某多级压气机气动设计方法及流场结构分析研究

摘要

高效率、高压比与高可靠性一直是现代航空发动机压缩系统不断追求的设计指标，而多级高压压气机由于涉及技术面广、研制难度大，其通流设计始终是动力系统研制中的瓶颈技术。因此，研究先进多级高压压气机的气动设计技术对于拓展航空动力系统的综合性能将是一条极具潜力的技术途径。基于这一认识，本文针对GE公司高效节能发动机E3的高压压气机进行了气动设计研究，并在此基础上应用CFD技术对叶栅内部流场结构进行分析，探讨多级压气机气动性能指标与内部流场结构的关联特征，为将先进设计技术用于高压压气机的研制提供技术储备。
　　本文首先采用一维及准三维设计方法对 E3的十级高压压气机进行了设计研究与详细分析。基于一维设计获得的与E3压气机真实通流流道基本一致的子午流道几何，应用准三维程序预测了压气机设计点总气动性能及通流部分气动布局。其结果表明本文采用的设计程序对于高负荷多级轴流压气机的设计问题具有较高的求解精度与较好的工程应用前景。
　　在准三维设计的基础上，结合准三维气动数据及压气机关键几何特征构建了该压气机前五级叶片通道，并引入可转导/静叶技术，借助三维数值仿真方法详细分析了可调导/静叶与压气机气动性能及叶片通道流场参数分布的关联规律。研究结果表明，初始方案压气机设计点性能参数基本达到了设计要求，但其各转速特性线最高效率点对应的流量与堵塞流量十分接近，压气机稳定工作范围较小。对导叶及多列静叶的安装角进行调节后，改变了压气机叶列间气动匹配特性，使得部分叶片角区分离严重，压气机整体效率及压比有所降低，但同时也抑制了末级静叶吸力面附面层分离，并提升了压气机通流能力，有效拓展了部分转速的稳定工作范围。整体而言，可转导/静叶技术对该压气机综合性能的提高具有一定的正效果，但也暴露了该技术的弊端。
　　鉴于可转导/静叶技术本身的缺陷，本文采用基于叶列间气流角匹配的优化设计方法，以五级导/静叶联调的压气机通流结构为蓝本，在级环境下对其“问题”叶排展开了气动优化设计工作，并分析了气流角匹配优化设计思想与压气机综合气动性能及流场结构的关联特征。研究结果表明，该方法通过较少的优化变量数目，调整了关键级动叶及静叶的进口气流角，从而改善了叶列间气动匹配特性，优化了叶片局部周向倾斜角度。因此，提高了叶片通道对空间气流的自组织能力，调整了通道内逆压力梯度分布规律，重组了叶片气动负荷，有效地促进吸力面角区低能流体的径向迁移，降低因高熵流体在端区的过度聚集而产生的分离流动损失，从而提高压气机绝热效率，显著拓展各转速下压气机的稳定工作范围。该气流角优化匹配技术为后续多级压气机的气动优化设计提供了有益的参考。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 压气机的发展历程

1.3 压气机设计体系与内部流动特征

1.4 压气机设计方法的研究综述

1.4 本文的主要研究内容

第2章 压气机气动设计方法

2.1 引言

2.2 一维及准三维设计方法

2.3 三维叶片的构造方法

2.4 全三维分析及优化设计

2.5 本章小结

第3章 压气机设计点气动性能分析

3.1 引言

3.2 一维气动性能分析

3.3 S2流面气动特性分析

3.4 S1流面气动特性及流场结构

3.5 本章小结

第4章 导/静叶可调的压气机气动特性研究

4.1 引言

4.2. 可转导/静叶技术简介

4.3 导/静叶的调节方法

4.4 压气机变工况特性的数值分析

4.5 设计点气动性能及流场特性分析

4.4 本章小结

第5章 压气机气动优化设计研究

5.1 引言

5.2 叶片几何角匹配

5.3 压气机的特性分析

5.4 优化前后设计点性能分析

5.5 叶片负荷及流场结构分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