风扇/轴流压气机最大负荷设计技术探索

论文摘要

无论是国防、民用领域的巨大需求驱动,还是遵循叶轮机气动理论和技术的内在发展逻辑,高负荷叶轮机始终是重要发展趋势,力求最大负荷设计是叶轮机气动理论和设计技术研究的永恒主题。基于对风扇/轴流压气机流动机理及设计流程的认识,本文首次尝试对“什么是最大负荷设计”、“怎样实现最大负荷设计”进行全面地阐释,从基元叶型、叶片基元展向匹配、叶片排排间匹配三个层面分别展示了可使风扇/轴流压气机负荷最大化的技术方向和技术内涵。一、基元叶型方面,大折转角(亚音)、有限分离(超音)设计是最大负荷设计的努力方向。本文发展了适用于以大折转角为特征的低损失亚音叶型设计方法并编制了相应程序。该方法包含叶片造型及准三维流场分析两部分,论文工作侧重于发展一种特定的叶片造型方法,它基于一种专利叶型厚度分布,依靠调整叶型中弧线弯度分布规律实现负荷最大化的目标。二、叶片基元展向匹配方面,本研究从影响负荷最大化的叶身展向积迭(注:原指掠弯是裕度定制的一部分,为方便论述,本文将此统一论述为裕度定制)、叶尖间隙、叶片与端壁角区这三个最重要因素出发,探讨了各因素影响负荷最大化的机理,并由此给出了最大负荷设计过程中的技术措施和努力方向。1)从掌控风扇/轴流压气机裕度方法回顾入手,探析了美国和俄罗斯裕度控制方法及相应特点,结合对“掠/弯”因素的认识提出了裕度定制技术:并开发了能够体现裕度定制思想的二维特性预估方法,可在二维层面下方便快捷地考虑以掠/弯为代表的叶片基元展向积迭以及叶片排间轴向间距带来的影响;2)借鉴Denton关于不可压叶尖泄漏损失的理论分析,推导出适用于可压缩流动的叶尖泄漏掺混损失计算的基本关系式。在仅考虑泄漏掺混损失情况下,对叶尖基元负荷、间隙、泄漏流量系数整体水平及这些参数的弦向分布等因素的影响进行了理论和数值分析。并基于此对风扇/轴流压气机中叶尖流动控制技术进行了阐述和分析,从叶尖泄漏流控制方面为最大负荷设计提供技术指导:3)基于角区流动为叶表与端壁附面层交汇流动的物理认识,假设忽略附面层内二次流影响,并且将角区内三维附面层流动等效为二维附面层,建立了角区流动分离预测模型,提出了角区流动控制技术。依据该模型对目前风扇/轴流压气机设计中采用的各种角区分离控制技术进行了分析。三、叶片排排间匹配方面,除了裕度定制中所涉及的正在日渐成熟的二维、三维定常方法外,缘线匹配是全方位考虑排间匹配的设计自由度。文中以关注不同缘线匹配对压气机的气动、振动影响为出发点,采用数值方法,利用进口边界尾迹和真实叶片两种模型考察了上游叶片尾迹撞击下游叶表的展向轨迹及其在气动和振动方面的影响。研究指出,尽管目前数值模拟研究仍未发现单组缘线匹配存在显著气动影响,但缘线匹配却在控制叶片振动、气动噪声方面显现潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 风扇/轴流压气机发展的历史回顾与发展趋势
• 1.2.1 风扇/轴流压气机流动机理认识
• 1.2.2 风扇/轴流压气机发展历程中的主要特征和线索
• 1.2.2.1 先进设计体系和试验手段
• 1.2.2.2 先进设计思想
• 1.2.2.3 先进材料/结构设计和工艺水平
• 1.2.3 风扇/轴流压气机发展趋势
• 1.3 风扇/轴流压气机最大负荷设计探索
• 1.3.1 风扇/轴流压气机性能要求辨析
• 1.3.2 风扇/轴流压气机最大负荷设计的核心问题
• 1.3.3 风扇/轴流压气机最大负荷设计早期探索
• 1.3.3.1 基元叶型方面最大负荷的实践
• 1.3.3.2 基元展向匹配方面的努力
• 1.3.3.3 叶片排排间匹配方面的探索
• 1.3.4 风扇/轴流压气机最大负荷设计潜力分析
• 1.3.4.1 基元叶型
• 1.3.4.2 基元展向匹配
• 1.3.4.3 叶片排排间匹配
• 1.3.5 风扇/轴流压气机最大负荷设计诠释
• 1.4 本文工作
• 1.4.2 论文主要内容
• 第一篇 基元叶型
• 第二章 大折转角高负荷叶型技术探索
• 2.1 引言
• 2.2 设计方法
• 2.2.1 叶片造型
• 2.2.2 流场分析
• 2.2.2.1 计算程序介绍
