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低反动度附面层抽吸式压气机流动控制及设计方法研究

羌晓青  
【摘要】:近些年来,航空发动机和燃气轮机的迅速发展无一例外的都对压气机部件提出了更高压比、更高效率和稳定工作范围的要求。目前,由于材料和结构的约束,出于安全性考虑,压气机转子叶尖切线速度提升的幅度有限,要进一步提高气动负荷将会造成叶栅内严重的流动分离,降低叶栅效率甚至会引起叶片的失速颤振或压气机的喘振,导致严重的事故。基于这样的认识,本论提出了亚声速、高负荷低反动度附面层抽吸式压气机概念及相应的设计方法,通过理论分析和对设计实例的数值模拟、实验研究初步验证了该方法的可行性。 本文首先通过理论分析阐述了低反动度附面层抽吸式压气机概念及相应的设计方法,同时对该类压气机在不同循环层面上的效率和损失评价方法进行了探讨和研究。采用低速重复级压气机实验数据,验证了本文所采用的数值方法模拟亚声速压气机流场的精度和可靠性。 首先,将低反动度设计思想应用于低亚声速重复级压气机的改型,设计了一台高负荷的单级附面层抽吸式压气机,分别研究了低反动度动叶流场特点,及附面层抽吸对大折转角静叶流场和气动性能的影响;采用优化设计方法,对静叶前缘加速段及尾缘扩压段进行了细致的修型和调整,使具有附面层抽吸的静叶内流场结构得到进一步的优化,整级性能进一步提高;在设计背压下研究了单级低反动度压气机的变抽吸方案及非定常性能,结果表明,新设计的单级低反动度压气机具有良好的变工况性能;研究了在具有附面层抽吸的大折转角静叶中如何应用弯叶片技术,研究结果指出,由于高负荷静叶端区流动存在着强烈的二次流动,叶片正弯比反弯效果要好,叶片正弯使得端区负荷降低,有利于减少下端壁附面层抽吸槽的额外耗功;叶片反弯增加了端区叶片的负荷,加重了附面层的分离。 在单级低反动度压气机成功设计的基础上,本文将单级概念推广到多级低反动度压气机概念,对某重型燃气轮机压气机的末三级进行了重新设计,在减少一级(减少4列叶栅)条件下,采用两级低反动度的附面层抽吸式压气机达到了比原三级压气机更高的性能指标。文中分析了这两级高亚声速进口的低反动度压气机的几何特点、总体性能及动静叶的详细流场,总结了改型设计存在的问题,并有针对性地提出了改进的设想和方向。 为了验证低反动度概念的可行性和数值计算结果的可靠性,对单级低反动度附面层抽吸式压气机进行了实验研究。分别对静叶出口总压、节距平均参数沿叶高分布、等转速特性进行分析,通过对典型工况点下静叶出口流场分布特点和气动性能分析,探讨了附面层抽吸对大折转角扩压静叶内分离流动的控制机理。通过对实验测量数据与数值结果的对比,验证了低反动度附面层抽吸式压气机概念及其设计方法的可行性。


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