航空发动机压气机叶尖间隙流体流动分析及优化设计
发布时间：2022-01-05 11:54
压气机是航空发动机最重要的部件之一,它的性能直接决定了整台航空发动机的性能,如果压气机没有一个宽广且稳定的工作范围,发动机的安全性将无从可谈。目前机匣开槽作为一种结构简单的提高压气机稳定裕度的机匣处理措施,得到了越来越多的关注。本文利用仿真手段系统地研究了NASA的跨声速转子Rotor37的失速机理,分析了周向单槽、周向五槽机匣处理的扩稳机理,利用正交试验优化设计的方法,综合分析了几个典型参数对该压气机转子效率及稳定性的影响,确定了最优组合,通过补充试验验证了试验结果,最后运用多元回归分析的方法建立了试验因素与试验指标之间对应的回归方程。首先,利用CFD仿真手段计算了带有光壁机匣的转子在设计工况下的工作状态,将光壁机匣的仿真结果与NASA的实验结果进行对比,对仿真结果的准确性进行了验证,对比分析了四个背压状态下的仿真结果,对带有光壁机匣的转子的失速原因进行了综合分析,为后续机匣开槽模型的设计提供指导。其次,利用建模软件建立了带有周向单槽和周向五槽的机匣模型,对比分析了不同背压状态下带有周向槽机匣的转子的失速原因及扩稳机理,为后续正交试验参数选取提供依据。研究结果表明:随着背压的升高,叶...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国产飞机ARJ21、C919、C929及对应的发动机模型
中国民航大学硕士学位论文2目前压气机的增压性能和效率已经得到了很大提升，在此基础上，压气机的稳定性问题受到越来越多研究者的关注，无论是在民航领域还是在军航领域，航空发动机的稳定性和可靠性都是至关重要的。飞机在运行过程中很多情况下都会使发动机处于非设计工况，需要发动机具有较好的适应变工况工作的能力。图1-2为压气机的特性曲线，压气机的工作线和失速边界线之间的便是失速裕度，当飞机在非设计工况下工作时，压气机很容易越过失速边界线进入失速或者喘振状态，进而引起压气机性能下降甚至空中停车。一款航空发动机一般都会预留20%-30%的工作裕度来保证发动机能够稳定运行，稳定裕度越大，压气机失速的可能性就会降低。因此，在保证压气机的增压性能和高效率的前提下，提高压气机的稳定工作裕度是提高飞机稳定性及可靠性的有效手段。图1-2压气机特性线示意图目前，随着民航飞机的更新换代，对航空发动机提出了更为严苛的要求，它逐渐朝着高转速、高压比和高推重比的方向发展，在此种严苛的工况下，压气机转子叶尖间隙复杂的流动对压气机的稳定裕度及效率的影响变得更为复杂。在对压气机结构进行设计时，目前主要存在以下两种方法提升压气机稳定裕度，主动与被动两种控制方法。其中，主动控制技术包括进口可调叶片、转子叶尖放气、中间级放气、动叶背压面附面层抽气等，被动控制技术包括机匣处理、叶型重新设计、叶片结构调整等方法。然而由于失速先兆检测困难及控制结构自身的问题，主动控制技术基本上还处于探索阶段。二十世纪六七十年代，美国刘易斯研究中心在对压气机叶尖部吹气和放气的试验研究中发现，通过在压气机的机匣表面上设计出特定的构型可以明显地影响叶尖间隙流体的流动特性，对于改善压气机的稳定性有积极作用，
中国民航大学硕士学位论文3裕度、避免叶尖旋转失速、延迟发动机喘振具有良好的效果[3,4]。机匣处理技术的优点在于其能够通过使用较低的成本对机匣结构进行简单的改造及调整，获得较好的扩稳效果。经过多年的试验研究，机匣处理在许多航空发动机中都得到了应用，如苏27用的AL-31F发动机，米格29用的RD-33发动机及国产的WP-7甲，WP-13等。图1-3机匣处理历经多年的发展，出现了以下几种机匣处理形式，其中包括周向槽式，轴向缝式，多孔壁，蜂窝状及自循环式机匣处理，如图1-4所示。(a)周向槽(b)轴向缝(c)多孔壁(d)蜂窝状(e)自循环图1-4机匣处理的不同形式目前，国内外学者对压气机机匣处理技术的研究主要集中三个领域，周向槽机匣处理，轴向缝机匣处理和自循环式机匣处理。历经多年的研究发现，槽式机匣处理形式能够获得10%以下的稳定裕度的提升量，却带来1%以下效率的降低；缝式机匣处理的扩稳效果较为明显，能够获得20%以上的稳定裕度的提升，但导致5%左右的压气机效率损失；与前两者相比，自循环式机匣处理仅能够获得5%以下的稳定裕度的提升，但压气机效率提升了1%左右[5-9]。总体看来，由于周向槽机匣处理较为简单的结构、易于加工、具有较好的稳定性提升作用及其对压气机效率影响较小的原因，对周向槽机匣处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善[J]. 张皓光,谭锋,安康,楚武利,吴艳辉. 航空学报. 2018(08)
[2]桥式槽处理机匣的扩稳机理研究[J]. 黄书超,袁巍,韩乐. 航空发动机. 2018(01)
[3]组合型周向槽机匣处理优化方案的数值研究[J]. 徐志晖,洪林. 流体机械. 2017(09)
[4]轴流转子梯形周向槽处理机匣的扩稳分析[J]. 邓敬亮,楚武利,张皓光. 航空动力学报. 2015(07)
[5]基于正交试验的跨音压气机叶型和周向槽机匣处理参数化研究[J]. 周小勇,赵庆军,徐建中. 工程热物理学报. 2014(09)
[6]周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响[J]. 段真真,柳阳威,陆利蓬. 航空学报. 2014(08)
[7]Rotor 37顶隙泄漏流的演化、影响及机匣处理[J]. 黄旭东,陈海昕,符松. 航空动力学报. 2010(12)
