高负荷扩压叶栅附面层抽吸对分离流动控制研究

发布时间：2017-09-07 12:06

  本文关键词：高负荷扩压叶栅附面层抽吸对分离流动控制研究

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【摘要】：航空发动机的发展决定着我国航空事业的水平,只有航空发动机达到了先进水平,航空事业才能不断发展进步。作为航空发动机中重要部件之一的压气机的气动性能的高低也是影响航空发动机性能的关键因素。随着压气机负荷的增加,叶栅内的流动分离情况也逐渐加剧,使得高负荷压气机的设计变得较困难。为了解决这一难题,MIT提出了“吸附式压气机”的概念,而国内哈工大王松涛教授则提出了只在静叶中进行附面层抽吸的高负荷低反动度吸附式压气机设计概念。由于该类压气机动叶采用了低反动度设计,因此其下游与之相匹配的静叶负荷将会升高,故在静叶中需要采用附面层抽吸技术来控制静叶栅中的分离流动,提高压气机的气动性能。本文选择了亚音速和跨音速两种低反动度单级压气机的静叶进行附面层抽吸,研究附面层抽吸对该压气机静叶内分流流动的控制及气动性能的影响。为了使得数值计算结果更具有工程实际应用性,本文在静叶中设计了叶片空腔、抽吸孔或抽吸槽以及端壁引气腔等结构。本文选择Stage35来进行数值计算方法验证,网格数为100万,采用k-ε湍流模型。通过将数值计算结果与实验结果进行对比,证明本文采用k-ε湍流模型计算得到的结果是可靠的,本文采用的数值计算方法可行。在证明数值计算方法可靠后,本文先以低转速的亚音速压气机静叶为附面层抽吸研究对象,在静叶中通过叶片空腔、吸力面与端壁抽吸孔以及端壁引气腔等抽吸结构进行附面层抽吸。依据原始的压气机分离流动形式,初步设定了下端壁与吸力面联合抽吸的附面层抽吸方案。选择一个“特定的”工况进行数值计算,结果表明,只采用下端壁和吸力面进行附面层抽吸,上端壁区域会出现流动恶化,但是随着抽吸量的增加,流动情况会得到进一步的改善,压气机的总性能会有明显提高;通过调整局部的抽吸量或者抽吸位置的方式,能够使各部分抽吸量重新分配,从而使附面层抽吸效果更显著,证明通过调整局部抽吸方式来改善抽吸效果的策略是可行的。在下端壁与吸力面联合抽吸方式的研究基础上,本文添加了新的附面层抽吸方案,采用了上、下端壁与吸力面联合抽吸的方式,保留叶片空腔等实际抽吸结构。研究了整个工况范围内附面层抽吸对叶栅内分离流动的控制作用以及其对压气机气动性能的影响。研究结果表明,当采用上、下端壁双侧抽吸时,附面层抽吸能够很好的控制整个工况范围内的分离流动,且总压比以及效率均有所提升,压气机的气动性能得到进一步的改善;适当地增加抽吸量也可获得性能的明显提升,效率最高可达0.91,总压比最高可达1.055。同时本文还对比研究了下端壁单侧抽吸方案在变工况时,对分离流动的控制效果。研究结果显示,单侧抽吸虽然也能够控制近堵点的流动分离,但是特性线中会存在折转点,即级出口背压升高到某一数值时,上端壁区域会出现大尺度的分离流动,压气机的性能会突然下降。而且在折转点前后,不同位置的抽吸量会自动重新分配。通过对比可以看出两侧抽吸才能够在整个工况范围内较好的控制叶栅内的分离流动,保证压气机在整个工作范围内都具有较高的效率和总压比。最后本文针对高转速的跨音速压气机进行附面层抽吸的相关研究。首先将吸力面单槽与吸力面双槽抽吸方案进行对比,结果表明双槽抽吸具有更好的流动分离控制效果。后续工作选择双槽抽吸结构进行变工况条件下的附面层抽吸研究。研究结果表明,双槽抽吸方案能够在该跨音速压气机级的整个工作范围内都很好的控制超音速静叶栅内的分离流动,能够有效改善压气机的气动性能。同时,通过观察相应抽吸量的变化,发现抽吸量达到一定的数值后就能得到较理想分离流动控制效果。通过两种类型的低反动度压气机静叶中的附面层抽吸研究工作,可以发现无论是在亚音速静叶还是超音速静叶中,附面层抽吸都能够很好的控制静叶栅内的分离流动,能够减小损失,提高压气机的气动性能。
【关键词】：低反动度压气机 附面层抽吸 流动分离 气动性能
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题来源11
• 1.2 研究背景与目的意义11-12
• 1.3 高负荷低反动度吸附式压气机介绍12-14
