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跨声速压气机动叶三维气动设计与实验研究

高宇  
【摘要】:燃气轮机作为一种先进而复杂的高新技术密集型产品,代表了多理论学科和多工程领域发展的综合水平。集新技术、新材料、新工艺于一身的燃气轮机产业,是国家高技术水平和科技实力的重要标志之一,具有十分突出的战略地位。压气机作为燃气轮机的三大核心部件之一,其性能优劣对整机性能影响巨大,世界各国都把对压气机的优化设计作为改进发动机整机性能的重要途径。提高压气机的单级负荷,增加动叶圆周速度,能减少压气机级数、缩短发动机轴向尺寸和减轻重量。所以,研制高负荷跨声速压气机已成为压气机的发展方向。然而,追求更高的级压比往往与压气机的高效率和高稳定工作裕度之间存在矛盾,高负荷、低展弦比的发展趋势使得压气机内部流动三维效应增强,流动损失增加。因此,认识跨声速压气机内部流动情况,分析其损失来源及影响跨声速压气机稳定工作裕度的关键因素,并在此基础上进行精心的优化设计,才能得到性能优越的高负荷跨声速压气机。本文以单级跨声速压气机动叶为研究对象,研究其内部流场参数在不同工况时的变化情况,分析其损失来源及影响压气机稳定工作裕度的关键因素。结果表明,该跨声速压气机动叶在根部、中间叶高及顶部附近都存在效率较低的区域。近失速工况时,叶顶间隙泄漏涡与激波/附面层相互作用导致叶顶间隙泄漏涡的破裂,低能流体在此处聚集并阻塞流道,是导致压气机进入不稳定工况的主要原因。为了提高该跨声速压气机的压比、效率及稳定工作范围。在保证流量不变的情况下,采用遗传算法与人工神经网络相结合的方法对其进行了优化设计。选取动叶根部、5%叶高、50%叶高、95%叶高及顶部截面叶型进行叶片参数化造型,不改变压气机轮毂、机匣型线及叶型的积叠方式,仅改变动叶叶型安装角、前尾缘楔角及吸力面控制点参数,采用拉丁超立方样本选取方法得到样本数据库,设定优化目标,通过人工神经网络的自主学习训练,最终得到性能较好的优化叶型OPT1和OPT2。结果表明,OPT1与原型相比,效率提高0.91%,压比提高0.52%;OPT2与原型相比,效率提高0.80%,压比提高1.04%。对比原型与优化叶型及其内部详细流场发现,减小50%叶高叶型安装角,同时增大95%叶高叶型安装角,增大叶片扭转程度,能改变激波在叶片顶部的位置,使激波向叶片尾缘方向移动。延后激波/附面层与叶顶间隙泄漏流的作用位置。结合调整吸力面型线及前尾缘楔角,能有效控制压气机动叶表面载荷分布,进而提高转子的压比和效率。然后,本文抽取了原型及优化叶型OPT1的5%叶高、50%叶高及95%叶高截面叶型,在来流马赫数为0.5~0.9范围内进行了平面叶栅实验,分析叶型变化对流场参数的影响规律,研究原型与优化叶型不同叶高截面叶型的冲角特性。结果表明,5%叶高时,优化叶型的最小损失冲角向负冲角方向移动,并且优化叶型对叶片角区分离的控制要优于原型;50%叶高时,二者的冲角损失特性较为相似,但优化叶型的稳定冲角范围要高于原型;95%叶高时,优化叶型的最小损失冲角向正冲角方向移动,稳定冲角范围增大,但对角区分离的控制要弱于原型。在所研究的马赫数范围内,优化叶型最小总压损失系数要小于原型。最后,为了将平面叶栅研究结果应用于动叶的三维叶型设计,将平面叶栅实验与数值计算结果与三维动叶数值计算结果进行了对比,探讨了不同转速下动叶三维造型对叶栅性能的影响。在0.6倍设计转速时,平面叶栅与三维动叶的5%叶高与50%叶高的总压损失系数、出口气流角及叶片表面静压结果基本一致,95%叶高时受叶顶间隙泄漏流的影响,三维动叶的总压损失增加,泄漏流与叶片表面附面层作用使得吸力面叶片表面静压升高。在对比出口马赫数时,三维动叶的出口马赫数均高于平面叶栅,表明三维造型能减少气流的动能损失。1.0倍设计转速时,动叶三维造型对叶栅性能影响较大,对总压损失、出口马赫数、出口气流角的分布规律的影响与0.6倍设计转速时类似。在5%叶高时,三维动叶与平面叶栅流场参数的差别主要是由离心力和流道收缩引起的,离心力的存在能减弱流道收缩时产生的逆向压力梯度,削弱激波强度,变激波为压缩波,导致三维动叶根部损失小于平面叶栅。50%叶高时,二者流道收缩程度基本一致,主要差别为离心力,离心力、激波与附面层相互作用在30%叶高以上形成了径向分离涡并向叶顶方向逐渐扩大,径向分离涡的存在会使吸力面流体速度降低,静压升高,导致此处动叶叶片表面静压高于平面叶栅。95%叶高时,流动情况最为复杂,三维动叶受间隙泄漏流、流道收缩及离心力的共同作用,使得三维动叶的总压损失系数远高于平面叶栅,流动损失严重,但对前50%弦长的叶片表面静压分布规律影响不大。


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