跨音速壓氣機(jī)高負(fù)荷彎扭靜葉設(shè)計(jì)及其級(jí)的氣動(dòng)性能研究.pdf

1、航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比的發(fā)展方向?qū)簹鈾C(jī)部件性能提出了更高的要求。由于壓氣機(jī)要在保持高效率和足夠喘振裕度的前提下實(shí)現(xiàn)以更少的級(jí)數(shù)達(dá)到更高的壓比，因此研制高負(fù)荷、高性能葉柵對(duì)提高壓氣機(jī)氣動(dòng)性能起著至關(guān)重要的作用?；谶@種認(rèn)識(shí)，本論文對(duì)跨音速壓氣機(jī)大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉設(shè)計(jì)及其級(jí)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。
　　本論文采用正問(wèn)題的方法結(jié)合數(shù)值模擬手段開(kāi)發(fā)了適合中、高亞音速氣流進(jìn)口和大折轉(zhuǎn)角條件下高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵的葉型。在給出的葉

2、型設(shè)計(jì)和成型數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)上，通過(guò)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和回歸分析獲得了葉型最大厚度、最大厚度位置、中弧線控制參數(shù)、稠度、葉型折轉(zhuǎn)角、沖角和進(jìn)口氣流馬赫數(shù)與葉柵氣動(dòng)性能參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立了此類(lèi)葉型設(shè)計(jì)可參考的數(shù)據(jù)庫(kù)。分析葉型參數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能參數(shù)的影響規(guī)律，得到了高亞音速來(lái)流條件下設(shè)計(jì)大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵葉型應(yīng)遵循的基本規(guī)律。
　　采用所開(kāi)發(fā)的葉型設(shè)計(jì)具有51o葉型折轉(zhuǎn)角的矩形和環(huán)形擴(kuò)壓葉柵，分別采用直、彎葉片，對(duì)大折轉(zhuǎn)角葉柵中的損失分布進(jìn)

3、行研究。在高亞音速來(lái)流條件下，矩形葉柵中葉片附面層以及其和尾跡摻混損失約占總損失的2/3，端壁附面層損失及二次流損失約占總損失的1/3。葉型規(guī)律對(duì)損失的影響最顯著，是葉柵設(shè)計(jì)中的核心。葉片正彎曲能有效的、顯著的降低和控制端壁區(qū)域的高損失，葉片彎曲的效果和彎曲角與葉型、展弦比、稠度等幾何參數(shù)密切相關(guān)。
　　將外流飛行器中控制附面層流動(dòng)的基本思想和局部修型措施應(yīng)用于積迭線優(yōu)化后的彎曲葉片的設(shè)計(jì)中。通過(guò)對(duì)全葉高范圍內(nèi)葉片后半弦長(zhǎng)的厚度分

4、布規(guī)律和中弧線曲率進(jìn)行修整，控制后半弦長(zhǎng)通流面積沿流向的變化率和葉型折轉(zhuǎn)角沿流向的變化率，對(duì)后半弦長(zhǎng)的擴(kuò)壓過(guò)程和葉片吸力面附面層的流動(dòng)進(jìn)行控制，進(jìn)一步降低彎曲葉柵中的流動(dòng)損失。對(duì)于本論文研究的環(huán)形葉柵，局部修型彎葉片比彎葉片能更顯著的降低流動(dòng)損失。
　　在大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉的設(shè)計(jì)中，采用自主開(kāi)發(fā)的新葉型技術(shù)綜合應(yīng)用彎、扭設(shè)計(jì)自由度、葉片局部修型和葉型角局部調(diào)整措施，考慮風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片彈性變形對(duì)流場(chǎng)和氣動(dòng)匹配的影響，設(shè)計(jì)了匹配性能和氣動(dòng)

5、性能都較好的大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉，替代風(fēng)扇原型級(jí)中的串列靜葉。彎扭靜葉通過(guò)前緣和尾緣不同的彎曲規(guī)律改變了三維壓力場(chǎng)，加強(qiáng)了對(duì)勢(shì)流和端壁區(qū)域流動(dòng)的控制，顯著的降低了下半葉高范圍的損失。對(duì)風(fēng)扇級(jí)全工況特性的數(shù)值模擬表明，彎扭葉片級(jí)比原型級(jí)不僅具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，而且具有更佳的氣動(dòng)性能。在設(shè)計(jì)點(diǎn)和共同工作線上，級(jí)性能明顯提高，彎扭靜葉的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目的。
　　對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)扇級(jí)的三維非定常流場(chǎng)進(jìn)行研究，結(jié)合尾跡和勢(shì)流的輸運(yùn)對(duì)各葉片排的非定常氣動(dòng)

6、負(fù)荷進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，研究了動(dòng)靜葉干擾下葉片氣動(dòng)負(fù)荷的變化規(guī)律。在本論文研究的跨音速風(fēng)扇級(jí)中，動(dòng)葉氣動(dòng)負(fù)荷主要受勢(shì)流干擾的影響，氣動(dòng)負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律類(lèi)似諧波函數(shù)。對(duì)靜葉8％、50%和92%葉高處的氣動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行了時(shí)域分析，可以看出靜葉負(fù)荷受尾跡和勢(shì)流有層次的交替影響，其中尾跡干擾是引起靜葉氣動(dòng)力矩大幅度波動(dòng)的主要原因，與串列靜葉相比，彎扭靜葉氣動(dòng)負(fù)荷的相對(duì)波動(dòng)幅值有所降低，有利于在動(dòng)靜葉干擾的非定常流動(dòng)中建立氣動(dòng)參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的流場(chǎng)。

7、r>　　分別采用全湍流和考慮附面層轉(zhuǎn)捩的兩種數(shù)值模擬方法，研究動(dòng)靜葉氣動(dòng)干擾下的葉片附面層非定常流動(dòng)，給出了壓氣機(jī)基元級(jí)動(dòng)葉尾跡與靜葉附面層干擾過(guò)程的分析模型，基于該分析模型，結(jié)合葉片壁面摩擦力、熵和湍動(dòng)能，對(duì)尾跡與附面層干擾過(guò)程中的復(fù)雜非定常流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了較全面的探討和解釋?zhuān)S富了對(duì)大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵附面層非定常流動(dòng)的認(rèn)識(shí)，也為此類(lèi)葉柵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
　　對(duì)跨音速風(fēng)扇原型級(jí)和彎扭葉片級(jí)的特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分

8、別對(duì)風(fēng)扇級(jí)出口總壓分布、節(jié)距平均參數(shù)葉高分布、全工況特性和靜葉氣動(dòng)性能進(jìn)行分析。在有代表性的狀態(tài)點(diǎn)上結(jié)合出口截面總壓分布探討大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉對(duì)勢(shì)流和端壁區(qū)域流動(dòng)的控制機(jī)理。從對(duì)全工況的級(jí)特性和靜葉氣動(dòng)性能的研究中論述彎扭靜葉的變工況性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)表明，彎扭葉片級(jí)比原型級(jí)具有更佳的氣動(dòng)性能，彎扭靜葉中能量損失比串列靜葉中的明顯降低，因此大折轉(zhuǎn)角彎扭靜葉的設(shè)計(jì)是研制高性能高負(fù)荷壓氣機(jī)可采取的重要措施之一。本文設(shè)計(jì)的彎扭靜葉可以直接串裝