CDFS可变弯度导叶设计方法及叶尖射流扩稳研究

摘要

可变弯度导叶作为核心机驱动风扇级的关键部件，要求其在单、双外涵两种模式下都能高效稳定的工作。本文以某核心机驱动风扇级的设计指标为牵引，兼顾单、双外涵两种模式，探索了低损失条件下可实现大出口气流角调节范围的可变弯度导叶设计方法，完成了满足设计指标的可变弯度导叶设计和叶栅实验验证。此外，还在一台双级低速轴流压气机上研究了静子叶片弯曲对叶尖射流扩稳效果的影响，为叶尖射流扩稳技术和三维叶片设计技术的组合发展提供有益的指导。
　　首先，为设计出可变弯度导叶的基础叶型，发展了一套快速、有效的二维叶片造型程序，可以方便的调节最大挠度位置、最大厚度位置、最大厚度、叶型弯角等叶型几何参数。将其与商用计算软件相结合，研究了叶型几何参数对叶栅性能的影响。研究结果表明：最大挠度位置对最小损失和落后角的影响与叶型弯角有关，叶型弯角越大，最小损失和落后角随最大挠度位置增大而增大的趋势越明显；不同的气流转折角对应着不同的最佳基础叶型。
　　然后，在基础叶型设计的基础上，采用数值计算方法详细分析了缝隙形式以及设计点的选取对可变弯度导叶性能的影响，计算结果表明：采用Coanda形式的缝隙型面设计可以有效提高泄漏流的附壁性能，抑制缝隙后附面层的发展，尤其是在气流转折角较大的工况下，相比于普通圆弧形式，Coanda形式的缝隙型面设计使得叶型损失减小了50％以上；可变弯度导叶出口气流角变化范围较大，设计点的选取对单、双外涵两种模式下可变弯度导叶的性能有显著的影响。通过可变弯度导叶叶栅实验及核心机驱动风扇级的三维验证，证明所设计的可变弯度导叶可以满足核心机驱动风扇级单、双外涵的设计指标要求。
　　最后，在一台双级低速轴流压气机上，采用实验方法，对比分析了第一级静子叶片分别为弯曲叶片和直叶片时，叶尖射流的扩稳效果以及压气机内部流场信息。实验结果表明：第一级静子由直叶片改为弯曲叶片后，在压气机失速过程中，模态波主要集中在叶尖区域，而叶尖射流恰好是通过改善叶尖区域的流场来拓宽压气机的稳定工作范围的，所以第一级静子叶片弯曲使得叶尖射流的扩稳效果更加显著，在0.03%的相对喷射流量下，流量裕度增加量可达到10.1%。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本文主要工作

第二章 可变弯度导叶基础叶型设计

2.1 基础叶型构造方法

2.2 基础叶型参数分析

2.3 本章小结

第三章 可变弯度导叶缝隙设计及设计点选取

3.1 计算模型及计算方法

3.2 可变弯度导叶设计指标

3.3 可变弯度导叶缝隙形式设计

3.4 可变弯度导叶开缝位置研究

3.5 可变弯度导叶设计点的选取

3.6 适用于CDFS的可变弯度导叶

3.7 本章小结

第四章 可变弯度导叶叶栅实验验证及其在某CDFS中的数值验证

4.1 实验设备及数据采集系统

4.2 可变弯度导叶叶栅出口尾迹测量

4.3 实验结果和分析

4.4 可变弯度导叶在某CDFS中的数值验证

4.5 本章小结

第五章 弯曲静子叶片对叶尖射流扩稳的影响

5.1 压气机实验台及喷射系统

5.2 稳态数据测量与采集

5.3 动态数据测量与采集

5.4 实验数据处理

5.5 实验结果和分析

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文