变轴向间隙对采用直、弯静叶压气机性能影响的数值研究

发布时间：2020-08-14 17:10

【摘要】：航空发动机的高效率以及高推重比的发展方向对压气机部件性能提出了更高的要求。通过改变压气机通流部分的几何形状来提升压气机气动性能将会是一个有前途的发展方向。基于这种认识,本论文采用三维数值模拟的方法研究了一台低速重复级压气机,研究的过程中通过变化其静叶类型(分别使用直叶片与正弯曲叶片)以及动、静叶间轴向间隙来改变压气机通流部分的几何形状。本文首先研究了原始轴向间隙下分别采用直静叶和正弯曲静叶的两台压气机的气动性能。结果表明:正弯曲静叶压气机的轴功与直静叶压气机相比有所减小,轴功的减小对效率的提升是一个积极因素,从另一个侧面也说明正弯曲静叶弱化了级间势流干扰的强度。正弯曲静叶的采用在全工况范围内都不同程度地提升了压气机的效率,同时喘振裕度也获得提高。但是,与直静叶压气机相比,气流的折转能力与通流能力有所下降。静叶正弯曲改变了叶片表面的静压分布,在吸力面表面建立起了“C”型压力分布,即沿径向两端压力高,中间压力低。端区的低能流体在压差的作用下向中径处移动,从而有效地防止了边界层内流体在端区的聚积。本文在原始轴向间隙的基础上构造了两种轴向间隙减小的方案,分别对采用直、正弯曲静叶的压气机进行了研究。结果表明,无论是采用直静叶还是正弯曲静叶的压气机,轴向间隙的减小使得压气机扭矩增加,说明小轴向间隙增强了叶列间的势流干扰,减小轴向间隙有助于提升压气机的总性能。但是,过小的轴向间隙又会恶化压气机的气动性能,使得压气机的喘振裕度降低。这说明存在使得压气机获得最佳气动性能的最佳轴向间隙。此外,近喘工况时,压气机性能对轴向间隙变化的敏感程度最高,最大流量工况时最低,设计工况居中。直静叶压气机较正弯曲静叶压气机对轴向间隙的变化更为敏感。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH45
【图文】：

叶片弯曲

View-B[15]图1-2 叶片弯曲的定义1.3.2 弯叶片在叶轮机械中的作用机理弯曲叶片是在上个世纪60年代提出的，这种叶片的提出开创了叶轮机械理论研究的新领域，受到世界各国叶轮机械专家的高度重视，同时引发了一些工业发达国家相继开展了有关弯曲叶片的气动实验、理论分析及数值计算等方面的研究。后来，弯曲叶片被成功地应用于各种叶轮机械上，对叶轮机械的发展起到了具有里程碑意义的作用。当叶片的长度比较大时，根部与顶部的反动度的差值是很大的。为了防止叶顶的反动度过大而导致严重的顶部间隙漏气损失，只能在根部引入负的反动度，而这无疑会加剧根部低能流体的分离。上个世纪60年代，王仲奇教授与前苏联专家费里鲍夫提出了叶片弯曲成形理论，该理论提出的目的就是使得反动度沿叶高均匀化从而来改善叶轮机械的气动性能。人们在实验中发现叶片的周向弯曲可以降低叶栅内二次流损失[6,16]。开始时科研人员认为叶片弯曲可以获得沿叶高均匀的反动度分布

弯曲叶片,流动机理,控制端,能量损失

理论指出决定叶栅内能量损失的主要因素并不是反动度沿叶高的分布，而是叶栅流道内，尤其是喉部以后静压沿叶高的分布。叶片正向弯曲后，在叶片吸力面形成了两端压力高，中间压力低的“C”型压力分布，如图1-3所示端部角区的低能流体在压差的作用下进入了主流区，从而减少了低能流体在端- 4 -

弯曲叶片,净损失

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文展中部扩压因子由于流管发散而增加。在参考附面层状态下，15°CA的研究表明，总压损失比常规直叶栅有所改善。因此，该论文中指出，正确的、适当的倾斜角的应用可改善端壁区域的流动，在中等冲角与失速冲角之间，叶展平均损失有明显的改善，较为合适的倾斜角为 15°。Sasaki等[15]采用CDA叶型正弯曲平面扩压叶栅的实验研究结果也表明，如图 1-4，叶栅性能改变对弯曲积迭线型式较敏感，弯曲角度和弯高并不与性能改善成正比，15°弯曲角度下的性能参数为最佳；在端壁处，弯曲使得压力提高，轴向速度（质量流量）和叶片负荷下降，中径处则相反，损失增加。

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