亚声速扩压叶栅中弯叶片参数耦合关系及作用机制研究

发布时间：2020-05-20 03:36

【摘要】：随着航空发动机推重比不断提高,高负荷单级压气机的流动与损失问题成为研究热点。叶栅负荷的提高意味着粘性效应、逆压梯度、非定常特性以及复杂的几何构型主导了流场以复杂的分离流动与旋涡结构为主要特征,而上述典型流动从根本上影响着压气机的工作性能。因此,在叶栅负荷提高的前提下如何通过合理选取设计参数及其匹配关系,有效组织端区二次流动实现高效稳定流动,是提升高负荷叶栅性能需要解决的关键问题。弯曲叶片通过改变端区压力场合理有效的组织三维流动改善和提升叶栅性能。弯叶片在常规叶栅设计参数选择范围内的基础研究和工程设计工作已经表明:弯叶片对压气机叶栅和多级压气机整体性能的提升有着显著效果。但是,在非常规叶栅参数范围内,弯曲叶片和叶栅设计参数的耦合作用对端区压力场、附面层发展机制、旋涡组成及其发展机制、角区分离控制方法、叶栅阻塞和失速工况下的流场特征的影响仍然有待探讨。本文借助弯叶片对端区压力场的重构作用,采用经实验结果校核的数值模拟方法进行了大量的弯曲叶栅方案计算。分析了不同叶栅参数下弯曲叶栅流场结构的影响,探讨非常规设计参数范围下的高负荷流动中的附面层、旋涡运动的发展机制及其控制机理;建立弯叶片设计参数和传统关键叶栅设计参数与叶栅损失、端区流动间的依变关系。首先分析了叶片弯曲对叶栅流场结构的演化及叶栅损失的影响。结果表明:角区分离为开式分离的低负荷叶栅中,端区损失的主要来源是通道涡卷吸端壁附面层内低能流体产生的高损失。正弯叶片增强了叶片径向压力梯度,削弱吸力面分离涡,但前缘马蹄涡增强,前缘进口段附面层增厚,端壁损失增加;同时栅内端壁上气流的横向运动增强,导致叶栅通道涡增强,通道涡起始位置前移,强度和尺度增加。通道涡卷积的低能流体产生的高损失及尾缘脱落涡内低能流体产生的叶型损失占据主导,因此叶片弯曲无法获得积极效果。随着负荷的增加,马蹄涡和通道涡增强,角区分离由开式分离向闭式分离转变,吸力面分离涡和集中脱落涡增强,分离起始点前移。叶栅高损失主要来源于吸力面分离涡和集中脱落涡。叶片正弯后,尽管端壁横向压力梯度继续增强,横向二次流增强,尺度和强度增强,尾缘回流强度和范围增加,但有效削弱了角区分离流动,减小吸力面分离涡和集中脱落涡,使叶栅损失有效降低,提升叶栅的扩压能力。冲角进一步增加,角区分离突变为角区失速甚至叶栅失速。正弯叶片推迟了角区失速的发生,吸力面上分离形式由角区闭式分离转变为吸力面尾缘分离,叶展中部低能流体严重堆积,造成叶栅总损失的增加。叶栅失速后,端壁回流前移至前缘,通道涡消失,但尾缘出口出现柱状的流向涡,卷积低能流体流出叶栅,叶栅损失继续增加,损失主要来源于吸力面分离涡和流向涡与叶展中部附面层的掺混。其次,分析不同参数对叶栅流场结构与性能参数的影响。(1)稠度降低,叶栅负荷增强,横向压力梯度增强。大负冲角下,角区分离流动较弱,稠度降低,相邻叶片距离减小,角区分离流动强度减弱,通道涡起始位置略有后移,叶栅损失减小;随着冲角增加,叶栅负荷增强,角区分离流动增强,吸力面分离涡和集中脱落涡增强,叶栅损失增加。(2)展弦比降低显著增加了吸力面分离涡和集中脱落涡的尺度,但涡量强度略有降低;马蹄涡吸力面分支耗散位置向下游迁移,但压力面分支耗散消失位置前移;通道涡的的起始位置前移,但其强度略有减弱。叶栅损失的主要来源吸力面低能流体的堆积造成叶栅负荷降低,静压升降低。正弯叶片减小了吸力面分离涡和集中脱落涡强度和尺度,同时增强了通道涡。随着展弦比降低,通道涡起始位置后移,强度和尺度有所减小,通道涡造成的损失降低。(3)进口马赫数增加,附面层的发展速度降低,但叶栅角区分离流动增强,因此存在一个使叶栅损失最小的进口马赫数。正弯叶片减小角区分离流动,最佳弯角随进口马赫数的增加而增大。(4)几何折转角增加,叶栅负荷增加,叶栅角区分离流动增强,角区分离由开式分离向闭式分离转变。叶片弯曲增强了径向压力梯度,减小了角区分离流动,使分离流动由闭式分离向开式分离转变。特别是在大负荷叶栅条件下(低稠度、低展弦比、大折转角)正弯叶片能够有效降低叶栅端区二次流损失,恢复端区叶栅扩压能力,提升叶栅工作性能,但同时叶展中部叶型损失有所增加。最后,分析叶栅几何及气动参数及叶片弯曲对叶栅最小损失冲角,最小损失冲角下扩压因子和总压损失系数以及临界冲角、临界冲角下性能参数和正冲角稳定工作范围间的影响。运用回归分析的方法建立相应的最小损失冲角关系式,扩压因子关系式和总压损失系数关系式,建立弯叶片设计参数和传统关键叶栅设计参数与性能参数的依变关系,较为准确预测弯曲叶栅的最小损失冲角及该工况下叶栅性能。叶片弯曲打破了直叶片栅内参数的平衡关系,丰富了叶栅的设计方案。最小损失冲角下,正弯叶片能够获得更高的扩压,更低的损失和更少的叶片数。将设计工况叶栅性能参数与叶栅正冲角稳定工作范围结合分析,揭示高负荷宽工作范围弯曲叶片设计方案的参数匹配关系。结果表明,低稠度、低展弦比的高负荷叶栅中采用正弯叶片能够在保证设计工况扩压能力的条件下既减小设计工况叶栅损失,减小叶片数,又能扩大叶栅稳定工作范围,为高负荷扩压叶栅设计提供一定技术支撑。
【图文】：

静叶,下角,工况,分离流动

下端壁角区也存在角区分离流动，甚至在近堵塞工况（大流量、小生角区分离流动，但此时近堵塞点产生的分离流动强度很小，范围流动损失较小，，如图 1-1 所示。Wingold[16]开展的三级压气机实表面的分离流谱也验证了这一结论，在后面级静叶中存在严重的

旋涡模型,涡轮叶栅,压力面,通道涡

道涡一起发展，并位于通道涡上方，且与通道涡旋向相反，且在压力面与端壁角存在壁角涡，如图 1-10 所示。WangHaipng[38]基于前面学者研究给出的多涡结模型的演变过程，给出了较为完整的涡轮叶栅的旋涡模型结构，其中包括了马蹄（吸力面分支和压力面分支）、进口边壁角涡(吸力面和压力面)、通道涡及其诱涡、吸力面壁角涡、压力面壁角涡，如图 1-11 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231

【参考文献】