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《哈尔滨工业大学》 2007年
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采用叶片弯/掠及附面层抽吸控制扩压叶栅内涡结构的研究

张华良  
【摘要】: 航空涡轮发动机高推重比的发展方向对压气机部件性能提出了更高的要求。在影响压气机气动性能的各因素中,附面层流动状况具有决定作用。因此,研究压气机叶栅内真实的流场结构和损失产生机理,开发控制附面层流动的技术是改善压气机性能的关键。 在压气机三维流动中,流动分离和旋涡运动不仅直接影响着叶栅内的损失分布和叶栅效率,也影响着压气机的稳定工作范围。因此探讨扩压叶栅内的分离结构和旋涡模型十分必要。本文在已有实验结果的基础上,通过数值分析,并应用拓扑学原理,从定常到非定常,从二维叶型到三维矩形叶栅,全面分析了扩压叶栅内流动分离和旋涡运动的规律。并指出扩压叶栅内通道涡与涡轮叶栅内通道涡的本质差别:扩压叶栅内通道涡很弱,对流动组织不起主要作用,对扩压叶栅性能起关键作用的是叶片吸力面的集中脱落涡及其与周围流体的掺混。同时指出,随着冲角的增加,吸力面上的流动趋于复杂,分离形态由开式分离向闭式分离转化。最后,获得了普适性的压气机叶栅旋涡模型。 在认识扩压叶栅内流动分离结构的基础上,本文选择了两类方法来控制附面层的分离,即采用弯/掠叶片的被动控制方法和采用附面层抽吸的主动控制方法。通过数值模拟,并采用拓扑分析手段,全面分析了弯/掠叶片在不同几何条件(弯角、掠角、叶型和折转角)及不同气动条件(来流冲角)下的作用效果,考察叶片弯/掠与各几何和气动参数之间的依赖关系,总结弯/掠叶片在各种工况下的作用机理。 叶片正弯对压力面静压分布影响不大,主要是改变了吸力面的静压分布,不仅形成或者增强了展向“C”型压力分布,而且对轴向压力分布也造成影响:增强了中部的逆压力梯度,减弱了端部的逆压力梯度。两种压力分布的共同作用使得叶片角区的流动具有由闭式分离向开式分离转化的趋势,而叶片中部的流动具有由开式分离向闭式分离转化的趋势。叶片反弯的效果正好相反。叶片前掠则在压力面和吸力面均形成或者增强了“C”型压力分布,不仅减弱了压力面附面层的展向扩张,并且使得吸力面附面层的分离形态由闭式分离向开式分离转化。 在总结弯/掠叶片作用机理的基础上,进一步对附面层迁移理论进行了阐述。附面层迁移不仅包括附着涡层的迁移,而且包括自由涡层的迁移,而自由涡层的迁移主要受分离范围和分离形态的影响。在扩压叶栅内,自由涡层的迁移尤其是分离形态的改变对叶栅性能影响很大。 为了更好地控制大转角扩压叶栅内的流动分离,对附面层抽吸(BLS)技术的可行性和控制效果进行了数值模拟。本文应用拓扑学原理,并通过数值模拟,分析了附面层抽吸前后流动结构和分离形态的变化,探讨了附面层抽吸控制流动分离,从而降低二次流损失的机理。结果表明,附面层抽吸可以改变大转角扩压叶栅内的分离结构,尤其是沿叶片展向吸气时,可以明显减小吸力面的附面层分离,并且使得分离形态由闭式分离向开式分离转化,从而流动结构趋于简单。 在叶片吸力面不同位置抽吸都能明显降低叶栅损失,但不同的分离形态,其最佳抽吸位置也不同;根据本文评估能量损失和流量的方法,最佳抽吸量为进口流量的2%左右。对以闭式分离主要特征的叶栅,最佳抽吸位置正好对应闭式分离的起始点;对于以开式分离为主要特征的叶栅,最佳抽吸位置则位于主分离区的上游。 端壁只有在近吸力面进行抽吸可以获得正效果。此时,附面层抽吸可以改变流场的拓扑结构,遏止角区的闭式分离,并且延迟和减弱吸力面的分离。从而在大部分叶高上使得叶片负荷增加,同时损失减小并且沿径向分布更加均匀。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:V235.1

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