低速相似模化原理在高负荷轴流压气机设计中的应用

发布时间：2018-02-10 14:03

本文关键词： 相似模化低速大尺寸实验台高负荷轴流压气机设计流动失稳叶顶泄漏流　出处：《中国科学院工程热物理研究所》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：高负荷轴流压气机的设计,是现代压气机的重要发展趋势和研究方向。在轴流压气机常规设计流程中,首先进行一维气动设计,得到压气机的初始方案后;然后,对其进行三维造型和三维数值模拟,并根据计算结果,对设计方案进行优化;最后对得到的优化结果进行实验测试。若压气机性能不能满足设计要求,则需根据实验测量结果进行压气机方案的改进。然而,高负荷压气机的设计存在前所未有的困难:一方面,由于高负荷压气机转速高,与低负荷压气机运行工况相比更为靠近材料强度极限,这对叶片的材料和加工工艺方面都有很高的要求,会导致实验成本和风险提高;另一方面,在测量方面,由于压气机压比高,工质密度增大,导致压气机通流面积减小,测量空间也小,同时高转速也提高了对测量手段时间分辨率的要求。在这种情况下,一旦高速压气机实验结果不满足设计要求,又无法通过实验的方法获得详细流场,指导压气机方案的改进就变得十分困难。因此便需要在高速实验测试之前引入低速相似模化方法,用低成本、低风险、易测量的实验手段,首先对压气机方案进行验证和优化,以提高高速压气机实验的成功率。本文以高负荷轴流压气机的设计优化为应用背景,对低速相似模化原理进行了研究、发展和应用。低速相似模化国内外均已有研究,但当前的研究的关注点主要集中在设计点的流动损失方面。针对高负荷轴流压气机多方面性能设计优化的研究需要,提出了本文的核心科学问题:如何通过低速相似模化设计方法实现高负荷压气机与低速模型压气机在流动稳定性方面的相似性。围绕这一核心科学问题,按照"需求-理论-实验台.设计.实验"的思路,开展了一系列研究工作:首先自主设计了一台高负荷轴流压气机,提出了设计应用中低速相似模化设计研究的必要性和需求;针对流动稳定性相似的需求,根据叶顶泄漏流模型展开了理论分析和相似性推导,获得了保证流动失稳特性相似的相似准则,并通过对一台跨音压气机部分转速工况的相似模化设计验证了其可靠性;设计并搭建低速大尺寸压气机实验台和配套的数据采集、测量、控制系统,为低速模型实验的开展提供了实验基础;最后依据提出的相似准则和方法,针对对所设计的高负荷轴流压气机部分转速工况进行了相似模化设计,并开展了数值模拟与实验结合的研究。具体工作内容如下:1.高负荷跨音压气机气动设计的研究针对德国汉诺威大学某用于机翼边界层流动控制的超小尺寸,超高负荷轴流压气机的设计需求,展开了一系列研究。开发了一维气动设计程序,完成了压气机初始方案的设计。通过对动叶折转角分布和叶片入口几何角等参数进行优化,大幅提高了压气机设计方案的总压比和效率。对压气机设计最终方案多个转速下的流动特性进行了详细的三维数值模拟,结果表明本压气机方案在额定转速各项性能满足设计要求,但在中低转速下,稳定裕度不足。2.低速相似模化设计理论的研究针对高负荷轴流压气机拓宽稳定裕度的需要,需设计流动失稳过程与高速原型压气机相似的低速模型压气机。研究表明泄漏流是触发突尖失速先兆的关键性因素,因此根据Chen泄漏流模型和Bennington主流与泄漏流交界面轴向位置的一维简化模型进行了模型化分析,提出了保证泄漏流流动特征相似的必要条件和设计方法。根据进、出口速度三角形和欧拉公式,对非设计工况点的相似性进行了理论分析。发现高速原型压气机与低速模型压气机压升特性线斜率的差异主要是由通流形式和出口工质密度不同导致的,若想获得整根压升特性线与高速原型压气机相似的低速模型方案,低速模型压气机也需要采用收缩流道的通流形式,且低速压气机通道面积收缩比要大于高速原型压气机,以弥补两台压气机出口密度的差异。3.低速大尺寸压气机实验台和测量方法的研究低速大尺寸压气机实验台是本项研究的基础和保障。针对实验研究需要,提出了多项实验台的设计要求。本实验台通过加工工艺的优化和机械部件的合理设计,保证了压气机机匣与轮毂的同心度、叶顶间隙的均匀度、节流过程均匀稳定、方便拆卸等多项设计要求。完成了压气机实验台测量、数据采集和控制系统的搭建,实现了实验台压升系数特性线、效率特性线、动叶进出口动态流场等的实验测量。并通过实验台上的动态测量研究了动叶出口流动结构与非定常波动的关联性,验证了本实验台上的动态测量和分析方法在流场细节捕捉方面能够满足空间和时间分辨率上的要求。4.低速相似模化设计方法的研究和实验验证针对所设计的高负荷轴流压气机60%转速工况进行了低速相似模化设计和优化。首先根据之前提出的相似模化方法,进行了低速模型压气机的设计。应用反问题设计程序对二维叶型进行设计,二维叶型的速度系数分布与目标值高度一致。在由二维叶型生成三维叶片的过程中,对展弦比、稠度、叶顶间隙和积叠方式等参数进行了优选,在已有二维叶型的基础上获得了相似性最好的低速模型压气机方案。低速模型压气机和高速原型压气机在特性线、叶片表面静压系数和泄漏流特征等方面均具有较好的相似性。最后,在低速大尺寸压气机实验台上,对低速模型压气机方案进行了实验测量,对数值模拟结果进行了验证。
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【学位授予单位】：中国科学院工程热物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH453

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