• 1.4 附面层抽吸国内外研究现状14-18
• 1.4.1 国外研究现状14-17
• 1.4.2 国内研究现状17-18
• 1.5 本文主要内容18-19
• 第2章 数值计算与计算方法验证19-26
• 2.1 引言19-20
• 2.2 数值计算相关介绍20-22
• 2.2.1 UG建模过程介绍20
• 2.2.2 ICEM网格划分过程介绍20-21
• 2.2.3 CFX数值计算过程介绍21-22
• 2.3 数值计算方法验证22-24
• 2.4 数据处理24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 附面层抽吸对某低速压气机性能影响26-38
• 3.1 引言26-27
• 3.2 数值模型与计算方法27-31
• 3.2.1 数值模型27-29
• 3.2.2 数值计算模型网格划分29-30
• 3.2.3 数值计算方案30-31
• 3.2.4 数值计算方法31
• 3.3 计算结果讨论与分析31-36
• 3.3.1 级出口截面节距平均参数沿叶高分布分析31-33
• 3.3.2 压气机总特性参数对比分析33-34
• 3.3.3 静叶流道内三维流动分析34
• 3.3.4 不同位置抽吸孔的抽吸量对比分析34-35
• 3.3.5 叶片空腔内三维流动分析35-36
• 3.4 数值计算结论36
• 3.5 本章小结36-38
• 第4章 附面层抽吸对某低速压气机变工况性能影响38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 数值模型与计算方法38-42
• 4.2.1 数值模型38-39
• 4.2.2 数值计算模型网格划分39-40
• 4.2.3 数值计算方案40-42
• 4.2.4 数值计算方法42
• 4.3 计算结果讨论与分析42-48
• 4.3.1 不同抽吸方式压气机特性线对比分析42-43
• 4.3.2 折转点前后工况抽吸叶片抽吸孔处三维流动分析43-45
• 4.3.3 特性线折转点后工况上端壁区域三维流动分析45
• 4.3.4 特性线折转点前、后工况点的抽吸量对比分析45-46
• 4.3.5 下端壁及吸力面静压云图分析46-48
• 4.4 数值计算结论48
• 4.5 本章小结48-50
• 第5章 附面层抽吸对某高速压气机级性能影响50-64
• 5.1 引言50
• 5.2 数值模型与计算方法50-54
• 5.2.1 数值模型50-52
• 5.2.2 数值计算模型网格划分52-53
• 5.2.3 数值计算方案53
• 5.2.4 数值计算方法53-54
• 5.3 设计工况下吸力面单、双抽吸槽数值计算结果对比54-58
• 5.3.1 不同叶高处马赫数云图分析54
• 5.3.2 静叶吸力面壁面极限流线分析54-56
• 5.3.3 静叶流道内三维流动分析56-58
• 5.3.4 静叶吸力面静压云图分析58
• 5.3.5 数值计算结论58
• 5.4 双槽抽吸对压气机级变工况性能影响58-63
• 5.4.1 单级压气机特性线分析58-59
• 5.4.2 静叶吸力面壁面极限流线分析59-60
• 5.4.3 静叶流道内三维流动分析60-61
• 5.4.4 吸力面静压云图分析61-62
• 5.4.5 数值计算结论62-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论与展望64-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果69-71
• 致谢71-72
• 个人简历72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王松涛;潜纪儒;冯国泰;王仲奇;;壁面吸气抑制分离减少流动损失的研究[J];工程热物理学报;2006年01期

2 羌晓青;王松涛;林伟春;王仲奇;;多级低反动度高负荷轴流压气机及其内部流动机理研究[J];工程热物理学报;2009年02期

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本文编号：809438