高速压气机低速模化相似准则及轴向缝机匣处理流动机理研究

发布时间：2017-10-06 17:39

  本文关键词：高速压气机低速模化相似准则及轴向缝机匣处理流动机理研究

  更多相关文章： 轴流压气机 轴向缝机匣处理 相似准则 控制体方法 流动损失 扩稳裕度

【摘要】：轴流压气机的性能和稳定性很大程度决定了整个航空发动机的总体性能。目前先进的叶片设计技术已经能大幅度提升压气机气动性能。然而,稳定性问题仍是严重制约高性能压气机发展的瓶颈。机匣处理作为简单且有效的被动控制技术,在工程中得到广泛应用。但受限于压气机内部流动机理尚未得到根本澄清,机匣处理设计很难形成普适方法,因此在针对特定压气机设计时需要大量试验建立数据库,时间和成本高昂。同时,在高速压气机上进行机匣处理试验具有很高的风险。为了降低试验周期和风险,本文将采用新的研究途径,针对高负荷压气机在部分转速下不存在激波的工况,通过建立相似准则设计低速大尺寸模型压气机,将难度大、尺寸小的高速机匣处理转换至低速大尺寸压气机上开展研究,将是摸清原型机内部复杂流动结构及相关机理的可能途径。目前低速大尺寸模型压气机已经成功应用于高速压气机设计方法研究,而据作者所知,围绕机匣处理在高速与低速压气机上的相似性研究鲜见报道。因此,本文研究思路也就面临一些挑战：一方面,如何保证高速与低速压气机上机匣处理具有相似的流动规律；另一方面,在低速模型机上筛选出同时兼顾效率与稳定裕度的机匣处理返回至高速原型机能否取得类似的效果。针对以上科学问题,本文的研究路线是：首先建立模化相似准则,对高速压气机转子进行低速模化设计,保证低速与高速压气机内部流场相似。通过在低速压气机上对机匣处理开展详实研究,摸清机匣处理下叶顶端区流动损失变化,并进一步澄清扩稳机理。进而,设计出能兼顾压气机效率和失速裕度的机匣处理优化方案,通过相似变换最终应用回高速压气机进行效果验证。围绕这一研究思路,本文主要工作内容开展如下：1.高速压气机转子部分转速工况的低速模化准则与设计方法研究本文选择跨音压气机J69转子在65%转速下的峰值效率点作为研究工况,放弃马赫数相似,建立针对跨音单转子部分转速工况点的模化相似准则,设计了具有相似流动特性的低速大尺寸压气机。通过对高速压气机转子内部流场进行数值求解,选取无量纲气动参数和几何参数,建立低速模化目标。以高速叶型压力／速度系数分布为目标,对低速压气机进行气动设计,并自主搭建立式低速大尺寸轴流压气机实验台。先后通过数值模拟和实验测量对低速压气机模化结果进行检验。结果表明,低速压气机总体性能满足设计要求,内部流场参数的总体分布规律与设计目标基本一致,低速模型压气机能够较好的反映高速原型机内部流动特点。2.轴向缝对低速压气机设计工况叶顶端区流动损失影响机理的研究为了设计出同时兼顾效率和稳定性的机匣处理方案,以轴向缝这类实际应用最广泛的机匣处理形式作为研究对象,针对轴向缝几何参数对低速压气机设计点效率的影响开展研究。本文选取熵产作为表征压气机内部流动损失的物理量,以动叶叶顶端区控制体为研究手段,根据数值模拟结果对动叶叶顶端区流动损失进行了量化,并对轴向缝开口面上的流动参数进行了分析。结果表明,轴向缝的缝数、缝深和缝宽等几何参数通过影响其开口面上的流动参数来改变叶顶端区流动损失的分布。同时,叶顶端区的总损失越高,压气机设计点效率降低越多,说明了压气机效率与叶顶端区流动损失密切相关。通过在低速压气机上对筛选轴向缝方案进行实验验证,证明了数值模拟较为合理的预测了轴向缝对压气机效率的影响规律。3.低速压气机近失速点叶顶端区的相似性分析与轴向缝扩稳研究机匣处理的主要设计目的是提高压气机的失速裕度,根据本团队对于叶尖先失速的一类压气机,主流／泄漏流交界面自转子前缘溢出触发失速的机理,提出决定主流／泄漏流交界面位置的动力学内因是端区轴向动量分布。采用控制体积分法,将叶顶端区轴向动量沿轴向依次累加得到分布曲线。结果表明,对于所研究的低速压气机,叶顶端区累加轴向动量曲线的顶点能够反映主流／泄漏流交界面的时空平均位置,可以采用动量分析法对轴向缝扩稳能力进行快速判断。由于此方法是基于近失速点叶顶端区轴向动量的分布,于是对低速与高速压气机近失速点下叶顶端区流动进行了比较,发现二者叶顶负载分布仍具有较好的相似性,最终导致累加轴向动量分布曲线基本一致。在此基础上,通过对比筛选轴向缝下叶顶累加轴向动量曲线峰值的大小和位置,快速评估了不同方案的扩稳效果。进一步,通过对轴向缝开口面上轴向动量径向输运进行对比,发现轴向缝扩稳效果与其开口面上轴向动量输运的剧烈程度密切相关。4.低速轴向缝优化方案的高速模化以及在高速压气机上的效果验证根据轴向缝几何参数对低速压气机设计点效率和稳定性的影响,对轴向缝几何参数进行优化,并分别通过数值模拟和实验测量对优化方案的效果进行研究。结果表明,优化方案在保证压气机设计点效率的同时,还具有较好的扩稳能力。在此基础上,选取轴向缝几何参数的无量纲形式作为相似变量,通过几何变换确定了高速压气机轴向缝优化方案。通过数值研究表明,优化方案在高速压气机上对峰值效率和稳定性的影响效果与相应低速方案是等效的。其中,对于被模化的峰值效率工况,高速与低速轴向缝方案开口面上流动参数的分布规律是相似的；对于偏离被模化点的近失速工况,高速压气机叶顶端区轴向动量分布和开口面上动量输运情况与低速方案有所不同,但是对扩稳效果的影响趋势相同。
【关键词】：轴流压气机 轴向缝机匣处理 相似准则 控制体方法 流动损失 扩稳裕度
