斜坡槽式机匣处理实验研究及多目标优化设计

发布时间：2020-03-22 00:36

【摘要】：机匣处理广泛应用于压气机中,沟槽类机匣处理可以提高压气机效率但一般情况下会降低喘振裕度。本文提出了一种自行创新设计的新颖的斜坡槽式机匣处理,首先在上海交通大学低速轴流压气机实验台上对该种构型的实验件进行了实验研究;接着在一台高压压气机后面级上对三种不同机匣处理(包括斜沟槽、梯状间隙及斜坡槽式)进行了数值模拟,研究不同沟槽类机匣处理作用效果的异同以及不同几何参数对压气机性能与流场的影响;最后对斜坡槽式机匣处理几何进行参数化设计,构建优化平台,基于数值模拟和代理模型优化获得了可以同时提高压气机效率和喘振裕度的具体构型,并详细分析了其性能和流场。研究结果表明:通过掌握斜坡槽式机匣处理作用机理以及采用多目标优化设计方法,无论是在低速轴流压气机实验台还是高压压气机后面级上,都可以获得设计点效率与喘振裕度双提高的几何构型。斜坡槽式机匣处理相比于其他两种结构,其独有的斜坡能有效消除斜沟槽和梯状间隙前端凸起处的回流区。正交试验设计表明斜坡槽式机匣处理几何参数中斜坡槽最高点径向高度对其作用效果影响最为关键。多目标优化设计得到的四个典型斜坡槽式机匣处理在叶尖位置都存在一个对应于叶尖泄漏流的回流区,回流区的位置取决于斜坡槽最高点的位置,回流区的大小和叶顶间隙有较大关系。不同斜坡槽式机匣处理对高压压气机转叶出口全叶高范围内的流场造成影响。
【图文】：

径向分布,机匣处理

(a) 蜂窝式机匣处理及其扩稳效果 (b) 几种机匣处理的类型图 1-1 机匣处理的发现[1]Fig.1-1 Discovery of casing treatment[1]为进一步探索机匣处理扩稳的现象，研究人员随即针对几种不同结构的机匣处理对失速裕度及压气机性能的影响进行了实验研究。这几种机匣处理包括周向槽式、蜂窝式、叶片角向缝式以及轴向斜缝式，如图 1-1 (b)。研究结果表明，这几种机匣处理结构均能延缓失速的发生，其区别在于对失速裕度的改变程度。尽管未能充分认识到机匣处理的作用机理，但是，研究者仍提出，机匣处理的轴向分布范围、开口面积、开槽深度或体积以及槽内的循环都是影响机匣处理作用效果的决定性因素。Osborn 等人[2]对孔径不同的径向圆孔及蜂窝式机匣进行了实验研究，发现蜂窝式机匣处理在扩稳的同时也带来了少量的效率损失。文中对周向槽、轴向缝、轴向斜缝及叶片角向缝等数种机匣处理结构在不同转速下的作用效果进行了较为详尽的研究，不同的机匣处理形式对稳定性和效率的作用效果各有特点。Moore等人[3]对 Osborn 文中提到过的几种机匣处理型式展开进一步研究，采用总温总压组合探针对压力、温度、气流角等参数在不同机匣处理下的径向分布进行实验测

关系图,裕度,失速,机匣处理

对不同雷诺数下机匣处理的扩稳效果进行分析，对 0.3 和 0.7 及进口无障碍条件下，在 J85-13 发动机结果表明，在 100%发动机换算转速下，雷诺数指标诺数指标为 0.7 的情况降低 2.8%；在 80%发动机换。从压气机性能图来看，减小雷诺数指标无法显著使失速点压比略有降低。akata[6]通过对大量不同结构的机匣处理进行性能实率造成损失是不可避免的。文中在一台低速压气机上斜缝、轴向缝以及周向槽进行了详尽的实验和测量率绘制在一张关系图上（图 1-2）。从图中可以看到度改进量与峰值效率的关系均落在一条光滑连续的表明，裕度改进量的提高必然导致效率的下降。因的机匣处理中，并不存在可以同时提高压气机喘振的提高必定带来效率的损失。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V233

【参考文献】