高性能风扇/压气机三维叶片气动设计与实验研究

摘要

压气机作为航空发动机三大核心部件之一,其叶片通道内部的损失直接影响着整台发动机的性能、稳定性和经济性。当现代先进航空发动机的设计趋势朝着高推重比的方向不断发展时,压气机通道内的逆压梯度和叶片负荷随之不断增加,此时角区分离或者轮毂-角区失速极易在通道内出现并造成严重的总压损失。三维叶片设计技术通过改变积叠线的空间位置,引入了径向上的作用力,改变了叶片表面和端壁面的压力分布,减弱了叶片端部和轮毂表面低能流体的积聚,从而降低角区分离强度,减小叶片通道内的流动损失,压气机的效率和稳定裕度得以提高。本质上而言,通道内的流动过程就是不同涡系的发展运动及其相互掺混作用的过程,只有从涡运动的角度出发,通过详细的参数化计算和流场测量实验,才能更深入地了解和揭示三维叶片在通道内部的减损机理和影响规律。
　　本文以一台双级低速轴流压气机试验器为研究对象,通过数值方法,改变第1级静子的积叠线形式以及弯高、弯角等积叠线参数,研究了带有根部间隙时的简单贝塞尔曲线(SBC)和直线-贝塞尔曲线-直线(BLB)两种积叠线形式的弯曲静子和不带有根部间隙下的 BLB形式弯曲叶片对压气机性能和通道内涡系结构的影响,从而揭示弯曲叶片在两种安装形式下的降损机制。根据数值计算的结果,选取了带有根部间隙下效果最好的一组BLB形式弯曲叶片进行加工,并加装在压气机上进行实验研究。实验获得了直叶片和弯曲叶片压气机的特性曲线,并通过4根不同长度的五孔探针和1根四孔探针,测量了最大流量工况和近失速工况下直叶片和弯曲叶片通道内不同轴向位置截面上的气流参数。除此之外,本文还在不同畸变进气条件下对直、弯叶片压气机进行了总特性测量和第1级静子出口截面流场测量。对弯曲叶片在畸变进气条件下的作用机理进行了简要的探讨。
　　从不带有根部间隙的计算结果可知,在小流量范围内,轮毂-角区失速是压气机第1级静子S1通道内损失的主要来源。由于弯曲叶片减小了叶片两端的叶片负荷和轮毂表面低压区的面积,减弱了叶片端部低能流体的聚积和端壁附面层低能流体从压力面到吸力面的横向流动,轮毂表面分离涡和集中脱落涡的强度由此降低。同时分离涡在向下游发展过程中,不再向上跃起与吸力面集中脱落涡进行掺混,因此叶片通道内的损失大幅度地降低。弯曲叶片积叠线分别为SBC和BLB两种形式时,效率最大增幅都达到1个百分点左右。
　　带有根部间隙的计算结果表明,在带有根部间隙的叶片通道中,叶尖分离涡、叶根泄漏涡以及叶根泄漏涡与下通道涡之间的掺混是造成总压损失的主要原因。弯曲主要是通过改变端部的叶片负荷,从而控制叶尖和叶根的附面层聚积以及轮毂低能流体横向移动,主要涡系的强度因此减小,同时下通道涡的位置更远离泄漏涡,它们之间的相互掺混程度也由此降低,总压损失减小。当叶片带有根部间隙时,BLB形式的弯曲叶片主要改善了小流量范围内的压气机性能。在近失速点附近,弯高为10％叶高,弯角为15°的叶片获得了最大的效率增益,为0.3个百分点。
　　无论是否带有间隙,计算的结果均表明,弯曲的效果主要体现在通道内损失较大的小流量范围,而在损失较小的大流量范围内,弯曲对压气机性能的改善并不明显;同时,弯角和弯高过大使得叶片表面摩擦损失增加,甚至导致弯曲叶片压气机的效率低于直叶片压气机的。这是由于弯曲叶片最终降损效果是其减小的分离损失和弯曲带来的摩擦损失之间的折衷。
　　带有根部间隙的弯曲叶片压气机实验证实了弯曲叶片对压气机性能的改善作用,其对压气机的性能提升也主要体现在损失较高的小流量范围。由于数值计算对叶尖区域的分离预估相比实验值要小,实验得到的效率增益大于数值计算的结果。在流量系数为0.637时,效率增益达到最大的1个百分点。静子通道内的损失主要来源于叶尖角区分离、叶根泄漏涡以及其与下通道涡的掺混。在小流量范围内,弯曲叶片降低并减小了叶尖分离涡、叶根泄漏涡和下通道涡的强度和尺度,同时使得后面两个涡系的形成位置更加靠后,从而减小了通道内的总压损失。
　　弯曲叶片同样能在畸变进气条件下改善压气机的性能。在叶尖径向进气畸变和180°周向进气畸变下,弯曲叶片的最大效率增益均为1个百分点左右。但在叶尖径向畸变下,弯曲叶片主要是在大流量范围内提升压气机的性能,随着流量减小,弯曲叶片压气机的性能最后基本与直叶片压气机的相差无几。而在周向畸变下,弯曲叶片的效果随着流量的减小逐渐得以体现。造成这样的原因是因为叶尖径向畸变使得叶尖的损失加大,而叶根损失减小。在小流量范围,由于弯曲叶片在叶尖区域的降损能力非常微弱,而叶根处的损失相对较小,损失减小幅度也并不大。在周向畸变下,压气机可以简单近似地被看作是“均匀进气”下两台工作在不同流量的子压气机组合。当弯曲叶片在进口流量较小的子压气机内降损能力较弱时,而在另一台子压气机内还有一定的降损能力,因此整台压气机的性能得以继续提升。

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图、表清单

注释表

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2弯曲叶片在国内外的研究概况

1.3压气机通道内部流动的研究

1.4 压气机的进气畸变问题

1.5本课题的研究目的

1.6本文的主要工作

1.7本文的创新点

第二章 计算软件介绍和数值方法

2.1概述

2.2 Fine/Turbo介绍

2.3计算设置

2.4计算校核

2.5 本章小结

第三章 弯曲叶片对轮毂-角区失速影响的数值研究

3.1直叶片压气机的数值研究

3.2弯曲静子积叠线的选取

3.3 SBC静子的计算结果分析

3.4 BLB静子的计算结果分析

3.5本章小结

第四章 带有根部间隙的弯曲叶片对压气机性能影响的数值研究

4.1带有根部间隙的直叶片压气机数值研究

4.2弯曲叶片对压气机总体性能的影响

4.3直、弯叶片出口气动参数对比

4.4轮毂表面轴向速度云图和吸力面极限流线分布

4.5叶片表面压力系数沿轴向分布

4.6静子通道内不同轴向截面的流线和熵增分布

4.7本章小结

第五章 实验设备和测量方案

5.1压气机试验台

5.2稳态数据测量和采集系统

5.3实验测量方案

5.4实验数据的处理

5.5实验误差分析

5.6本章小结

第六章 弯曲叶片对压气机气动性能影响的实验研究

6.1弯曲叶片对压气机总体性能的影响

6.2弯曲叶片对通道内流场的影响

6.3弯曲叶片对出口气动参数沿叶高分布的影响

6.4 进气畸变条件下弯曲叶片对压气机性能的影响

6.5本章小结

第七章 总结和展望

7.1总结

7.2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