超高负荷增压级改进设计及性能分析

发布时间：2020-08-19 13:15

【摘要】：对于航空发动机,高推重比是始终不变的追求目标。在达到相同的总压比前提下,提高级负荷,减少增压级的级数,有助于提升发动机的推重比。为此,本文以某常规设计的三级增压级性能参数为基础,采用一种新型大弯度低损失扩压叶型,进行超高负荷单级增压级设计,实现以一级替代原始三级增压级,提高发动机的推重比。本文的研究基于教研室成熟的设计体系,叶片设计基于S1/S2两类流面方法,并结合自动优化设计方法,进一步提升增压级性能。本文可分为以下三个部分:第一部分对教研室设计所得的超高负荷单级增压级与原始三级增压级,在内外涵联算环境下,对比分析经济巡航转速、高温起飞转速以及最大爬升转速下的性能。模拟结果表明:三种转速下两者设计点的效率基本一致,而单级的压比和失速裕度均低于原始三级增压级,尤其是在叶根处,单级增压级的压比与三级的压比相差很大。第二部分以该常规负荷三级增压级性能参数为基础,尝试采用一种新型大弯度低损失叶型,进行超高负荷单级增压级气动设计。应用基于遗传算法的优化设计方法,以设计点性能为指标进行转静子三维叶片设计,进一步采用叶片积叠线前掠提升失速裕度。数值模拟结果表明:采用设计点参数为目标进行优化设计可实现设计点高性能;对此超高载荷转子,叶尖前掠使得转子叶片的载荷后移,叶片前缘载荷降低,可增加转子稳定工作攻角范围,有效提升增压级的失速裕度;与原始三级设计相比,大弯度设计的单级增压级可达到原设计的压比、流量和失速裕度,效率明显高于原设计,并与过渡流道匹配较好,验证了设计方法的可行性。第三部分针对转子叶根处高损失,采用通流计算程序研究转子叶根处的绝对进气角对性能参数的影响,更改导流叶片的出口气流角并重新设计了导叶、转子和静子叶片。结果表明:对于大弯度转子叶型,转子叶型进口绝对气流角增大,叶型的出口相对气流角和绝对马赫数相应地减小,能够有效改善转子和静子通道内的流动。但这也会增大导流叶片叶根处的气流转角,使得通道内的流动性能变差,增加设计难度。更改转子进口预旋后重新设计获得的增压级,与原始的增压级相比,能够达到相同的压比、更高的效率(设计点效率由86.83%提升至87.84%),并且过渡流道的总压恢复系数增加(由97.77%提升至98%),可见适当增大转子的进气角有利于改善超高负荷增压级通道内的流动状况。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V23
【图文】：

图 1.1 增压级所处位置示意图压级的加功能力有限，效率也难以提高，但其对涡扇发动握增压级的设计和研制技术，可以填补我国在民机增压级的研制奠定坚实、可靠的基础[5]。究现状究现状涵道比涡扇发动机的主要部件之一, 国外各主要发动机公计经验，例如 JT15D-4/5、PW545A、DV2、AI-22、CF34-上增加若干级演变而来的。而采用增压级的更高推力级500、PW8000,PS-90A、CF6-80C2、GP7000、PW4000、GE算机为载体的数值模拟技术（CFD）迅速发展，压气机的实验验证为辅的设计体系。以普惠公司为例，由于引入先有了很大的提升，其新近设计的增压级已不再进行部件试][7]。

第三章 不同转速单级和三级增压级性能分析对于航空发动机而言，由于飞机飞行状态的改变，常常需要工作在不同的转速下，其中起飞状态、巡航状态和最大爬升状态三种转速下的性能尤为重要。这使得在压气机气动设计时，着重关注设计状态下性能的同时，也要兼顾非设计转速下的性能。本章通过对某三级增压级和以该三级增压级性能参数为基准设计的单级增压级[33]在起飞转速、设计巡航转速和最大爬升转速三种转速下进行性能对比分析，找出单级增压级设计的不足之处。在计算过程中，为考虑风扇转子及外涵的影响，采用增压级、风扇转子以及风扇外涵联算的方式模拟内部流场。风扇/增压级的子午流道视图如图 3.1 所示，由风扇转子 RF、外涵 OGV（出口导流叶片）和内涵增压级组成。由于本文研究的涡扇发动机的外涵 OGV 叶片由 6 种不同的叶片和导流支板组成，OGV 全环共可分为 4 个周期，因而在计算过程中需将 1/4 个 OGV 带入模拟计算（图3.3）。图 3.2 为三级增压级的子午流道视图，由一排进口导流叶片和三排转静子叶片组成，单级增压级的叶片模型如图 3.3 所示，其中红色部分为本文对比分析的增压级部分。

为考虑风扇转子及外涵的影响，采用增压级、风扇转拟内部流场。级的子午流道视图如图 3.1 所示，由风扇转子 RF、外涵 OGV（组成。由于本文研究的涡扇发动机的外涵 OGV 叶片由 6 种不同 全环共可分为 4 个周期，因而在计算过程中需将 1/4 个 OGV 带三级增压级的子午流道视图，由一排进口导流叶片和三排转静子模型如图 3.3 所示，其中红色部分为本文对比分析的增压级部分。（a）单级增压级 （b）三级增压图 3.1 单级和三级增压级子午流道示意图

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本文编号：2797132