跨音速壓氣機高負荷彎扭靜葉設計及其級的氣動性能研究.pdf

1、航空渦輪發(fā)動機高推重比的發(fā)展方向對壓氣機部件性能提出了更高的要求。由于壓氣機要在保持高效率和足夠喘振裕度的前提下實現以更少的級數達到更高的壓比，因此研制高負荷、高性能葉柵對提高壓氣機氣動性能起著至關重要的作用。基于這種認識，本論文對跨音速壓氣機大折轉角彎扭靜葉設計及其級的氣動性能進行了系統的數值模擬和實驗研究。
　　本論文采用正問題的方法結合數值模擬手段開發(fā)了適合中、高亞音速氣流進口和大折轉角條件下高負荷擴壓葉柵的葉型。在給出的葉

2、型設計和成型數學方法基礎上，通過均勻試驗設計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、稠度、葉型折轉角、沖角和進口氣流馬赫數與葉柵氣動性能參數之間的數學關系，建立了此類葉型設計可參考的數據庫。分析葉型參數對氣動性能參數的影響規(guī)律，得到了高亞音速來流條件下設計大折轉角擴壓葉柵葉型應遵循的基本規(guī)律。
　　采用所開發(fā)的葉型設計具有51o葉型折轉角的矩形和環(huán)形擴壓葉柵，分別采用直、彎葉片，對大折轉角葉柵中的損失分布進

3、行研究。在高亞音速來流條件下，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)律對損失的影響最顯著，是葉柵設計中的核心。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、稠度等幾何參數密切相關。
　　將外流飛行器中控制附面層流動的基本思想和局部修型措施應用于積迭線優(yōu)化后的彎曲葉片的設計中。通過對全葉高范圍內葉片后半弦長的厚度分

4、布規(guī)律和中弧線曲率進行修整，控制后半弦長通流面積沿流向的變化率和葉型折轉角沿流向的變化率，對后半弦長的擴壓過程和葉片吸力面附面層的流動進行控制，進一步降低彎曲葉柵中的流動損失。對于本論文研究的環(huán)形葉柵，局部修型彎葉片比彎葉片能更顯著的降低流動損失。
　　在大折轉角彎扭靜葉的設計中，采用自主開發(fā)的新葉型技術綜合應用彎、扭設計自由度、葉片局部修型和葉型角局部調整措施，考慮風扇轉子葉片彈性變形對流場和氣動匹配的影響，設計了匹配性能和氣動

5、性能都較好的大折轉角彎扭靜葉，替代風扇原型級中的串列靜葉。彎扭靜葉通過前緣和尾緣不同的彎曲規(guī)律改變了三維壓力場，加強了對勢流和端壁區(qū)域流動的控制，顯著的降低了下半葉高范圍的損失。對風扇級全工況特性的數值模擬表明，彎扭葉片級比原型級不僅具有結構上的優(yōu)勢，而且具有更佳的氣動性能。在設計點和共同工作線上，級性能明顯提高，彎扭靜葉的設計達到了預期目的。
　　對設計點風扇級的三維非定常流場進行研究，結合尾跡和勢流的輸運對各葉片排的非定常氣動

6、負荷進行時域分析和頻域分析，研究了動靜葉干擾下葉片氣動負荷的變化規(guī)律。在本論文研究的跨音速風扇級中，動葉氣動負荷主要受勢流干擾的影響，氣動負荷波動規(guī)律類似諧波函數。對靜葉8％、50%和92%葉高處的氣動負荷進行了時域分析，可以看出靜葉負荷受尾跡和勢流有層次的交替影響，其中尾跡干擾是引起靜葉氣動力矩大幅度波動的主要原因，與串列靜葉相比，彎扭靜葉氣動負荷的相對波動幅值有所降低，有利于在動靜葉干擾的非定常流動中建立氣動參數相對穩(wěn)定的流場。

7、r>　　分別采用全湍流和考慮附面層轉捩的兩種數值模擬方法，研究動靜葉氣動干擾下的葉片附面層非定常流動，給出了壓氣機基元級動葉尾跡與靜葉附面層干擾過程的分析模型，基于該分析模型，結合葉片壁面摩擦力、熵和湍動能，對尾跡與附面層干擾過程中的復雜非定常流動現象進行了較全面的探討和解釋，豐富了對大折轉角擴壓葉柵附面層非定常流動的認識，也為此類葉柵的設計和應用提供了理論基礎和技術支持。
　　對跨音速風扇原型級和彎扭葉片級的特性進行實驗研究，分

8、別對風扇級出口總壓分布、節(jié)距平均參數葉高分布、全工況特性和靜葉氣動性能進行分析。在有代表性的狀態(tài)點上結合出口截面總壓分布探討大折轉角彎扭靜葉對勢流和端壁區(qū)域流動的控制機理。從對全工況的級特性和靜葉氣動性能的研究中論述彎扭靜葉的變工況性能。實驗測量的數據表明，彎扭葉片級比原型級具有更佳的氣動性能，彎扭靜葉中能量損失比串列靜葉中的明顯降低，因此大折轉角彎扭靜葉的設計是研制高性能高負荷壓氣機可采取的重要措施之一。本文設計的彎扭靜葉可以直接串裝