D型涡扇发动机风扇改型设计研究

论文摘要

传统的准三维设计方法曾经设计出大量性能优良的叶轮机械,并且一维和准三维设计方法由于其丰富的设计经验,至今仍然在叶轮机械的设计中发挥重要的作用。但在现代风扇/压气机向高通流、高负荷、高效率的方向发展时基于传统准三维设计体系的设计方法就暴露出它的局限性和不足。基于上述原因本文系统地总结了风扇/压气机设计技术体系的发展概况,改进了传统的准三维设计体系,建立了一个适用于现代风扇/压气机的设计体系。该设计技术体系既继承了传统的设计经验,又有新的设计技术的加入,它适合于我国当前风扇/压气机设计计算能力。本文还对该设计体系的基本原理和工作流程作了简明扼要的总结。为了解决风扇/压气机设计中经常遇到的叶片表面流场分离问题,本文以轴对称流动作为主流,对叶轮机械的二次流动问题进行了深入地研究。根据轴对称流的主控制方程中各项的含义,研究了影响主方程平衡关系的三个因素,即流线曲率、气体绕压气机轴线旋转产生的惯性离心力和叶片力。根据这三个因素提出了弯曲静子叶片设计的气动正交准则,该方法对提高喘振裕度和非设计点性能有较好效果。采用气动正交的设计方法是本设计体系的一个重要特色。本文采用该设计体系对D型发动机的风扇转子叶片进行了改型设计,全三维流场计算结果表明风扇性能达到了设计指标。为了解决第一排静子叶片叶尖和轮毂部分的分离,采用了气动正交的方法对该静子叶片进行了重新设计,基本消除了叶尖和轮毂部分的分离,风扇级的非设计点性能和喘振裕度有较大提高。本文还介绍了基于伴随方法的全三维流场优化方法,采用Rotor 67转子验证了该方法的有效性,然后利用该方法对改型风扇转子叶片进行了全三维流场优化,优化后的风扇转子比优化前效率提高了2%。优化结果表明基于伴随方法的全三维流场优化是高性能风扇/压气机设计体系的一个重要组成部分。本文最后对设计点转速为25850rpm的改型风扇转子进行了部件试验和整机验证试验,试验结果表明本文采用的压气机气动设计方法是可行的,该改型风扇转子可以用于D型发动机的改型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 风扇压气机设计技术发展综述
• 1.3.1 风扇/压气机的发展概况
• 1.3.2 计算流体力学发展对跨音速风扇设计的影响
• 1.3.3 叶轮机械叶栅内的流动损失及其产生机理
• 1.3.3.1 叶栅二次流损失
• 1.3.3.2 叶型损失
• 1.3.3.3 尾迹损失
• 1.3.3.4 叶尖漏气损失
• 1.3.3.5 激波损失
• 1.3.4 风扇/压气机先进设计技术的研究及应用
• 1.3.4.1 叶型优化技术的研究及应用
• 1.3.4.2 掠叶片技术的研究及应用
• 1.3.4.3 弯扭叶片技术的研究及应用
• 1.3.4.4 串列叶栅技术的研究及应用
• 1.4 本课题的研究目的和内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 一种改进的风扇/压气机准三维设计体系
• 2.1 引言
• 2.2 一种改进的风扇/压气机准三维设计体系
• 2.3 一维设计分析方法
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 平均半径计算的基本原理
• 2.3.3 轴流级特性计算
• 2.3.4 一维特性计算的基本原理
• 2.4 准三维设计分析方法
• 2.5 叶片造型方法研究
• 2.6 全三维分析方法
• 2.6.1 雷诺平均Navier-Stokes 方程
• 2.6.2 紊流模型
• 2.6.2.1 Baldwin-Lomax 模型
• 2.6.2.2 Spalart-Allmaras 模型
• 2.6.3 边界条件
• 2.6.4 流动混合面处理
• 2.6.5 计算网格
• 2.6.6 叶尖间隙的处理
• 2.6.7 雷诺平均Navier-Stokes 方程的离散
• 2.7 本章小结
• 第三章 风扇转子改型设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 原型风扇级的一维按平均参数的计算
• 3.3 改型风扇的轴对称S2 流面计算
• 3.3.1 设计点为25850rpm 的风扇S2 流面计算
• 3.3.2 设计点为30000rpm 的风扇S2 流面计算
• 3.4 改型风扇转子的叶片造型
• 3.4.1 设计点转速为25850rpm 的风扇转子叶片造型
• 3.4.2 设计点转速为30000rpm 的风扇转子叶片造型
• 3.5 改型风扇全三维数值分析
• 3.5.1 全三维流动分析方法
• 3.5.2 风扇全三维流动计算结果分析
• 3.5.2.1 设计点为25850r/min 的风扇计算
• 3.5.2.2 设计点为30000r/min 的风扇计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 一种弯曲静子叶片的气动正交设计研究
• 4.1 引言
• 4.2 叶轮机械中的二次流动
• 4.3 弯曲静子叶片采用气动正交准则的设计思路
• 4.4 弯曲静子叶片采用气动正交准则在改型风扇设计中的应用
• 4.6 本章小结
• 第五章改型风扇气动性能数值优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 气动性能数值优化的发展
• 5.3 基于伴随方法的三维数值优化方法
• 5.3.1 伴随优化方法思想
• 5.3.2 伴随方程
• 5.3.3 边界条件
• 5.3.4 梯度求解
• 5.3.5 目标函数
• 5.3.6 形状参数化
• 5.3.7 设计优化
• 5.4 NASA Rotor67 重新设计
• 5.5 改型风扇气动性能数值优化
• 5.6 本章小结
• 第六章 改型风扇级的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 部件实验装置
• 6.2.1 实验台简介
• 6.2.2 实验件简介
• 6.2.3 测量与控制系统
• 6.2.3.1 稳态参数测量
• 6.2.3.2 近喘点参数测量
• 6.2.3.3 振动监测
• 6.3 部件试验过程
• 6.4 原型风扇级和改型风扇级部件性能试验结果分析
• 6.5 改型风扇转子在发动机上的试验
• 6.5.1 发动机试验台简介
• 6.5.2 发动机性能试验结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章研究总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文