高亚音扩压叶栅优化设计及流动机理研究

摘要

随着航空发动机推重比的逐年提升，对压气机负荷提出了越来越高的要求。压气机单级负荷的提高同时使得叶栅流道横向压力梯度增加，逆压梯度下逐渐增厚的吸力面附面层容易分离，在高负荷压气机中对附面层和二次流的控制更为困难，因此研制适用于高负荷压气机叶栅有着重要的意义。本文以某三级高负荷压气机的第二级静叶栅为研究对象，首先对中径处叶高进行优化，将新叶型沿径向积叠为直叶栅，考察其三维流场性能。最后，将直叶栅进行弯叶片造型，研究三维弯叶片造型对流动的控制效果。
　　本文首先对二维叶型进行了数值方法验证，证明了本文中的计算方法以及湍流模型选取的正确性。随后对原始三维叶栅进行了网格无关性的验证，结果表明在网格数超过173万以后，网格数目对计算结果不再产生影响。结果表明，本文所用的数值方法具有很强的可信度。
　　本文利用ISIGHT平台对中径处叶型进行优化，以总压损失系数和气流折转角为优化目标。优化后的叶型通过合理的控制叶栅内部的压力场分布，总体上显著地拓宽了工作范围以及失速裕度，在全工况内都改善了高负荷叶栅的气动性能，大大降低了叶栅的损失。在三维流场中，优化后的叶栅明显减小了上下端区处的回流区以及回流程度，在整个叶高范围内的损失都要小于原型，扩压能力高于原型，工作范围有所提升。
　　最后，采用正交试验设计方法对直叶片进行弯叶片造型设计，进行较少次试验快速得到符合设计指标的弯叶片造型，大大减少了试验时间。结果证明采取根部反弯顶部正弯的造型在较大正冲角下使总压损失系数较优化直叶栅最大降低了2.5%。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源

1.2 研究背景及意义

1.3 高负荷压气机的研究

1.4 叶型设计方法

1.5 流动控制方法

1.6 论文主要研究内容

第2章 数值计算方法及验证

2.1 引言

2.2 数值计算方法

2.3 数值方法验证

2.4 本章小结

第3章 叶型优化设计平台

3.1 引言

3.2 叶型优化流程

3.3 叶型参数化造型

3.4 数值求解过程

3.5 优化算法

3.6 目标函数

3.7 本章小结

第4章 优化结果及性能分析

4.1 引言

4.2 叶型优化结果对比

4.3 二维叶型优化结果性能分析

4.4 三维叶栅优化结果及性能分析

4.5 本章小结

第5章 三维叶片造型及其流场分析

5.1 引言

5.2 弯叶片造型方法

5.3 正交试验设计方法

5.4 弯叶片与优化直叶片结果对比与气动性能分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢

个人简历