叶表凹坑影响压气机动叶损失特性的数值研究
发布时间：2020-07-24 20:54
【摘要】：随着现代航空发动机发展,对压气机效率与负荷提出了更高的要求。但负荷的提高带来了更大尺度的分离与损失,反过来制约着压气机性能。压气机动叶根部常常处于复杂的流动状况内,且根部区域处于分离起点位置,低能流体堆积严重,损失较大。采用被动流动控制技术-叶表凹坑,可以有效改善根部附近叶型损失,抑制附面层发展。本文以DMU37动叶根部叶型为研究对象,利用实验校核CFD方法研究了不同来流冲角与马赫数下原始叶栅的流动特性,并分析了损失产生机理。首先,对数值方法进行实验校核,验证了数值方法的可靠性。参考已有文献布置凹坑,分析了凹坑减少损失的机理,发现凹坑内旋涡诱导外部流体进入凹坑内增加了外部流体湍动能,附壁流动能力增强,且气-气接触产生“滚动轴承”作用减小了摩擦损失。凹坑增加了叶栅出口端壁附近损失,但出口部分叶高的尾迹损失明显降低,且出口截面总损失降低。其后根据相关凹坑位置变工况计算确定计算工况,对凹坑相关参数进行改变,包括凹坑位置、凹坑深度、凹坑深径比等等。分析凹坑几何参数改变对叶栅损失特性的影响,发现当凹坑几何参数改变时,凹坑内旋涡涡核位置发生改变,改变了凹坑下游流动状况。通过分析出口截面损失特性,确定了凹坑最佳位置为75%～100%弦长处,凹坑最佳深度为0.2mm,凹坑深径比为1/4。最后对原始叶栅与凹坑叶栅进行了变工况分析,变工况包括来流冲角与来流马赫数。通过分析变工况下叶表极限流线与出口截面损失特性,发现凹坑仅在部分冲角下降低了叶栅出口截面总损失,所有计算马赫数下截面总损失均降低。总结变工况下凹坑叶栅损失特性,证明了凹坑减阻技术的应用价值。
【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】：V231
【图文】：
（ａ）泄漏涡产生机理逦（ｂ）尾迹影响泄漏涡的发展逡逑图１．１泄漏涡产生机理与尾迹影响泄漏涡发展示意图［１３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｌｅａｋａｇｅ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ａｎｄ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ邋ｏｆ邋Ｗａｋｅ邋ｏｎ邋ｌｅａｋａｇｅ逡逑ｖｏｒｔｅｘ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＾１＇＾逡逑与国外相比，国内关于泄漏涡的研宄与认识起步较晚，但目前研宄水平己经逡逑追赶上了国外。西工大吴艳辉［￥１６］等人通过数值与实验的方法研宄了叶尖泄漏涡逡逑形成与破碎的过程，发现在近失速工况下叶顶间隙涡出现了泡式破碎，且破碎之逡逑后的泄漏涡与主流等其他流体混合，形成了叶尖二次涡。叶尖二次涡的形成与运逡逑动是造成近失速工况点流动非定常性的主要原因。王如根［１７］、于宏军［１８］等人发现逡逑泄漏涡在破碎之前产生的位置相对于叶片基本不随时间变化，且涡核集中，在经逡逑历发展壮大之后破碎成许多涡量小的涡，并形成低能流体团周向堆积导致流道堵逡逑塞和近失速工况产生，且泄漏涡破碎之后与主流的相互作用成为了泄漏涡产生损逡逑失的主要来源。逡逑（２）径向涡：压气机失稳的原因有许多，国内外做了许多失稳机理的研究［１９＿２４］逡逑和实验
粘性摩擦的作用，靠近壁面处动能相对于主流有很大损失。在以上两种因素的作逡逑用下，使得靠近壁面处某点Ｓ处流体停止运动，Ｓ点之后的流体在逆压梯度的作用逡逑下出现回流现象（如图１．４所示），这便是附面层分离。附面层分离的出现加剧了逡逑流体流动过程中的粘性损失，为了减少流动过程中产生的粘性损失，研宄者们提逡逑出了包括附面层抽吸在内的许多主动控制技术。逡逑图１．４附面层分离示意图逡逑Ｆｉｇｌ邋．４邋Ａ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｌａｙｅｒ逡逑附面层抽吸是通过在叶片或端壁相关位置开设一定形状的槽或一定数目的孔逡逑将近壁面低能流体吸除从而减弱或消除附面层分离的控制方法。逡逑６逡逑
