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鼓包造型方式对跨声速压气机叶栅气动性能的影响

钱薪伟  
【摘要】:作为燃气轮机三大部件之一,压气机性能的提升可以进一步地提高燃气轮机的功重比/推重比和降低油耗。提高压气机性能的有效的方法之一就是要不断提高压气机的单级压比,进而在更少的级数上实现更高的级负荷。提高级负荷的常用方法是提高转子的旋转速度,这样会提高转子的叶尖切线速度,从而使其叶尖相对马赫数达到超声速,因此在跨声速压气机中会导致激波的出现,而激波又会加剧压气机内部的流动损失,所以对于跨声速压气机内部激波损失相关的控制方式的研究就显得至关重要。首先,本文以某跨声速压气机转子70%叶高的截面叶型为研究对象,利用Hicks-Henne函数、CST参数化方法、Parsec描形方法以及多项插值函数构造鼓包,并通过数值仿真研究了在设计来流条件下不同位置的鼓包对叶栅的气动性能的影响,并与原型叶栅对比,发现鼓包在迎风面会产生弱压缩波,弱压缩波可以起到预增压作用,会减小激波前后的压力梯度,减弱入射激波及反射激波的强度,鼓包也会推迟入射激波的入射位置,从而推迟激波-边界层相干扰引起的分离、,从而降低叶栅内部的流动损失;随着鼓包初始位置沿流向后移,鼓包抑制激波诱导的分离能力增强,削弱入射激波的能力增强,对反射激波的削弱效果不断减弱。然后,在设计来流条件下对添加不同高度的鼓包的叶栅进行数值模拟,结果表明鼓包高度在小于0.01b时,鼓包对激波的控制效果会随着鼓包高度的增加而增强,但当鼓包高度超过0.01b后,叶栅内部流动状态更加复杂,会导致额外的流动损失。最后,在非设计来流条件下对得到的较优参数的鼓包叶栅进行数值模拟,发现采用多项式插值函数构造的鼓包具有较好的工况适应性,在非设计来流条件下也可以很好地改善激波结构和降低流动损失;采用Parsec描形方法构造的鼓包在设计来流条件及变冲角条件下可以有效削弱吸力面入射激波及反射激波强度,从而降低叶栅的流动损失,但随着来流马赫数的增大,Parsec描形方法构造的鼓包削弱激波强度及推迟流动分离的能力大大减弱;采用CST参数化方法及Hieks-Henne函数构造的鼓包在设计来流参数下可以很好地降低叶栅的激波相关损失,但在非设计来流条件下减弱激波强度的能力较弱,甚至会引起总压损失的增大,工况适应性较差。


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