对转冲压压气机冲压叶轮内部流动分析研究

论文摘要

在喷气发动机的发展过程中,通过增大级负荷来减少压气机的级数,提高整个发动机的推重比(功重比)是一个重要的发展方向,而提高动叶周向速度是提高压气机级压比的重要手段。随着高负荷压气机的叶尖来流相对马赫数进一步提高,利用复杂激波波系来实现增压效应的超音速压气机成为高性能压气机的研究热点。本论文在对比分析超音进气道、Rampressor和传统超音速压气机的基础上,将超音进气道的设计原理引入冲压叶栅的设计当中,提出了将冲压面布置于S1流面的旋转冲压压气机转子方案,创造性的提出了内压式冲压叶栅的概念及相应的设计方法。并利用实验和数值模拟方法对内压式冲压叶栅内的流场激波波系组织、激波与边界层干涉、边界层控制等流动机理性问题进行详细研究。在利用激波管风洞对冲压叶栅二维的设计方法进行成功实验验证的基础上,开展了冲压叶轮三维流场模拟分析工作,并提出了对转冲压压气机的结构及设计方案。数值模拟的结果表明,当叶尖速度达540m/s时,冲压叶轮的静压升可以超过5.0,总压升可达4.2,叶轮的效率则为85%,仅仅采用两级对转(低压风扇与高压转子旋转方向相反)动叶的对转压气机总压比则达到了10以上,静压升则达到了8.0。本论文的研究结果表明,内压式冲压叶轮在理论、技术上可行。采用内压式冲压叶轮的对转冲压压气机具有结构简单、造价低廉、高效高性能的特点。作为对转冲压压气机关键技术的内压式冲压叶轮研究将为我国未来高效、高推比航空发动机的研究、发展提供有效的理论支撑及技术积累。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 传统超音压气机
• 1.1.1 Weise压气机
• 1.1.2 转子激波式（shock-in type）压气机
• 1.1.3 冲击式（impuls type）压气机
• 1.1.4 传统超音压气机的研究进展
• 1.2 跨音压气机
• 1.2.1 跨音压气机叶型
• 1.2.2 跨音压气机的现状和趋势
• 1.3 Rampressor
• 1.3.1 Rampressor的基本原理
• 1.3.2 Rampressor的特点
• 1.3.3 Rampressor的研究现状
• 1.4 常规（亚音）对转风扇/压气机研究与发展
• 1.5 超/跨音速对转压气机的研究与发展
• 1.6 对转冲压压气机简介及其研究意义
• 1.6.1 对转冲压压气机原理简介
• 1.6.2 对转冲压压气机的研究意义
• 1.7 本论文的研究内容和目的
• 第二章 旋转冲压转子设计方案分析
• 2.1 超音速进气道
• 2.1.1 皮托式进气道
• 2.1.2 外压式进气道
• 2.1.3 内压式进气道
• 2.1.4 混压式进气道
• 2.2 冲压激波波系设计
• 2.2.1 激波损失的计算方法
• 2.2.2 冲压激波波系
• 2.3 Rampressor叶轮造型分析
• 2.3.1 叶片相对高度与Rampressor叶轮相对厚度的关系
• 2.3.2 叶片数与Rampressor叶轮相对厚度的关系
• 2.3.3 叶片安装角与Rampressor叶轮相对厚度的关系
• 2.4 外压式冲压叶轮造型分析
• 2.4.1 叶片数与外压式叶轮相对厚度的关系
• 2.4.2 叶片安装角与外压式叶轮相对厚度的关系
• 2.5 内压式叶片冲压叶轮造型分析
• 2.5.1 叶片数与内压式叶轮相对厚度的关系
• 2.5.2 叶片安装角与内压式叶轮相对厚度的关系
• 2.6 叶片冲压模式与Rampressor的比较
• 2.7 本章小结
• 第三章 冲压叶栅设计方法
• 3.1 冲压叶栅喉道宽度
• 3.2 冲压叶栅斜激波压缩段
• 3.2.1 直线式冲压面
• 3.2.2 Besier曲线式冲压面
• 3.3 冲压叶栅激波稳定段
• 3.4 单列冲压叶栅的几何型线设计方法
• 3.4.1 Besier曲线式冲压面
• 3.4.2 Besier曲线方程
• 3.5 交错串列叶栅
• 3.5.1 简单菱形小叶片
• 3.5.2 自起动交错串列叶栅
• 3.6 本章小结
• 第四章 冲压叶栅实验研究
• 4.1 实验装置
• 4.1.1 激波管风洞工作原理
• 4.1.2 力学所激波管叶栅风洞简介
• 4.1.3 激波管运行参数
• 4.1.4 激波管破膜方式
• 4.1.5 Laval喷管设计与实验段改造
• 4.1.5 激波显示方法
• 4.1.6 压力测量设备
• 4.1.8 压力测量值的确定方法
• 4.2 实验件设计
• 4.2.1 实验件安装法兰布局
• 4.2.2 实验叶片设计
• 4.2.3 测压孔布置
• 4.2.4 背压调节方式
• 4.3 实验条件下叶栅流场与理想状况下叶栅流场的差异（数值模拟）
• 4.3.1 理想状况下的叶栅流场
• 4.3.2 用数值模拟验证实验叶栅流场
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 自显色压感纸显示出的流场激波
• 4.4.2 实验叶栅出口静压、总压测量结果
• 4.4.3 叶表静压测量结果分析
• 4.4.4 实验叶栅出口参数
• 4.5 本章小结
• 第五章 冲压叶轮三维流场分析
• 5.1 冲压叶片设计
• 5.2 冲压叶轮的三维流场分析
• 5.2.1 未采取边界层抽吸措施时的流场特点
• 5.2.2 采用轮毂/叶冠抽气措施时的流场特点
• 5.2.3 叶轮的压比—流量及效率—流量特性
• 5.3 冲压叶轮在对转压气机中的应用研究
• 5.3.1 冲压叶轮的流场
• 5.3.2 对转冲压压气机的压升曲线
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 本文工作总结
• 本论文的创新成果
• 下一步研究方向
• 前景与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历