制有明显效果，不同的小翼加装方式均对叶尖泄漏涡的强度有削弱作用，且影响逡逑了叶尖流场各个涡系之间的相互作用，尤其是吸力面叶尖小翼效果最明显。［６３＃］逡逑图１．６装有翼梢小翼的空中客车Ａ３２０客机和波音７３７客机逡逑Ｆｉｇｌ邋．６邋Ａｉｒｂｕｓ邋Ａ３２０邋ａｎｄ邋Ｂｏｅｉｎｇ邋７３７邋ｗｉｔｈ邋ｗｉｎｇｌｅｔｓ逡逑（２）机匣处理：作为目前叶轮机械领域应用最为广泛的被动控制技术，机匣逡逑处理具有结构简单、成本低廉、改型方便、扩稳效果好、抗进口畸变能力强等优逡逑点。目前来说常见的机匣处理方式可以分为槽类机匣处理、缝式机匣处理以及两逡逑者组合而成的新型结构（如图１．７所示）。槽类机匣处理是指在保证效率基本保持逡逑不变的情况下沿着机匣周向开槽，使压气机失速裕度增加１０％以内；缝式机匣处逡逑理又可分为轴向缝、周向倾斜缝与叶片角向缝三类，国内外学者做过相关实验，逡逑证明在牺牲较大效率损失的情况下，缝式机匣处理结构对于亚音速与跨音速转子逡逑的失速裕度都能有２０％的增幅。［６７＿６８１逡逑＿
本文编号：2769382
【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】：V231
【图文】：
（ａ）泄漏涡产生机理逦（ｂ）尾迹影响泄漏涡的发展逡逑图１．１泄漏涡产生机理与尾迹影响泄漏涡发展示意图［１３］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｌｅａｋａｇｅ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ａｎｄ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｏｆ邋ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ邋ｏｆ邋Ｗａｋｅ邋ｏｎ邋ｌｅａｋａｇｅ逡逑ｖｏｒｔｅｘ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＾１＇＾逡逑与国外相比，国内关于泄漏涡的研宄与认识起步较晚，但目前研宄水平己经逡逑追赶上了国外。西工大吴艳辉［￥１６］等人通过数值与实验的方法研宄了叶尖泄漏涡逡逑形成与破碎的过程，发现在近失速工况下叶顶间隙涡出现了泡式破碎，且破碎之逡逑后的泄漏涡与主流等其他流体混合，形成了叶尖二次涡。叶尖二次涡的形成与运逡逑动是造成近失速工况点流动非定常性的主要原因。王如根［１７］、于宏军［１８］等人发现逡逑泄漏涡在破碎之前产生的位置相对于叶片基本不随时间变化，且涡核集中，在经逡逑历发展壮大之后破碎成许多涡量小的涡，并形成低能流体团周向堆积导致流道堵逡逑塞和近失速工况产生，且泄漏涡破碎之后与主流的相互作用成为了泄漏涡产生损逡逑失的主要来源。逡逑（２）径向涡：压气机失稳的原因有许多，国内外做了许多失稳机理的研究［１９＿２４］逡逑和实验
粘性摩擦的作用，靠近壁面处动能相对于主流有很大损失。在以上两种因素的作逡逑用下，使得靠近壁面处某点Ｓ处流体停止运动，Ｓ点之后的流体在逆压梯度的作用逡逑下出现回流现象（如图１．４所示），这便是附面层分离。附面层分离的出现加剧了逡逑流体流动过程中的粘性损失，为了减少流动过程中产生的粘性损失，研宄者们提逡逑出了包括附面层抽吸在内的许多主动控制技术。逡逑图１．４附面层分离示意图逡逑Ｆｉｇｌ邋．４邋Ａ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｌａｙｅｒ逡逑附面层抽吸是通过在叶片或端壁相关位置开设一定形状的槽或一定数目的孔逡逑将近壁面低能流体吸除从而减弱或消除附面层分离的控制方法。逡逑６逡逑
制有明显效果，不同的小翼加装方式均对叶尖泄漏涡的强度有削弱作用，且影响逡逑了叶尖流场各个涡系之间的相互作用，尤其是吸力面叶尖小翼效果最明显。［６３＃］逡逑图１．６装有翼梢小翼的空中客车Ａ３２０客机和波音７３７客机逡逑Ｆｉｇｌ邋．６邋Ａｉｒｂｕｓ邋Ａ３２０邋ａｎｄ邋Ｂｏｅｉｎｇ邋７３７邋ｗｉｔｈ邋ｗｉｎｇｌｅｔｓ逡逑（２）机匣处理：作为目前叶轮机械领域应用最为广泛的被动控制技术，机匣逡逑处理具有结构简单、成本低廉、改型方便、扩稳效果好、抗进口畸变能力强等优逡逑点。目前来说常见的机匣处理方式可以分为槽类机匣处理、缝式机匣处理以及两逡逑者组合而成的新型结构（如图１．７所示）。槽类机匣处理是指在保证效率基本保持逡逑不变的情况下沿着机匣周向开槽，使压气机失速裕度增加１０％以内；缝式机匣处逡逑理又可分为轴向缝、周向倾斜缝与叶片角向缝三类，国内外学者做过相关实验，逡逑证明在牺牲较大效率损失的情况下，缝式机匣处理结构对于亚音速与跨音速转子逡逑的失速裕度都能有２０％的增幅。［６７＿６８１逡逑＿
本文编号：2769382
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