跨声速多级轴流压气机非设计点性能预测

摘要

本文采用改进的流线曲率法对跨声速多级轴流压气机非设计点进行了性能模拟。采用叶轮机械设计问题(反问题)的主方程来求解计算问题(正问题)，同时对现有的总压损失和落后角模型进行了适当修正，用以考虑三维流动的影响。本文的一个主要创新点就是对原有激波损失模型进行了改进，新的激波损失模型考虑了压气机工作状态从堵塞点向喘振点变化时激波系结构的变化，并且综合考虑了进口相对马赫数、叶片负荷、稠度、叶片自，J缘半径和叶型对于激波损失的影响。同时，本文还对跨声速压气机叶排内部流动损失大小及其生成机理进行了分析，进一步利用动态压缩系统模型对某两级跨声速轴流压气机气动稳定性进行了预测分析，预测出了某型跨声速压气机失稳的首发级以及不稳定工作点。通过对两台双级跨声速轴流压气机算例计算，给出了设计点和非设计点性能变化曲线，并比较了新、旧两种激波损失模型在全工况下的变化规律以及采用新激波损失模型对跨声速压气机总性能的预测改进，验证了本文的损失和落后角模型在设计点和非设计点均能给出正确的变化趋势，并具有较相当的精度，尤其是其中的激波造成的总压损失系数在全工况范围内的变化规律更加合理，同时与实验结果相比，本文所采用的动态压缩系统模型在跨声速压气机不稳定工作边界预测中能够给出较为合理的结果。可见，本文所发展的模型一方面能够更准确预测到跨声速压气机内部流动的激波损失、二次流损失以及展向掺混损失，另一方面也能对跨声速压气机气动稳定性进行较为准确的预测，这就为现代跨声速轴流多级压气机特性分析提供可靠模型基础与技术支持。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2叶轮机械数值模拟的发展过程

1.2.1统计法

1.2.2级叠加法

1.2.3基元叶片法

1.2.4全三维方法

1.3跨声速压气机复杂的流动特征

1.4流线曲率法的研究状况

1.4.1两类流面理论

1.4.2损失和落后角模型的发展

1.5流线曲率法存在的主要问题

1.6本文的主要工作

第二章控制方程的推导

2.1基本方程的推导：

2.1.1连续方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.2主方程的建立

2.3数值方法

第三章流线曲率法理论基础

3.1计算主方程的选择

3.2设计问题的控制方程

3.3气动参数的计算

3.3.1转焓的计算

3.3.2绝对总温的计算

3.3.3相对总温的计算

3.3.4相对总压的计算

3.3.5切向速度

3.3.6叶片流道的阻塞计算

3.4曲率的计算

3.5控制方程的求解过程

3.6程序流程图

3.7流量调整的流程图

第四章损失和落后角模型分析

4.1概述

4.2参考状态

4.3参考攻角、失速攻角和堵塞攻角

4.3.1参考攻角

4.3.2失速攻角和堵塞攻角

4.4落后角模型

4.4.1参考落后角模型

4.4.2非设计状态的落后角模型

4.5总压损失模型

4.5.1最小损失模型

4.5.2激波损失模型

4.5.3二次流动损失

4.5.4稳定工作范围

第五章新激波损失模型

5.1正激波模型

5.2新激波损失模型

第六章不稳定工作边界的预测

6.1动态压缩系统模型

6.1.1模型方程

6.1.2数值解法

6.1.3失稳判断准则

6.2 Howell和Calvert稳定性判别模型

第七章算例分析

7.1设计点性能比较

7.1.1 NASA TP-1493算例计算

7.1.2 NASA TP-1314算例计算

7.2非设计性能比较

7.2.1 70％设计转速的近堵塞点的数值模拟

7.2.2 60％设计转速的最大效率点

7.3两种激波损失模型的比较

7.3.1新激波损失模型对跨声速压气机总性能的改进

7.3.2 100％设计转速压气机全工况范围内两种激波损失模型的比较与分析

7.4总压损失构成及机理分析

7.4.1转子叶尖部分的损失机理

7.4.2转子叶片不同展向位置处的损失分布

7.5压气机总性能比较

7.5.1 NASA TP-1493和NASA TP-1314双级压气机总性能比较

7.6压气机不稳定边界预测与比较

7.6.1动态压缩系统模型

7.6.2 Howell和Calvert模型

7.7小结

总的结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附录 符号说明