轴流压气机轴向缝类机匣处理设计策略研究

发布时间：2020-06-02 21:36

【摘要】：轴向缝类机匣处理是轴流压气机中一种有效的扩稳手段,目前还没有形成普适的设计方法。为此,本文提出基于叶尖动量输运分析的设计策略,通过对压气机叶尖泄漏流及处理缝开口流场间的动量输运进行计算和分析,根据扩稳和效率目标将其转化为具体的设计结构和设计变量描述,从而得出基于流场定制的设计准则。首先利用带有半圆缝机匣处理设计的跨声速压气机转子以及自行设计圆弧斜缝机匣处理的低速压气机的性能及流场实验数据,对缝类机匣处理非定常计算方法进行了详细验证;在低速压气机中采用动态压力传感器及粒子图像测速技术对细节流场进行测量,建立了轴流压气机中缝类机匣处理设计的实验数据库。在此基础上,以跨声速压气机转子中缝类机匣处理设计为例,自行提出了叶尖-处理缝动量输运分析方法,通过在机匣处理缝开口对各向动量进行定义,对处理缝开口的三维速度场进行解构。然后针对跨声速压气机转子、一级半高亚声速压气机以及低速压气机共三台叶尖负荷与设计不同的典型压气机,对包括半圆缝、直线斜缝、圆弧斜缝和轴向折弯缝共四大类的缝类机匣处理设计进行深入分析,最终揭示了轴向缝类机匣处理设计的扩稳及损失机理,提出了普适的低损失轴向缝类机匣处理设计策略。本文主要结论如下:(1)对于低速压气机和一级半高亚声速压气机来说,叶尖失速分别是由尾缘回流和前缘溢流引起。采用合理的轴向缝类机匣处理设计后都分别改善了近失速流场,起到了扩稳目的。对于跨声速压气机转子来说,转子叶尖激波-泄漏涡干涉诱发螺旋式涡破碎,造成大面积堵塞,来流-泄漏流交界面前移,诱发叶尖失速的发生。半圆缝机匣处理通过影响叶尖泄漏流分布,抑制了激波-泄漏涡干涉,改善了叶尖动量平衡,从而拓宽失速裕度。(2)缝类机匣处理设计提高峰值效率的两个途径分别是降低叶尖进口周向绝对速度,使来流形成“负预旋”,为转子带来额外的输入功;增大泄漏流弦向速度、减小弦长法向速度,降低泄漏流与主流之间的掺混损失。(3)基于动量输运分析方法可以得出轴向缝类机匣处理的设计策略。处理缝轴向叠合率及前部长度是影响缝类机匣处理设计扩稳效果和效率损失的关键设计参数,其最佳值在近失速工况下是使得机匣处理缝前部有效的射流轴向动量达到最大值,在峰值效率工况下是使得机匣处理缝前部径向掺混损失尽量小,同时保证处理缝前部的切向动量分量能够使叶尖来流形成“负预旋”。
【图文】：

曲线,压气机特性,曲线,压气机

气涡轮发动机以其先进性和复杂性成为一个国家科技水平、军标志之一，被誉为工业皇冠上的明珠[1, 2]，欧美各国都把发展航发展的重点之一[3-5]。德国 MTU 公司已成功设计并验证了增压比压压气机，正在探索压比为 20 左右的 6 级高压压气机[6, 7]。美国制总压比为 55~60 的新型发动机[5]。欧美合作的 CFMI 公司在比为 14.7 的 6 级高压压气机。与目前生产型的 CFM56 发动机CH56 计划的高压压气机级压比由 1.31 提高到 1.57，性能明显的不断提升对风扇/压气机级的设计水平提出了更高的要求。更更少的级数上实现更高的负荷就成为风扇/压气机研制过程中所压气机级的负荷越高，对其稳定工作裕度条件的要求也越加苛提高压气机稳定工作裕度之间存在着一定的矛盾。发动机的稳机的设计点与失速边界之间可能的流量和压比变化范围决定的这个范围也就是失速裕度过小，一旦压缩系统进入非稳定流动振，，将导致十分严重的后果。因而稳定工作裕度已成了高性能的重要技术指标之一。

物理图,旋转失速

博士学位论文叶尖的流动状况及失速机理息息相关的。其中，叶尖泄漏流动是“关键流动现象，对压气机性能及稳定工作裕度有着重要影响。本节将其与泄漏流的关系这两方面了解压气机转子叶尖流动的研究进展。机旋转失速及失速先兆轮机械发明以来，旋转失速与喘振便是压气机中两类最具灾难性的流重制约着压气机的性能及稳定工作范围，以其流动的复杂性和后果以来困扰叶轮机械研究人员的热点问题[19]。旋转失速或喘振一旦发生迅速恶化，重则发动机熄火，甚至造成叶片疲劳断裂，导致整台发是一种非轴对称的不稳定流动现象，通常发生在喘振之前，且有可能。当压气机流量减小到一定程度，转子通道中会出现一个或若干个失以低于转速的角速度（通常为 20%-80%转速，方向与转子旋转方向相形成非轴对称的脉动，如图 1-3所示[9]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH453

【参考文献】