跨声速吸气式轴流压气机设计及数值模拟研究

【摘要】： 推重比是航空涡轮喷气发动机设计过程中最为看重的技术指标之一，实现高推重比的关键技术之一就是高效、高负荷压气机的设计。美国IHPTET计划在压气机设计方面的主要标志性成果之一，就是山MIT为主完成的跨声速吸气式压气机。吸气式压气机的高负载能力，使得单级吸气式风扇替代目前的两级或三级风扇成为可能。为此，本文对跨声速吸气式压气机的设计方法进行了探索，研究了吸气量、吸气位置对叶片表面压力分布、叶型损失的影响，初步总结了一些吸气式压气机叶型的设计准则，并完成了动、静叶叶型设计及三维积叠，为单级跨声速吸气式压气机的设计奠定了基础。 首先，本文提出了一套吸气式压气机气动设计的基本流程，对各环节采用的方法和原理作了简要介绍，接着对吸气式叶型的设计程序MISES做了重点研究，较深入地理解了包括求解方程、网格、算法及吸气模型等内容。 其次，本文使用MISES程序数值模拟了跨声速吸气式压气机叶栅流场，重点研究了吸气量和吸气位置对跨声速压气机叶栅气动性能的影响。结果表明，叶栅来流马赫数和方向一定时，吸气位置和吸气量是相互关联的关键参数，不同的吸气位置对应着不同的最佳吸气量，且随着吸气位置向后缘远离激波，最佳吸气量呈逐渐增大之势。从吸气对叶片吸力面边界层的影响效果分析，理想的吸气位置应该是在激波下游边界层初步发展到一个极值点附近，即将过渡到迅速发展段的位置处。 最后，本文总结了跨声速吸气式压气机叶型表面马赫数分布在前缘、预压缩段、压力恢复段、尾缘和压力面五部分的分布特点和规律，并采用正反问题混合的设计方法完成了动叶和静叶的叶根、叶中和叶尖截面造型和积叠，解决了吸气式压气机设计中的关键问题—吸气式叶型设计。叶型设计结果在基本满足S2通流设计结果要求的基础上，保证了叶型表面的形状因子均控制在分离点形状因子取值范围H_(sep)=2.76±0.23之内。同时各叶型截面的扩散因子均达到0.7以上，优于传统叶型设计。