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超音压气机转子的起动特性及内部流动组织研究

杨世豪  
【摘要】:随着级负荷的不断增加,超音转子进口相对马赫数不断提高,当进口相对马赫数超过1.75左右时,转子的起动问题和高速来流的高效减速增压问题成为了限制转子性能的关键。本文从超音平面叶栅的叶型设计出发,对进口相对马赫数较高的内激波式转子的起动特性及内部流动组织问题进行了研究,涉及的主要内容如下:1、围绕超音平面叶栅的唯一攻角特性、起动点的计算、流道内波系结构的优化组织等问题,对超音平面叶栅的流动机理进行了研究。首先,基于对超音平面叶栅极限特征线上游流场的分析,提出了超音平面叶栅的外伸波损失计算模型。其次,提出了一种简单的方法来模拟超音平面叶栅处于起动点时喉口前的主要流场结构,利用该方法研究了不同类型的叶栅处于起动点时喉口前的总压恢复系数随来流马赫数的变化,将相关结果与本文提出的理想化的起动过程相结合,建立了叶栅起动点的计算方法。再次,针对起动工况下的前缘内伸波,建立了模型来计算其形状。最后,以激波损失最小为原则,研究了超音平面叶栅流道内的波系优化组织问题,明确了仅在喉口前的斜激波系的损失为零的理想情况下,斜激波系和结尾激波组成的波系的损失取得最小值。2、依据超音平面叶栅流动机理的研究成果,提出了超音平面叶栅叶型的参数化设计方法。利用该方法设计了相关叶型,与实验数据或数值模拟结果的对比表明,采用本文提出的设计方法能够对超音平面叶栅的起动点、唯一攻角特性以及流道内的波系结构进行有效的控制。在此基础上,研究了该设计方法中关键控制参数对超音平面叶栅气动性能的影响。3、针对超音转子,本文以通流面积的轴向变化率不变为原则,提出了超音平面叶栅叶型向转子回转面叶型转换的关系式,完善了超音转子的气动设计方法。以采用这种设计方法设计的超音转子为研究对象,通过数值模拟,对超音转子的起动特性进行了研究,分析了各叶高叶型的起动点和对应的平面叶栅的起动点不同的原因。同时,转子气动性能的研究结果表明,转子流场中各激波的强度得到了有效控制,设计点的性能和设计目标符合较好。4、开展了超音转子内部流动特性的研究,分析了叶表边界层内气流的径向输运、叶顶泄漏流、分离流对流场的影响。结果表明,在结尾激波的作用下,下游叶表边界层内气流的径向输运强度大幅增加,这虽然使叶根附近结尾激波与边界层相互作用引起的流动分离区显著减小,但导致了机匣附近的边界层增厚。厚度明显增加的边界层在和结尾激波作用后,发生了明显的分离。随后,在与分离涡和泄漏涡的共同作用下,靠近压力面的叶尖角区的高熵区影响范围不断扩大。


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