流道几何造型对旋转冲压压缩转子性能影响研究

发布时间：2020-07-07 22:19

【摘要】：燃气轮机是航空飞行器和水面舰艇的优秀动力,高性能压气机的研制是提高燃气轮机性能的方向之一。旋转冲压压缩转子利用激波可以实现对气流的间断性高效压缩,具有压比高、结构紧凑、重量轻等优点,然而在旋转冲压压缩转子内部流场中存在激波-激波以及激波-附面层相互干涉及其所诱导的气流分离等复杂流动现象,这是造成流动损失和压气机性能降低的主要原因,因而探索降低旋转冲压压缩转子内部由于激波和附面层及其相互作用所造成的流动损失的相关研究方法是提高燃气轮机功重比、降低油耗率的重要方面,具有广泛的理论意义和应用前景。本文以旋转冲压压缩转子为研究对象,首先获得其内部包括激波、气流分离等在内的详细流场结构,结果发现:隔板尾缘气流分离形成的低速团、隔板吸力面附面层和S1流面激波相互作用,使得靠近隔板吸力面侧的流体堵塞较为严重。泄漏流在遇到结尾激波/激波串后,在近机匣附近形成了较大范围的低能流体区。由泄漏所引起的流动损失是旋转冲压压缩转子流动损失的主要来源。在内部流场分析的基础上,重构轮毂压缩面和扩压面,重点关注压缩面和扩压面的起始和终止角度对压缩转子波系结构和性能的影响。结果发现:压缩面型线的变化主要影响喉部之前波系的强弱和位置。扩压面型线的变化不会影响到喉部之前的流场,通过改变扩压面附近的流道扩张程度进而影响压升与气流分离特性。然后,借鉴常规叶轮机械叶片造型和弯掠设计思路,对旋转冲压压缩转子隔板叶型进行重新构造,关注叶型型式、前缘气动掠和隔板后段倾斜对旋转冲压压缩转子流场和性能的影响。结果发现:压力面为等厚度直线、吸力面前/后部为二次曲线的压缩转子方案性能最佳。最大厚度起始点越靠后,其性能相对更好。而当最大终止点后移时,总压比和绝热效率均呈现先增后减的趋势。掠的引入能够改变S1流面前缘激波的位置,进而影响隔板压力面附近的流场和激波结构。前掠使前缘激波和入射激波更容易分开,其隔板顶部负荷最小,有利于降低流动损失并提高绝热效率。后掠方案则使前缘激波和入射激波在近前缘附近更容易合并成一道更强的激波,增加隔板前部的气动负荷,提高总压比。隔板采用倾斜设计能够影响内部激波系的强度和位置、吸力面附面层低能流体的径向输运和堆积。保持顶部型面与原型一致的倾斜隔板方案反射激波和激波串向上游移动,其总压比达到2.902,比原型增加2.338%。.保持根部型面与原型一致的倾斜隔板方案激波系位置后移,能够推迟隔板吸力面附近的气流分离,隔板后部叶顶角区的堵塞受到抑制,其绝热效率为0.726,比原型提升了 0.462%。最后,对子午流道型式展开研究,分析子午面的不同收缩与扩张型式对旋转冲压压缩转子的总压比和绝热效率的影响。结果表明:子午面为缩扩型式的压缩转子方案其流道前段气流马赫数的降低减弱了激波及其与附面层的相互作用所引起的流动损失,明显降低了流道内高损失区的范围和强度。总压比达到2.937,与原型相比提升了 2.075%;绝热效率达到0.748,比原型提高3.160%。随着收缩角度的增加,旋转冲压压缩转子总压比和绝热效率都呈现先增加后降低的变化规律。当扩张角增加时,总压比逐渐提升,绝热效率则呈现先增后减的规律。收缩角和扩张角同时变化时,子午前段的收缩对旋转冲压压缩转子的流场起主要作用。收缩/扩张角增加时,旋转冲压压缩转子性能按先增后减的规律变化。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK474.8
【图文】：

超声速,压气机,方案

逦酬逡逑图１．１邋Ｗｅｉｓｅ超声速压气机方案逦图１．２邋Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ内激波式超声速压气机［２８］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ邋ｂｙ邋Ｗｅｉｓｅ邋Ｆｉｇ．邋１．２邋ｓｈｏｃｋ－ｉｎ－ｔｙｐｅ邋ｒｏｔｏｒ邋ｂｙ邋Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ１２８１邋＇逡逑二十世纪四五十年代，美国ＮＡＣＡ开展了邋一系列超声速压气机研宄，Ｋａｍｒ0ｗｉｔＺｅｌ２８，２９】逡逑针对三种超声压气机速度三角形进行了简单的讨论，提出一种内激波式超声速压气机转逡逑子（图１．２），随后用氟利昂作为工质进行试验，压比达到１．８，效率达到８３％，验证了逡逑该超声速压气机的有效性。随后为了验证其在空气中的性能，ＲｉｔｔｅｒＷｉ和ＪｏｈｎＳｅｎ［３１］设逡逑计了外径２４英寸叶尖切线速度不同的超声速压气机转子，与文献［２９］中的压气机相似，逡逑但结构更加精细，不同转速下的试验结果如图】．３所示，其最大压比能够达到２．０８，效逡逑率也有０．７９，后续ＨａｒｔｍａｍｉＰｌ又对该压气机开展了有无进口导叶的研究，结果发现进口逡逑导叶的存在降低了流道的扩压程度

等值线图,等值线,机匣,流面

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静压分布,机匣,静叶,气机

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【参考文献】