变轴向间隙对采用直、弯静叶压气机性能影响的数值研究

论文摘要

航空发动机的高效率以及高推重比的发展方向对压气机部件性能提出了更高的要求。通过改变压气机通流部分的几何形状来提升压气机气动性能将会是一个有前途的发展方向。基于这种认识,本论文采用三维数值模拟的方法研究了一台低速重复级压气机,研究的过程中通过变化其静叶类型(分别使用直叶片与正弯曲叶片)以及动、静叶间轴向间隙来改变压气机通流部分的几何形状。本文首先研究了原始轴向间隙下分别采用直静叶和正弯曲静叶的两台压气机的气动性能。结果表明:正弯曲静叶压气机的轴功与直静叶压气机相比有所减小,轴功的减小对效率的提升是一个积极因素,从另一个侧面也说明正弯曲静叶弱化了级间势流干扰的强度。正弯曲静叶的采用在全工况范围内都不同程度地提升了压气机的效率,同时喘振裕度也获得提高。但是,与直静叶压气机相比,气流的折转能力与通流能力有所下降。静叶正弯曲改变了叶片表面的静压分布,在吸力面表面建立起了“C”型压力分布,即沿径向两端压力高,中间压力低。端区的低能流体在压差的作用下向中径处移动,从而有效地防止了边界层内流体在端区的聚积。本文在原始轴向间隙的基础上构造了两种轴向间隙减小的方案,分别对采用直、正弯曲静叶的压气机进行了研究。结果表明,无论是采用直静叶还是正弯曲静叶的压气机,轴向间隙的减小使得压气机扭矩增加,说明小轴向间隙增强了叶列间的势流干扰,减小轴向间隙有助于提升压气机的总性能。但是,过小的轴向间隙又会恶化压气机的气动性能,使得压气机的喘振裕度降低。这说明存在使得压气机获得最佳气动性能的最佳轴向间隙。此外,近喘工况时,压气机性能对轴向间隙变化的敏感程度最高,最大流量工况时最低,设计工况居中。直静叶压气机较正弯曲静叶压气机对轴向间隙的变化更为敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及背景
• 1.3 弯曲叶片在压气机内的应用研究
• 1.3.1 叶片弯曲的定义
• 1.3.2 弯叶片在叶轮机械中的作用机理
• 1.3.3 弯曲叶片在压气机中的研究现状
• 1.4 变轴向间隙在叶轮机械中的研究进展
• 1.4.1 尾迹干扰的研究
• 1.4.2 变轴向间隙的研究现状
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 商用软件NUMECA简介
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 计算方法
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 边界条件处理
• 2.2.5 前处理与后处理
• 2.3 数值模拟
• 2.3.1 叶片及压气机设计参数
• 2.3.2 网格生成、湍流模型及进出口边界条件
• 2.3.3 数值模拟方案的划分
• 2.3.4 计算公式
• 2.4 本章小结
• 第3章 直、弯叶片对压气机性能影响的数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 直、正弯曲静叶压气机的特性线
• 3.3 设计工况下采用直、正弯静叶对压气机性能影响
• 3.3.1 压气机出口节距平均参数对比
• 3.3.2 压气机出口截面总压升系数
• 3.3.3 压气机出口截面流线
• 3.3.4 总压损失系数
• 3.3.5 型面静压
• 3.3.6 不同叶高处熵分布
• 3.3.7 静叶吸力面静压等值线
• 3.4 最大流量工况下采用直、正弯静叶对压气机性能影响
• 3.4.1 压气机出口节距平均参数对比
• 3.4.2 压气机出口截面总压升系数
• 3.4.3 压气机出口截面流线
• 3.4.4 总压损失系数
• 3.4.5 型面静压
• 3.4.6 不同叶高处熵分布
• 3.4.7 静叶吸力面静压等值线
• 3.5 近喘工况下采用直、正弯静叶对压气机性能影响
• 3.5.1 压气机出口节距平均参数对比
• 3.5.2 压气机出口截面总压升系数
• 3.5.3 压气机出口截面流线
• 3.5.4 总压损失系数
• 3.5.5 型面静压
• 3.5.6 不同叶高处的流线
• 3.5.7 静叶吸力面静压等值线
• 3.6 本章小结
• 第4章 变轴向间隙对压气机性能影响的数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 直静叶压气机变轴向间隙的数值研究
• 4.2.1 数值模拟与实验的总参数对比
• 4.2.2 设计流量工况
• 4.2.3 最大流量工况
• 4.2.4 近喘工况
• 4.3 正弯曲静叶压气机变轴向间隙的数值研究
• 4.3.1 数值模拟与实验的总参数对比
• 4.3.2 设计流量工况
• 4.3.3 最大流量工况
• 4.3.4 近喘工况
• 4.4 轴向间隙变化对压气机性能影响的机理探讨
• 4.4.1 轴向间隙变化对压气机性能影响机理分析
• u 值随轴向间隙的变化'>4.4.2 气流周向分速度C_u值随轴向间隙的变化
• 4.4.3 下游静叶对上游动叶的势流干扰
• 4.4.4 尾迹的耗散
• 4.4.5 分析总结
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