[8]槽式处理机匣几何结构参数的正交试验[J]. 吴艳辉,张皓光,楚武利,邓文剑. 航空动力学报. 2009(04)
[9]槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究[J]. 楚武利,张皓光,吴艳辉,丁可金. 航空学报. 2008(04)
[10]压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析[J]. 袁巍,周盛,陆亚钧. 北京航空航天大学学报. 2004(09)
本文编号：3570302
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国产飞机ARJ21、C919、C929及对应的发动机模型
中国民航大学硕士学位论文2目前压气机的增压性能和效率已经得到了很大提升，在此基础上，压气机的稳定性问题受到越来越多研究者的关注，无论是在民航领域还是在军航领域，航空发动机的稳定性和可靠性都是至关重要的。飞机在运行过程中很多情况下都会使发动机处于非设计工况，需要发动机具有较好的适应变工况工作的能力。图1-2为压气机的特性曲线，压气机的工作线和失速边界线之间的便是失速裕度，当飞机在非设计工况下工作时，压气机很容易越过失速边界线进入失速或者喘振状态，进而引起压气机性能下降甚至空中停车。一款航空发动机一般都会预留20%-30%的工作裕度来保证发动机能够稳定运行，稳定裕度越大，压气机失速的可能性就会降低。因此，在保证压气机的增压性能和高效率的前提下，提高压气机的稳定工作裕度是提高飞机稳定性及可靠性的有效手段。图1-2压气机特性线示意图目前，随着民航飞机的更新换代，对航空发动机提出了更为严苛的要求，它逐渐朝着高转速、高压比和高推重比的方向发展，在此种严苛的工况下，压气机转子叶尖间隙复杂的流动对压气机的稳定裕度及效率的影响变得更为复杂。在对压气机结构进行设计时，目前主要存在以下两种方法提升压气机稳定裕度，主动与被动两种控制方法。其中，主动控制技术包括进口可调叶片、转子叶尖放气、中间级放气、动叶背压面附面层抽气等，被动控制技术包括机匣处理、叶型重新设计、叶片结构调整等方法。然而由于失速先兆检测困难及控制结构自身的问题，主动控制技术基本上还处于探索阶段。二十世纪六七十年代，美国刘易斯研究中心在对压气机叶尖部吹气和放气的试验研究中发现，通过在压气机的机匣表面上设计出特定的构型可以明显地影响叶尖间隙流体的流动特性，对于改善压气机的稳定性有积极作用，
中国民航大学硕士学位论文3裕度、避免叶尖旋转失速、延迟发动机喘振具有良好的效果[3,4]。机匣处理技术的优点在于其能够通过使用较低的成本对机匣结构进行简单的改造及调整，获得较好的扩稳效果。经过多年的试验研究，机匣处理在许多航空发动机中都得到了应用，如苏27用的AL-31F发动机，米格29用的RD-33发动机及国产的WP-7甲，WP-13等。图1-3机匣处理历经多年的发展，出现了以下几种机匣处理形式，其中包括周向槽式，轴向缝式，多孔壁，蜂窝状及自循环式机匣处理，如图1-4所示。(a)周向槽(b)轴向缝(c)多孔壁(d)蜂窝状(e)自循环图1-4机匣处理的不同形式目前，国内外学者对压气机机匣处理技术的研究主要集中三个领域，周向槽机匣处理，轴向缝机匣处理和自循环式机匣处理。历经多年的研究发现，槽式机匣处理形式能够获得10%以下的稳定裕度的提升量，却带来1%以下效率的降低；缝式机匣处理的扩稳效果较为明显，能够获得20%以上的稳定裕度的提升，但导致5%左右的压气机效率损失；与前两者相比，自循环式机匣处理仅能够获得5%以下的稳定裕度的提升，但压气机效率提升了1%左右[5-9]。总体看来，由于周向槽机匣处理较为简单的结构、易于加工、具有较好的稳定性提升作用及其对压气机效率影响较小的原因，对周向槽机匣处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善[J]. 张皓光,谭锋,安康,楚武利,吴艳辉. 航空学报. 2018(08)
[2]桥式槽处理机匣的扩稳机理研究[J]. 黄书超,袁巍,韩乐. 航空发动机. 2018(01)
[3]组合型周向槽机匣处理优化方案的数值研究[J]. 徐志晖,洪林. 流体机械. 2017(09)
[4]轴流转子梯形周向槽处理机匣的扩稳分析[J]. 邓敬亮,楚武利,张皓光. 航空动力学报. 2015(07)
[5]基于正交试验的跨音压气机叶型和周向槽机匣处理参数化研究[J]. 周小勇,赵庆军,徐建中. 工程热物理学报. 2014(09)
[6]周向槽机匣处理对某跨音转子性能的影响[J]. 段真真,柳阳威,陆利蓬. 航空学报. 2014(08)
[7]Rotor 37顶隙泄漏流的演化、影响及机匣处理[J]. 黄旭东,陈海昕,符松. 航空动力学报. 2010(12)
[8]槽式处理机匣几何结构参数的正交试验[J]. 吴艳辉,张皓光,楚武利,邓文剑. 航空动力学报. 2009(04)
[9]槽式机匣槽宽变化对扩稳效果影响的试验与数值研究[J]. 楚武利,张皓光,吴艳辉,丁可金. 航空学报. 2008(04)
[10]压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析[J]. 袁巍,周盛,陆亚钧. 北京航空航天大学学报. 2004(09)
本文编号：3570302
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