矩形扩压叶栅中应用叶尖小翼的性能研究

论文摘要

随着航空工业的迅猛发展,航空发动机向着高推重比、低耗油率、高效率和安全性方向飞速发展,而压气机作为航空发动机的核心部件,主要的发展方向是更高的压比,更高的效率及更大的级负荷。其中,压气机级负荷的提升将导致叶顶泄漏更加严重,叶片分离更加容易。诸多研究表明,叶顶泄漏流动所造成的能量损失在压气机总损失中占举足轻重的分量。削弱叶顶泄漏流动,对于改善压气机气动性能具有可观的效果,因此,有效地抑制压气机叶顶泄漏流动成为国内外专家学者关注的重要研究方向之一。受到飞机翼梢小翼的启发,在压气机叶片顶部加装叶尖小翼来改善叶栅气动性能是本论文的主要研究内容。本论文通过低速风洞吹风实验测量了不同间隙和不同冲角下原始叶型(即不带有叶尖小翼的叶片)、带有吸力面叶尖小翼的叶型、带有压力面叶尖小翼的叶型和带有组合小翼的叶型(即既带有吸力面叶尖小翼又带有压力面叶尖小翼的叶片)出口截面的气动参数和上端壁壁面静压分布,研究叶尖小翼的应用对于改善矩形扩压叶栅气动性能的影响及其机理。与原始叶型相比,带有吸力面叶尖小翼的叶型有效地削弱了叶顶泄漏涡的尺度和强度,从而降低了矩形扩压叶栅总的能量损失,有效地改善了叶栅流场气动性能。实验结果表明,在O°冲角、叶顶间隙为1.0%H(即叶顶间隙为1%叶片高度)工况下,带有吸力面叶尖小翼的叶型改善叶栅气动性能效果最为明显。而压力面叶尖小翼的应用增加了叶顶泄漏涡的强度,增大了叶栅的能量损失,恶化了叶栅流场气动性能。组合小翼受到吸力面侧小翼和压力面侧小翼的共同影响,对叶栅流场的气动性能影响不是十分明显。在不同冲角下,原始叶型的能量损失波动较为强烈,而带有吸力面叶尖小翼的叶型能量损失在不同冲角下变化比较平稳。吸力面叶尖小翼的应用一方面降低了叶栅的能量损失,提高了叶栅的效率；另一方面,使得叶栅变冲角特性变化更加平稳。实验研究发现,在较大负冲角下,压力面叶尖小翼和组合小翼的应用不但没有降低叶栅的能量损失,反而加剧了叶栅的压力面分离程度。本论文通过数值模拟方法对原始叶型和带有吸力面叶尖小翼的叶型在0°冲角、叶顶间隙为1.0%H下的旋涡结构做了详细的分析,建立了相应的三维旋涡结构,分析了叶栅流道内的叶顶泄漏涡、通道涡、集中脱落涡等主要旋涡结构的形成和发展规律,从旋涡结构演化的角度分析了叶尖小翼的应用对矩形扩压叶栅的作用机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 叶轮机械内叶顶泄漏流动的研究现状
• 1.2.1 叶顶泄漏流动的成因
• 1.2.2 叶顶泄漏流动对叶轮机械性能的影响
• 1.2.3 叶顶泄漏流动研究现状
• 1.2.4 改善叶顶泄漏流动的控制方法
• 1.3 叶尖小翼技术在叶轮机械中的应用
• 1.3.1 叶尖小翼技术的提出及优点
• 1.3.2 叶尖小翼技术在风力机上的应用
• 1.3.3 叶尖小翼技术在涡轮上的应用
• 1.3.4 叶尖小翼技术在压气机上的应用
• 1.4 本论文的研究目的和主要内容
• 第2章 实验装置和数值仿真方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 实验风洞
• 2.2.2 实验叶栅的几何尺寸及测量条件
• 2.2.3 五孔探针及其校准
• 2.2.4 测点布置
• 2.2.5 数据采集系统
• 2.3 实验数据的处理与分析
• 2.3.1 叶栅坐标系统
• 2.3.2 二次流定义
• 2.3.3 数据处理公式
• 2.3.4 平均量的定义
• 2.3.5 误差分析
• 2.4 数值仿真方法
• 2.4.1 商业CFD软件——ANSYS CFX
• 2.4.2 计算方法
• 2.4.3 湍流模型
• 2.4.4 网格的生成
• 2.4.5 边界条件设置
• 2.5 小结
• 第3章 不同间隙下应用叶尖小翼对矩形扩压叶栅性能的影响
• 3.1 无间隙原型叶栅流场性能分析
• 3.1.1 出口截面能量损失分布
• 3.1.2 出口截面二次流流线分布
• 3.2 0.5%H间隙叶栅流场性能分析
• 3.2.1 出口截面能量损失分布
• 3.2.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 3.2.3 出口截面二次流流线分布
• 3.2.4 上端壁壁面静压系数分布
• 3.3 1.0%H间隙叶栅流场性能分析
• 3.3.1 出口截而能量损失分布
• 3.3.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 3.3.3 出口截面二次流流线分布
• 3.3.4 上端壁壁而静压系数分布
• 3.4 1.5%H间隙叶栅流场性能分析
• 3.4.1 出口截面能量损失分布
• 3.4.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 3.4.3 出口截面二次流流线分布
• 3.4.4 上端壁壁面静压系数分布
• 3.5 间隙尺寸对叶栅总性能的影响
• 3.6 小结
• 第4章 不同冲角下叶尖小翼的应用对矩形扩压叶栅性能的影响
• 4.1 -3°冲角叶栅流场性能分析
• 4.1.1 出口截面能量损失分布
• 4.1.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 4.1.3 出口截面二次流流线分布
• 4.1.4 上端壁壁而静压系数分布
• 4.2 -6°冲角叶栅流场性能分析
• 4.2.1 出口截面能量损失分布
• 4.2.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 4.2.3 出口截面二次流流线分布
• 4.2.4 上端壁壁而静压系数分布
• 4.3 -9°冲角叶栅流场性能分析
• 4.3.1 出口截面能量损失分布
• 4.3.2 节距平均能量损失系数沿叶高的分布
• 4.3.3 出口截面二次流流线分布
• 4.3.4 上端壁壁面静压系数分布
• 4.4 冲角对叶栅总性能的影响
• 4.5 小结
• 第5章 带有叶尖小翼的矩形扩压叶栅流道旋涡结构探讨
• 5.1 数值模拟的精度校核
• 5.2 数值模拟对实验测量结果的扩展计算与分析
• 5.2.1 1.0%H间隙下全冲角叶栅总的能量损失系数分析
• 5.2.2 +6°冲角下不同方案叶栅能量损失系数分析
• 5.2.3 +6°冲角下不同方案叶栅出口截面二次流流线分布分析
• 5.3 带有叶尖小翼的矩形扩压叶栅流道旋涡结构探讨
• 5.3.1 采用数值模拟结果代替实验结果的可行性分析
• 5.3.2 原始叶型流道旋涡结构分析
• 5.3.3 吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构分析
• 5.3.4 三维流场旋涡结构总结
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