近失速工况下扇形叶栅导叶设计及数值研究

发布时间：2020-05-17 03:33

【摘要】：压气机中由于存在着逆压梯度和横向压力梯度,在运行过程静叶易发生角区分离现象,甚至诱发角区失速,严重影响了压气机的运行稳定性。对于近失速工况下静叶的气动实验研究,扇形/环形叶栅最具代表性,在风洞叶栅实验台上进行扇形/环形叶栅实验具有实验成本相对低廉、实验安全性高等优点,但风洞叶栅实验台只能提供近似均匀的来流条件,压气机中静叶的来流条件是不均匀的,尤其在近失速工况下,来流条件的不均匀度更高。在实验叶栅前加装入口导向叶栅可以使气流发生预旋,使来流更接近真实工况,并且可以在其后的静叶栅内营造与压气机中近似的流场环境,提高实验的可靠性和精准度。本文以某改型轴流跨声速压气机静叶为研究对象,以其近失速工况下典型流动特征为设计目标,应用设计软件NREC作为辅助手段对扇形叶栅入口导叶进行了设计,并且进行了扇形叶栅设计。首先,应用数值模拟软件CFX对压气机从设计工况到近失速工况的一系列工况点进行了数值计算,并对比近失速工况下与设计工况下静叶的流动特征,选择出近失速工况下的典型流动特征作为设计目标。然后,以近失速工况下静叶的进口条件为辅助目标进行了导叶叶型设计,得到的导叶叶型无法营造与设计目标相似的静叶流场环境,本文在叶型设计基础上尝试子午面修型设计,结果表明修型设计使静叶流场与设计目标相吻合,在静叶吸力面发生了大尺度的角区分离现象。最后,应用导叶的叶型和子午面通流形式进行了扇形叶栅设计。并设计了两种抽吸口形式进行了侧挡板抽吸,数值模拟结果表明方案SUC2-3%拓宽了出现角区分离现象的静叶范围,增加了可测量流道数。对所有导叶分别施以+2°和-2°位移,改变了导叶、静叶的相对位置,数值模拟结果表明改变导叶位置,导叶尾迹发生移动,使得不同位置的静叶发生了角区分离,并且改变了静叶栅中的马赫数分布。
【图文】：

剖面图,航空发动机,剖面图,压气机

１．１研究背景及意义逡逑航空发动机是飞行器的核心，它直接决定了飞行器性能的优劣。航空发动机逡逑的结构非常复杂（如图１．１），而且它的研制覆盖空气动力学、燃烧学、结构力学逡逑等多个学科ｍ，因此它被誉为是“工业皇冠上的明珠”邋［２］。迄今为止，只有少数几逡逑个国家掌握了先进航空发动机的研制和生产技术［３］。因此作为航空动力主要来源的逡逑航空发动机技术逐渐成为全世界科研领域的热点方向之一。逡逑V逡逑图１．１航空发动机剖面图逡逑Ｆｉｇ．邋１邋．ＩＴｈｅ邋ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｄｒａｗｎ邋ｏｆ邋ａｒｅｏ－ｅｎｇｉｎｅ逡逑压气机作为航空发动机的核心部件之一，其性能直接影响到航空发动机性能逡逑的优劣［４］。压气机可分为若干种，按照气流进入动叶的速度大小可分为亚音速、超逡逑音速和跨音速压气机，按照气流进入压气机的方向又可分为轴流式和离心式压气逡逑机。本文所研宄的压气机为轴流式压气机，即气流在压气机中沿轴向流动，在轴逡逑流压气机中压气机中旋转的叶片对气流做工提高空气的压力（压气机结构如图１．２），，逡逑入口流场不均匀、多级间的干扰效应等问题，导致压气机易处于不稳定工作状态，逡逑也限制了航空发动机稳定工作范围。并且在压气机的工作过程中存在着逆压梯度逡逑和二次流动

结构图,压气机,结构图,附面层

一类是主动控制技术，常用的控制措施有离子体气体激励、附面层抽吸、射逡逑流式旋涡发生器等。等离子体气体激励［５］是利用等离子体在电磁场中的运动实现或逡逑电离过程产生的温度压力变化来实现对流场结构的改变，其布局如图１。３所示。空逡逑军工程大学吴云等人对叶顶处激励控制技术进行了数值和实验研宄，结果表明布逡逑置于叶顶机匣的激励装置可以通过增加泄漏的轴向动量拓宽压气机的稳定工作裕逡逑度＾。如图１．４附面层抽吸是从附面层中抽出部分低能流体，削弱附面层厚度，逡逑增加叶栅抵抗分离的能力，大连海事大学陆华伟［９“２］等人做了大量有关附面层抽吸逡逑的研宄工作，结果表明附面层抽吸对压气机静子和转子都是有效的流动控制手段，逡逑无论是流向槽还是周向槽都可以应用于高负荷扩压叶栅中来降低叶型损失和尾迹逡逑损失。射流式旋涡发生器是在叶栅壁面开合适倾角的射流孔，并通过射流孔向叶逡逑栅中喷入气流诱导旋涡生成，利用旋涡进行流动控制［１３］。哈尔滨工业大学刘华坪逡逑２逡逑
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK474.8

【参考文献】