【摘 要】
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民用航空发动机大修周期长、可靠性高,在长期航线运行过程中的性能衰变问题不容忽视。钛合金在风扇转子叶片中得到了广泛地应用,虽然目前已逐步产生了更为轻质的复合材料叶片,但钛合金叶片的现有存量和未来使用量仍将占有重要比重。风扇转子叶片作为发动机的前端部件,率先遭受被吸入外来颗粒物的冲蚀作用等,造成叶片弦长的减少、前缘的变形和叶尖间隙的扩大。侵蚀作用将会增加发动机运行成本和安全风险,因此研究钛合金风扇转子
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民用航空发动机大修周期长、可靠性高,在长期航线运行过程中的性能衰变问题不容忽视。钛合金在风扇转子叶片中得到了广泛地应用,虽然目前已逐步产生了更为轻质的复合材料叶片,但钛合金叶片的现有存量和未来使用量仍将占有重要比重。风扇转子叶片作为发动机的前端部件,率先遭受被吸入外来颗粒物的冲蚀作用等,造成叶片弦长的减少、前缘的变形和叶尖间隙的扩大。侵蚀作用将会增加发动机运行成本和安全风险,因此研究钛合金风扇转子叶片的侵蚀效应并且对侵蚀叶片进行气动性能分析和优化设计研究具有重要的学术意义和应用价值。本文以大涵道比发动机CFM56-7B风扇转子叶片为研究对象,对侵蚀叶片前缘形貌做了测量并用简化的前缘模型进行数值模拟计算。本文主要研究的内容分为两部分:第一部分是研究前缘侵蚀前后大涵道比发动机风扇叶片的流场与气动参数的变化;第二部分是对前缘侵蚀的大涵道比发动机风扇叶片进行优化设计并找到对叶片气动性能提升最多的优化方案。首先分别使用UG软件建立了120μm侵蚀叶片模型和250μm侵蚀叶片模型;之后用再造型软件对250μm侵蚀叶片模型进行再造型得到优化后的叶片;最后借助商业软件NUMECA进行网格的划分和数值模拟计算。计算结果表明,侵蚀对叶片的整体性能有着很大的影响,等熵效率和总压比都有着一定的下降,且随着侵蚀程度加深而降低的气动参数呈现线性增加。跨音速叶片前缘会形成激波,侵蚀叶片会使得激波增强和前移。侵蚀造成弦长减小并形成钝型前缘,钝型前缘引起周围流动的变化,导致边界层增厚。在叶顶处泄漏流程度就会加剧,体现就是在叶顶部产生更加宽阔的高熵区。在详细的分析前缘侵蚀造成的影响之后,对前缘侵蚀造成的危害有了一定的认识,对比分析了再造型之后叶片的气动性能和流场的变化,得到结论如下:再造型之后的叶片前缘得到了重构,等熵效率和总压比得到了恢复,稳定工作裕度甚至超过了原始叶片;气流速度保持稳定,径向偏移与原始叶片一致,激波的位置和强度得到恢复;再造型之后的叶片由于激波强度得到了恢复,所以附面层也随之变薄,尾迹的形状还原;气流损失动能未到达高熵区形成的条件,由于叶间扰动的减弱,新涡流消失且叶间整体涡量得到恢复。
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