切向孔隙流动对大折转角压气机叶栅气动性能的影响

摘要

现代先进航空发动机高效、高负荷设计指标对其主要气动部件—风扇/压气机的效率和负荷水平提出了越来越高的要求，而叶片负荷的大幅度增加将使得叶栅流道内部横向压力梯度和二次流动加强，附面层内的低能流体在强逆压力梯度下势必造成大尺度非定常流动分离，叶栅气动损失迅速增加，从而限制了叶片负荷水平的进一步提高，压气机失速裕度和效率急剧下降，工作稳定性无法得到保证。因此，在深入研究压气机/风扇叶栅流道、尤其是端部角区内复杂流场结构和损失产生机理的基础上，探索降低损失，特别是端部损失的方法和途径，开发利用弯曲叶片、孔隙流动等控制附面层流动分离的综合流动控制技术是改善压气机气动性能的关键。
　　本论文对采用切向孔隙流动控制技术的大折转角直、弯扩压叶栅气动性能进行了数值研究，探索孔隙流动控制技术在降低大折转角扩压叶栅流动损失的流体动力学机理。切向孔隙流动控制技术是指在叶栅吸、压力面之间设计合适的切向削涡孔或缝，利用叶栅吸、压力面压差产生的射流来增加吸力面分离区内低能流体的动能及湍流度，使得分离区内的流体能够进一步克服强逆压力梯度而避免或推迟大尺度分离，从而顺利实现整个叶栅流道的扩压流动。文中首先数值模拟了不同孔径、不同轴向及径向位置的单孔型削涡孔对直叶栅气动性能的影响，然后开展了具有多孔组合型式的直叶栅气动性能及流动机理研究，并提出削涡缝的设计思想，在上述研究基础上，深入探索了削涡缝流动控制技术改善直、弯曲扩压叶栅流动特性的机理。
　　数值研究结果表明，单孔型削涡孔的孔径及其径向、轴向位置对扩压叶栅气动性能有较大影响，存在着最佳孔径及径向、轴向位置。当这三个主要设计参数处于最佳匹配时，即孔径D=2～4mm，径向位置为10％～15%叶高，轴向倾斜角为30°，吸力面处位置为70%轴向弦长时，通流能力最大可增加1.4%，出口总压损失下降17%，叶栅气动负荷及扩压段长度也有所增加，流动分离显著减弱。采用多孔组合设计时叶栅流场特性强烈的依赖于孔径大小，孔径较小如D=2mm时，不同的多孔组合型式下栅内气动性能改善的程度差别较大，且组合孔的数目越多叶栅通流能力越强；大孔径如D=4mm时，任意的组合方式均能有效降低叶栅出口总压损失，组合孔越多效果越明显。组合式削涡孔能使叶栅0～15%H叶展叶栅出口扩压因子小于0.6，有效地改善吸力面/端区的气动性能，而25%H～50%H叶展的负荷增加，但是扩压因子仍然低于0.6，具有与正弯曲叶片类似的端壁效应。组合式削涡孔能够有效地改善吸力面角区内的流动状况，消除了吸力面/角区的螺旋点，使得端区损失进一步降低。同时组合孔附近S1面吸力侧的分离区基本消除。在将多孔组合方式演化为缝型式后得到了最大幅度的性能提升，如削涡缝径向宽度为4mm时叶栅通流能力可以提高1.58%左右，损失降低接近20%，即削涡缝在降低损失以及改善吸力面角区流动特性方面比多削涡孔组合更为有效。但是，孔/缝的面积太大可能会给叶片强度和气流的转折能力带来不利的影响。削涡缝的最佳径向位置与叶栅吸力面上的流谱（尤其是鞍点和角区内螺旋点的位置）密切相关，削涡缝最佳径向位置的选择应该基于既能够消除角区内的螺旋点，又能够有效地控制鞍点这一流体动力学基本思想。通过研究表明，对于本论文所讨论的直、弯扩压叶栅，削涡缝的最佳径向位置为10%H～15%H。采用削涡缝思想设计的直叶栅，其对端区流动的改善作用与正弯曲叶片类似，均能有效降低吸力面端部角区内的流动损失。在弯曲叶栅中采用削涡缝的设计思想可以进一步降低总压损失、提高叶栅通道的通流能力、增加栅内气流的折转能力以及叶片的气动负荷，但是效果不如直叶栅那样明显。

目录

切向孔隙流动对大折转角压气机叶栅

THE INFLUENCE OF TANGENT AIR INJECTION TO THE AERODYNAMIC PERFORMANCE OF HIGHLY-LOADED COMPRESSOR CASCADES

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 压气机叶栅内二次流损失机理的研究

1.2.1 叶轮机械叶栅内的二次流及二次流损失

1.2.2 叶轮机械叶栅内的旋涡结构及二次流损失机理

1.2.3 叶栅内部流动的旋涡结构

1.3 弯曲叶片的发展及其在压气机中的应用

1.3.1 弯曲叶片控制二次流损失的机理

1.3.2 弯曲叶片研究成果综述

1.3.3 弯曲叶片在压气机中的实际应用

1.4 叶栅内二次流动控制的方法和途径

1.4.1 通流部分几何变形

1.4.2 附面层控制与隔离

1.4.3 机匣处理

1.4.4 叶片修型与端弯技术

1.4.5 孔隙流动技术的初步探索

1.5 论文工作的目的和主要内容

第2章 削涡孔设计参数对压气机栅内流场结构及性能影响

2.1 引言

2.2 叶栅内三维粘性流场的数值计算方法

2.2.1 湍流模型

2.3 FLUENT计算软件包简介

2.4 计算方案

2.4.1 计算网格与数值方法

2.5 计算结果及分析

2.5.1 叶栅质量流量的变化

2.5.2 总压损失系数的比较

2.5.3 叶片负荷

2.5.4 流动分离的改善

2.6 本章小结

第3章 组合削涡孔设计参数对扩压叶栅性能影响

3.1 计算方案

3.2 计算结果及分析

3.2.1 通流能力的进一步增加

3.2.2 总压损失系数的变化

3.2.3 扩压因子的展向分布

3.2.4 吸力面及S1面极限流线

3.2.5 气流折转能力的提高

3.3 本章小结

第4章 削涡缝在弯曲扩压叶栅中的应用

4.1 计算方案

4.2 计算结果及分析

4.2.1 直、弯扩压叶栅出口总压损失的比较

4.2.2 通流能力的改善

4.2.3 总压损失系数的变化

4.2.4 叶片负荷展向分布

4.2.5 壁面极限流线

4.2.6 出口气流角展向分布

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