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 绪论18-38
• 1.1 研究背景与意义18-20
• 1.2 压气机模化方法的研究进展20-24
• 1.2.1 相似原理20-21
• 1.2.2 亚声速线化流动的相似法则21-22
• 1.2.3 高压压气机低速模化方法22-24
• 1.3 动叶端区与轴流压气机效率和稳定性的关联24-29
• 1.3.1 动叶端区与轴流压气机效率的关联24-26
• 1.3.2 动叶端区与轴流压气机稳定性的关联26-29
• 1.4 轴向缝机匣处理研究进展29-34
• 1.4.1 机匣处理技术的产生29-31
• 1.4.2 轴向缝扩稳机理的研究31-33
• 1.4.3 轴向缝几何参数与其作用效果的关联33-34
• 1.5 本文的研究思路与科学问题34-36
• 1.6 本文的研究内容与结构安排36-38
• 2 低速大尺寸轴流压气机试验系统38-50
• 2.1 引言38
• 2.2 低速大尺寸轴流压气机实验台38-43
• 2.2.1 实验台总体设计38-41
• 2.2.2 实验台部件设计41-43
• 2.3 数据测量与采集系统43-48
• 2.4 本章小结48-50
• 3 高速压气机转子部分转速工况低速模化方法的研究50-86
• 3.1 引言50-51
• 3.2 高速压气机转子的低速模化目标建立51-65
• 3.2.1 高速压气机转子简介51-52
• 3.2.2 压气机内部流动控制方程组52-55
• 3.2.3 数值模拟方案55-60
• 3.2.3.1 通道数的确定56
• 3.2.3.2 网格划分和计算参数设置56-57
• 3.2.3.3 湍流模型的选取57-58
• 3.2.3.4 网格独立性验证58-60
• 3.2.4 高速转子参数分析60-65
• 3.2.4.1 气动参数分析60-64
• 3.2.4.2 几何参数分析64-65
• 3.3 低速模型压气机气动设计65-76
• 3.3.1 设计参数选取65-66
• 3.3.2 低速叶型设计66-69
• 3.3.3 低速转子数值模拟与相似性分析69-76
• 3.4 低速模型压气机实验验证76-83
• 3.4.1 测量方案76-79
• 3.4.1.1 总体性能测量76-77
• 3.4.1.2 转子进出口测量77-79
• 3.4.2 低速与高速压气机相似性分析79-83
• 3.4.2.1 总体性能参数79
• 3.4.2.2 转子进出口参数79-83
• 3.5 本章小结83-86
• 4 低速压气机轴向缝机匣处理对端区流动损失影响机理的研究86-104
• 4.1 引言86
• 4.2 轴向缝设计方案86-88
• 4.3 数值模拟方案88-90
• 4.4 压气机内部流动损失的度量90-91
• 4.5 轴向缝对叶顶端区流动损失的影响机理91-102
• 4.5.1 轴向缝对设计点效率的影响91-92
• 4.5.2 轴向缝对叶顶端区流动损失的影响92-100
• 4.5.2.1 动叶叶顶端区控制体的建立方法92-93
• 4.5.2.2 轴向缝对叶顶端区流动损失分布的影响93-95
• 4.5.2.3 轴向缝开口面特征流动参数与叶顶端区损失分布的关系95-100
• 4.5.3 轴向缝方案的筛选与实验验证100-102
• 4.6 本章小结102-104
• 5 低速压气机近失速点叶顶流场相似性分析与轴向缝扩稳研究104-118
• 5.1 引言104-105
• 5.2 动叶叶顶端区轴向动量控制体分析方法105-109
• 5.2.1 动叶叶顶端区的轴向动量105-106
• 5.2.2 低速压气机内部流动稳定性与叶顶端区轴向动量的关联106-109
• 5.3 低速与高速压气机近失速点叶顶端区流动相似性分析109-113
• 5.3.1 叶顶端区累加轴向动量曲线对比109-110
• 5.3.2 叶顶端区压力分布相似性分析110-113
• 5.4 轴向动量分析方法对轴向缝扩稳效果与机理研究113-116
• 5.4.1 轴向缝机匣处理扩稳效果的快速评估113-114
• 5.4.2 轴向缝扩稳效果的实验验证114-115
• 5.4.3 轴向缝开口面轴向动量输运与扩稳效果的关联115-116
• 5.5 本章小结116-118
• 6 低速压气机机匣处理优化及在高速压气机上的效果验证118-132
• 6.1 引言118
• 6.2 低速压气机轴向缝机匣处理优化118-122
• 6.2.1 轴向缝优化方案确定118-119
• 6.2.2 优化方案数值分析119-121
• 6.2.3 优化方案实验验证121-122
• 6.3 轴向缝机匣处理在高速压气机上的效果验证122-129
• 6.3.1 轴向缝几何方案确定123-124
• 6.3.2 数值模拟方案124-125
• 6.3.3 高速压气机机匣处理效果数值验证125-129
• 6.4 本章小结129-132
• 7 总结与展望132-138
• 7.1 全文内容总结132-135
• 7.2 本文创新点135
• 7.3 工作展望135-138
• 主要符号说明138-142
• 参考文献142-150
• 攻读博士学位期间的学术论文与获奖情况150-152
• 致谢152

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