、流量范围和近失速点压比；
30.s2：分析各个转速下，近失速工况点、峰值效率工况点和近堵塞工况点的流场特征，考察从峰值效率工况点到近失速工况点以及从峰值效率工况点到近堵塞工况点的流场参数变化，同时，采用熵产率分析法找寻流场中损失较集中的区域，找到各个转速流场失速的共性；
31.s3：根据流场失速特征的共性，初步设计处理机匣装置1(参见图1)，根据经验首先确定几个处理机匣装置的结构和位置参数，包括：喷射口11的位置以及喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的管体高度、周向位置和直径比例；
32.s4：对于其他可调结构和位置参数，包括：抽吸口12和自适应开口13的弦向位置、机匣处理装置的周向分布稠度、喷射口11、抽吸口12和自适应开口13的开口直径，每个参数根据经验在一定范围内选取三个值，采用cfx或者其他计算软件进行数值模拟；
33.s5：采用python或其他编程软件自编程序，使用数据敏感性分析法，对这几个结构和位置参数进行敏感性分析，找出对压气机性能影响较大的参数，使用扩稳裕度和效率提升量作为衡量指标；
34.s6：将对压气机性能影响较大的参数进一步细分寻优，最终得到精细化最优自适应处理机匣设计参数。
35.本发明设计方法的优点在于：一是，兼顾多个转速，确保机匣处理装置同时对多转速具有扩稳作用；二是，兼顾稳定裕度与效率，尽量减少流动损失的同时增加稳定裕度；三是，采用不同工况压气机流场参数差值法，以及熵产率分析法，更准确的确定容易失速的区域；四是，采用数据敏感性分析法，辨别压气机性能影响较大的机匣处理参数，进一步将最优机匣处理设计精细化。
36.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种轴流压气机自适应机匣处理装置，其特征在于，包括沿周向均匀间隔开布置在机匣上的多个机匣处理通道，所述机匣处理通道包括位于两端的喷射口和抽吸口以及位于所述喷射口与所述抽吸口之间的自适应开口，所述喷射口在叶顶前缘之前预设距离处，所述抽吸口和自适应开口位于叶片弦长中部区域，所述自适应开口离所述喷射口更近并且可根据流场自发调节成抽吸或喷射。2.如权利要求1所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，其特征在于，所述预设距离为叶片弦长的15％。3.如权利要求1所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，其特征在于，所述机匣处理通道为圆管体。4.如权利要求3所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，其特征在于，所述喷射口、抽吸口和自适应开口的直径相同。5.如权利要求3所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，其特征在于，所述喷射口、抽吸口和自适应开口的管体高度为12个叶顶间隙高度。6.一种轴流压气机自适应机匣处理装置设计方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：数值模拟压气机的设计转速和其他转速，得出峰值效率、流量范围和近失速点压比；s2：分析各个转速下，近失速工况点、峰值效率工况点和近堵塞工况点的流场特征，考察从峰值效率工况点到近失速工况点以及从峰值效率工况点到近堵塞工况点的流场参数变化，同时采用熵产率分析法找寻流场中损失较集中的区域，找到各个转速流场失速的共性；s3：根据流场失速特征的共性，初步设计机匣处理装置，其中，机匣处理装置为如权利要求1所述的轴流压气机自适应机匣处理装置，根据经验首先确定若干机匣处理装置的结构和位置参数，包括：喷射口位置、管体高度、喷射口、抽吸口和自适应开口的周向位置、喷射口与抽吸口直径比例；s4：对于其他可调结构和位置参数，每个参数根据经验在一定范围内选取三个值，采用软件进行数值模拟，其中，其他可调结构和位置参数包括抽吸口和自适应开口的弦向位置、机匣处理通道的周向分布稠度以及喷射口、抽吸口和自适应开口的直径；s5：使用数据敏感性分析法，对上述其他可调结构和位置参数进行敏感性分析，找出对压气机性能影响较大的参数，使用扩稳裕度和效率提升量作为衡量指标；s6：将对压气机性能影响较大的参数进一步细分寻优，最终得到精细化的最优自适应机匣处理装置的设计参数。7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，在s51和s4中，数值模拟软件为商业软件cfx。8.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，在s5中，敏感性分析采用python自编程程序实现。

技术总结
本发明涉及一种轴流压气机自适应机匣处理装置及其设计方法，轴流压气机自适应机匣处理装置可包括沿周向均匀间隔开布置在机匣上的多个机匣处理通道，所述机匣处理通道包括位于两端的喷射口和抽吸口以及位于所述喷射口与所述抽吸口之间的自适应开口，所述喷射口在叶顶前缘之前预设距离处，所述抽吸口和自适应开口位于叶片弦长中部区域，所述自适应开口离所述喷射口更近并且可根据流场自发调节成抽吸或喷射。本机匣处理装置同时对多转速具有扩稳作用，兼顾稳定裕度与效率，尽量减少流动损失的同时增加稳定裕度。失的同时增加稳定裕度。失的同时增加稳定裕度。


技术研发人员：马婧媛 林峰
受保护的技术使用者：集美大学
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25