跨音速前掠风扇的数值设计与分析

论文摘要

涡轮风扇发动机是现代飞行器主要的喷气推进动力。随着飞行器要求及发动机设计水平的提高,风扇作为发动机中至关重要的一环,逐渐向高压比、高效率、高可靠性、高稳定裕度发展。风扇叶片前掠能够调整超跨音风扇内激波结构,通过削弱激波强度、减小激波损失来提高风扇性能,因此本文采用线性前掠方案对一台中等尺寸轴流风扇转子进行了设计,其间研究了线性前掠角对风扇转子性能的影响。本文根据任务下发单位对风扇设计性能及相关尺寸要求进行了一台中等尺寸轴流风扇转子设计,该转子性能指标为单级压比不低于1.8,效率不低于0.86,喘振裕度不低于15%,依据目前压气机静子的一般设计水平,本文将风扇转子设计指标定为压比1.9,效率0.9,喘振裕度15%。由于尺寸,转速,进口条件等已由工程要求给定,故本文通过合理设计叶型中弧线、厚度分布等来得到基本的转子叶片,同时应用前掠技术对转子设计进行改进。通过对前掠角分别为0°、0.5°、2°、5°、8°的5种线性前掠转子的数值模拟研究,探索了前掠风扇提高性能的机理,研究表明前掠能够影响通道内激波结构提高转子压比、效率和喘振裕度。数值模拟表明:本文所设计的2度前掠叶片的风扇转子,压比2.065,效率0.9285,喘振裕度15.8%达到并超过了设计指标。通过本文的工作建立了一套风扇设计、流场数值模拟网格自动划分等的参数化设计程序,为以后开展后续工作储备了技术基础。微型发动机技术在最近十多年发展迅速,推重比大是微型发动机突出的优点,而耗油率高又是其缺点。采用微型涡轮风扇的方案可有效降低耗油率,因此本文最后部分在已设计出的常规尺寸风扇转子的基础上,采用轮缘速度相似规律将常规尺寸风扇转子缩小为直径73mm转速115000r/min的微型风扇。根据原风扇与微型化风扇流场性能的对比分析了微型化对风扇转子性能的影响,发现:微型化后粘性作用突出,通道堵塞严重,通道内激波强度增强,叶片表面载荷分布情况变差。鉴于微型化带来的特殊性,本文尝试将微型风扇叶片数减少为24片,发现:叶片数减少后的微型风扇流通能力加强,转子叶片表面载荷分布情况得到改善,转子压比、效率均有所提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及工程应用价值
• 1.2 风扇设计技术发展及工程应用
• 1.2.1 高轮缘速度
• 1.2.2 宽弦叶片
• 1.2.3 先进叶型设计
• 1.2.4 弯掠叶片技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 风扇主要参数设计和气动热力计算
• 2.1 动量矩与轮缘功
• 2.2 主要几何参数设计
• 2.2.1 风扇进口直径
• 2.2.2 压气机流道形式及展弦比
• 2.3 风扇一维流路气动热力计算
• 2.4 小结
• 第三章 控制方程及数值方法
• 3.1 N-S 方程与湍流模型
• 3.1.1 直角坐标系下的三维可压缩N-S 方程组
• 3.1.2 旋转坐标系下的质量加权平均N-S 方程组
• 3.1.3 N-S 方程组
• 3.1.4 湍流模型
• 3.2 数值方法
• 3.3 计算问题及各种计算条件的描述
• 3.3.1 计算网格的自动生成
• 3.3.2 计算边界条件及网格逻辑关系
• 3.3.3 计算数据的整理
• 3.4 NAPA 校验
• 3.4.1 NASA37 转子特性曲线分析
• 3.4.2 NASA37 转子内部流动特性分析
• 3.5 小结
• 第四章 风扇转子设计
• 4.1 压气机转子叶片设计
• 4.1.1 多段圆弧中弧线设计
• 4.1.2 叶型厚度分布
• 4.1.3 积叠各叶高叶型生成风扇叶片
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 不同转子方案对比分析
• 4.2.2 选定转子特性曲线分析
• 4.2.3 中弧线优选后转子的设计点流动特征分析
• 4.3 小结
• 第五章 前掠风扇叶片设计
• 5.1 掠型方案设计
• 5.2 前掠风扇数值模拟及分析
• 5.2.1 不同掠角转子特性分析
• 5.2.2 不同前掠角风扇转子流动分析
• 5.3 前缘前掠对风扇性能的影响
• 5.4 小结
• 第六章 微型风扇设计
• 6.1 微型风扇设计
• 6.2 微型风扇计算及结果分析
• 6.2.1 转子内部流动特征与常规转子对比分析
• 6.2.2 微型风扇转子特性分析
• 6.2.3 叶片数对微型风扇性能的影响
• 6.2.4 微型化对风扇性能的影响
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文