论文部分内容阅读
本文以未来高性能航空发动机压气机提高负荷、减轻重量的需求为牵引,采用数值模拟与实验测量相结合的方式,以高负荷叶栅和压气机为研究对象,开展了康达喷气流动控制方法的研究。本文主要有以下四个核心研究内容:(1)明确了康达喷气叶型的关键造型参数及造型方法,编写了适用于任意叶型的康达喷气叶型造型程序;(2)以双圆弧高负荷压气机叶型为研究对象,通过试验设计方法分析了康达喷气各影响参数对其作用效果的影响大小,并通过流场分析明确了其影响机理;(3)通过低速压气机平面叶栅实验,验证了采用康达喷气减少流动损失的有效性;(4)以1.5级高负荷压气机为研究对象,通过减小静子叶片数量来提高推重比,验证了康达喷气技术在三维高负荷压气机静叶中抑制分离、提高效率的有效性。 本文第一部分对叶片表面流动分离控制技术的发展进程和现状进行了回顾和总结,同时对康达喷气与常规附面层喷气技术进行了比较分析。 本文第二部分首先进行了康达喷气叶型造型方法的研究,明确了康达喷气叶型的主要造型参数,并提出了康达喷气叶型造型方法。为保证叶片改型前后进口攻角保持不变,本文采用的康达喷气造型方法仅对叶片吸力面最大厚度之后的局部叶型进行修改,构造曲率一定的康达表面以保证喷气附着在吸力面表面流动。康达喷气叶型的主要造型参数有三个:康达表面半径(R),尾缘与康达表面相切点位置(以角度θ值表示)、重构吸力面与康达表面相切点位置(以角度α值表示)。以Zierke&Detusch双圆弧大折转角叶型为研究对象,采用全因子试验设计方法研究了康达喷气叶型主要造型参数(R、α、θ)及喷气量对康达喷气作用效果的影响。全因子试验设计分析结果表明,θ、R以及喷气量是对总压损失系数、静压升系数影响最大的三个因素。θ和R均通过影响叶型厚度及开缝位置来影响喷气对流场的改善效果。θ越小,R越大时,叶型越厚,开缝位置越靠前,对流动分离的抑制效果越好。喷气量通过影响附面层流体轴向动量的大小来影响其对流动分离的控制效果。在此基础上,本文以流动损失最小为优化目标,采用基于遗传算法的神经网络算法(GA-BP)进行了近似替代模型的构建,并对康达喷气叶型进行了寻优。优化结果表明:最优康达喷气叶型可以在1%喷气量时,使流场的总压损失系数减小19.6%,静压升系数增加5.9%。 本文第三部分以Zierke&Detusch叶栅为研究对象,通过在低速压气机平面叶栅实验台上测量康达喷气叶栅在-3°、0°、3°、5°四个来流攻角下气流折转角及总压损失系数沿周向的分布,验证了采用康达喷气减小流场损失的有效性。通过测量结果表明,在正攻角来流工况下,采用康达喷气可以有效减小叶栅通道的流动损失。在5°来流攻角下,采用1%喷气量的康达喷气,可以使中部叶高截面的总压损失系数减少32%。 本文第四部分探索了使用康达喷气流动控制方法改善由于静叶叶片数减少造成的流动分离加剧和流动损失增大的问题。本文将某1.5级高负荷压气机静叶叶片数量由31个减为20个,来实现推重比的进一步增加,研究了采用不同喷气量(0.5%,1%和1.5%)的康达喷气方法对压气机流动稳定性及气动性能参数的影响。在研究的三个喷气量中,综合考虑总压损失的减小、级效率的提高与喷气自身的效率,建议采用1%喷气量。采用1%喷气量时,与叶片数量减少前、后的原型流场相比,无论是在最高效率工况点还是近失速工况点,均可以有效抑制流动分离、降低静子流道总压损失系数、提高压气机效率,但静压升系数仅与20个原型叶片流场的近失速工况点相比有所提高。在近失速工况,50%叶高的熵产率分析结果表明,喷气对流场损失的改善效果,取决于喷气加入引起的附面层低能流体与主流的掺混损失、喷气与附面层流体的掺混损失、尾迹掺混损失的改变量的相对大小。采用康达喷气后,会在喷气缝后形成“二次扩压段”,且随着喷气量的增加,二次扩压的能力越强,因此静压升系数随喷气量的增加而增加。 综上所述,本文通过数值与实验研究验证了康达喷气控制方法在抑制流动分离方面的有效性。研究结果表明,康达喷气叶型的两个几何参数θ和R以及喷气量是影响康达喷气控制效果的关键因素。无论是二维双圆弧叶型还是三维高负荷压气机静叶叶片,在不可压缩和可压缩来流条件下,在大正攻角来流工况下,康达喷气控制方法均能有效抑制分离,减小流动损失,提高静压升系数。随着喷气量的增加,考虑喷气输入能量的总压损失系数均呈先减小后增加的趋势,静压升系数随喷气量的增加而增大。在所研究的三个喷气量中,总压损失系数均在1%喷气量时取得最小值,静压升系数均在1.5%喷气量时取得最大值。