• 2.2.2.2 程序验证
• 2.3 某大折转角静叶根部叶型设计
• 2.3.1 设计叶型几何描述
• 2.3.2 数值模拟
• 2.3.3 结果分析
• 2.3.3.1 叶栅总体性能
• 2.3.3.2 叶栅内部流动结构
• 2.4 本章小结
• 第二篇 展向匹配
• 第三章 裕度定制技术及方法
• 3.1 引言
• 3.2 裕度定制技术内涵
• 3.2.1 二维裕度定制循环
• 3.2.2 裕度的三维 CFD验证循环
• 3.3 体现裕度定制思想的二维特性预估方法
• 3.3.1 控制方程
• 3.3.2 控制方程求解方法
• 3.3.3 特性分析的补充条件
• 3.3.3.1 脱轨角模型
• 3.3.3.2 损失模型
• 3.3.3.3 堵塞系数给定
• 3.3.3.4 低雷诺数模型
• 3.3.3.5 掠角修正模型
• 3.3.4 稳定边界判定准则
• 3.3.4.1 堵塞工况判定
• 3.3.4.2 失速工况判定
• 3.3.5 实例验证及结果分析
• 3.3.6 小结
• 3.4 体现裕度定制思想的特性优化方法
• 3.4.1 优化方法
• 3.4.2 某三级轴流压气机气动设计性能优化
• 3.4.2.1 设计点性能优化
• 3.4.2.2 非设计点性能优化
• 3.4.3 小结
• 3.5 二维特性预估软件简介
• 3.6 本章小结
• 第四章 叶尖泄漏控制技术探索
• 4.1 引言
• 4.2 叶尖泄漏掺混损失基本分析
• 4.2.1 物理模型
• 4.2.2 掺混损失计算推导
• 4.2.3 初步分析
• 4.3 数值研究
• 4.3.1 数值模型
• 4.3.2 结果分析
• 4.3.2.1 叶尖载荷大小影响
• 4.3.2.2 叶尖载荷弦向分布影响
• 4.3.2.3 载荷与间隙弦向分布组合影响
• 4.4 叶尖泄漏控制技术
• 4.4.1 叶尖间隙控制
• 4.4.2 叶尖泄漏流动控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 角区分离预测及控制技术探索
• 5.1 引言
• 5.2 角区流动的等效二维附面层模型
• 5.2.1 物理假设
• 5.2.2 模型推导
• 5.2.2.1 吸力面附面层基本方程
• 5.2.2.2 端壁附面层基本方程
• 5.2.2.3 等效二维附面层基本方程
• 5.2.3 角区流动分离预测
• 5.2.4 角区流动分离控制
• 5.2.4.1 吸力面-端壁二面角影响规律
• 5.2.4.2 吸力面-端壁二面角随流导数影响规律
• 5.3 数值研究
• 5.3.1 计算模型
• 5.3.2 数值方法
• 5.3.3 结果分析
• 5.4 讨论
• 5.4.1 关于模型假设
• 5.4.2 关于特殊状况
• 5.5 角区分离控制技术及掠弯叶片应用
• 5.6 本章小结
• 第三篇 排间匹配
• 第六章 缘线匹配非定常流动影响数值探索
• 6.1 引言
• 6.2 缘线匹配简介
• 6.3 Case1:采用压力分布表示的尾迹模型
• 6.3.1 数值模型
• 6.3.1.1 尾迹模型
• 6.3.1.2 缘线匹配方案
• 6.3.1.3 研究意图
• 6.3.2 数值方法
• 6.3.3 数值结果与分析
• 6.3.3.1 总性能结果
• 6.3.3.2 缘线匹配下的非定常流动特征
• 6.3.3.3 缘线匹配下的时均流动特征
• 6.3.3.4 缘线匹配对叶片振动的影响
• 6.4 Case2:采用进口导叶实体叶片的尾迹模型
• 6.4.1 数值模型
• 6.4.1.1 尾迹模型
• 6.4.1.2 缘线匹配方案
• 6.4.2 数值方法
• 6.4.3 数值结果与分析
• 6.4.3.1 总性能结果
• 6.4.3.2 缘线匹配下的非定常流动特征
• 6.4.3.3 缘线匹配下的时均流动特征
• 6.5 本章小结
• 第七章 论文总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 附录A 通流控制方程推导
• 主要符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