本文關(guān)鍵詞： 相似�；� 低速大尺寸實驗臺 高負荷 軸流壓氣機設(shè)計 流動失穩(wěn) 葉頂泄漏流　出處：《中國科學(xué)院工程熱物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：高負荷軸流壓氣機的設(shè)計,是現(xiàn)代壓氣機的重要發(fā)展趨勢和研究方向。在軸流壓氣機常規(guī)設(shè)計流程中,首先進行一維氣動設(shè)計,得到壓氣機的初始方案后;然后,對其進行三維造型和三維數(shù)值模擬,并根據(jù)計算結(jié)果,對設(shè)計方案進行優(yōu)化;最后對得到的優(yōu)化結(jié)果進行實驗測試。若壓氣機性能不能滿足設(shè)計要求,則需根據(jù)實驗測量結(jié)果進行壓氣機方案的改進。然而,高負荷壓氣機的設(shè)計存在前所未有的困難:一方面,由于高負荷壓氣機轉(zhuǎn)速高,與低負荷壓氣機運行工況相比更為靠近材料強度極限,這對葉片的材料和加工工藝方面都有很高的要求,會導(dǎo)致實驗成本和風(fēng)險提高;另一方面,在測量方面,由于壓氣機壓比高,工質(zhì)密度增大,導(dǎo)致壓氣機通流面積減小,測量空間也小,同時高轉(zhuǎn)速也提高了對測量手段時間分辨率的要求。在這種情況下,一旦高速壓氣機實驗結(jié)果不滿足設(shè)計要求,又無法通過實驗的方法獲得詳細流場,指導(dǎo)壓氣機方案的改進就變得十分困難。因此便需要在高速實驗測試之前引入低速相似模化方法,用低成本、低風(fēng)險、易測量的實驗手段,首先對壓氣機方案進行驗證和優(yōu)化,以提高高速壓氣機實驗的成功率。本文以高負荷軸流壓氣機的設(shè)計優(yōu)化為應(yīng)用背景,對低速相似�；磉M行了研究、發(fā)展和應(yīng)用。低速相似模化國內(nèi)外均已有研究,但當(dāng)前的研究的關(guān)注點主要集中在設(shè)計點的流動損失方面。針對高負荷軸流壓氣機多方面性能設(shè)計優(yōu)化的研究需要,提出了本文的核心科學(xué)問題:如何通過低速相似模化設(shè)計方法實現(xiàn)高負荷壓氣機與低速模型壓氣機在流動穩(wěn)定性方面的相似性。圍繞這一核心科學(xué)問題,按照"需求-理論-實驗臺.設(shè)計.實驗"的思路,開展了一系列研究工作:首先自主設(shè)計了一臺高負荷軸流壓氣機,提出了設(shè)計應(yīng)用中低速相似模化設(shè)計研究的必要性和需求;針對流動穩(wěn)定性相似的需求,根據(jù)葉頂泄漏流模型展開了理論分析和相似性推導(dǎo),獲得了保證流動失穩(wěn)特性相似的相似準(zhǔn)則,并通過對一臺跨音壓氣機部分轉(zhuǎn)速工況的相似�；O(shè)計驗證了其可靠性;設(shè)計并搭建低速大尺寸壓氣機實驗臺和配套的數(shù)據(jù)采集、測量、控制系統(tǒng),為低速模型實驗的開展提供了實驗基礎(chǔ);最后依據(jù)提出的相似準(zhǔn)則和方法,針對對所設(shè)計的高負荷軸流壓氣機部分轉(zhuǎn)速工況進行了相似�；O(shè)計,并開展了數(shù)值模擬與實驗結(jié)合的研究。具體工作內(nèi)容如下:1.高負荷跨音壓氣機氣動設(shè)計的研究針對德國漢諾威大學(xué)某用于機翼邊界層流動控制的超小尺寸,超高負荷軸流壓氣機的設(shè)計需求,展開了一系列研究。開發(fā)了一維氣動設(shè)計程序,完成了壓氣機初始方案的設(shè)計。通過對動葉折轉(zhuǎn)角分布和葉片入口幾何角等參數(shù)進行優(yōu)化,大幅提高了壓氣機設(shè)計方案的總壓比和效率。對壓氣機設(shè)計最終方案多個轉(zhuǎn)速下的流動特性進行了詳細的三維數(shù)值模擬,結(jié)果表明本壓氣機方案在額定轉(zhuǎn)速各項性能滿足設(shè)計要求,但在中低轉(zhuǎn)速下,穩(wěn)定裕度不足。2.低速相似�；O(shè)計理論的研究針對高負荷軸流壓氣機拓寬穩(wěn)定裕度的需要,需設(shè)計流動失穩(wěn)過程與高速原型壓氣機相似的低速模型壓氣機。研究表明泄漏流是觸發(fā)突尖失速先兆的關(guān)鍵性因素,因此根據(jù)Chen泄漏流模型和Bennington主流與泄漏流交界面軸向位置的一維簡化模型進行了模型化分析,提出了保證泄漏流流動特征相似的必要條件和設(shè)計方法。根據(jù)進、出口速度三角形和歐拉公式,對非設(shè)計工況點的相似性進行了理論分析。發(fā)現(xiàn)高速原型壓氣機與低速模型壓氣機壓升特性線斜率的差異主要是由通流形式和出口工質(zhì)密度不同導(dǎo)致的,若想獲得整根壓升特性線與高速原型壓氣機相似的低速模型方案,低速模型壓氣機也需要采用收縮流道的通流形式,且低速壓氣機通道面積收縮比要大于高速原型壓氣機,以彌補兩臺壓氣機出口密度的差異。3.低速大尺寸壓氣機實驗臺和測量方法的研究低速大尺寸壓氣機實驗臺是本項研究的基礎(chǔ)和保障。針對實驗研究需要,提出了多項實驗臺的設(shè)計要求。本實驗臺通過加工工藝的優(yōu)化和機械部件的合理設(shè)計,保證了壓氣機機匣與輪轂的同心度、葉頂間隙的均勻度、節(jié)流過程均勻穩(wěn)定、方便拆卸等多項設(shè)計要求。完成了壓氣機實驗臺測量、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的搭建,實現(xiàn)了實驗臺壓升系數(shù)特性線、效率特性線、動葉進出口動態(tài)流場等的實驗測量。并通過實驗臺上的動態(tài)測量研究了動葉出口流動結(jié)構(gòu)與非定常波動的關(guān)聯(lián)性,驗證了本實驗臺上的動態(tài)測量和分析方法在流場細節(jié)捕捉方面能夠滿足空間和時間分辨率上的要求。4.低速相似�；O(shè)計方法的研究和實驗驗證針對所設(shè)計的高負荷軸流壓氣機60%轉(zhuǎn)速工況進行了低速相似�；O(shè)計和優(yōu)化。首先根據(jù)之前提出的相似�；椒�,進行了低速模型壓氣機的設(shè)計。應(yīng)用反問題設(shè)計程序?qū)ΧS葉型進行設(shè)計,二維葉型的速度系數(shù)分布與目標(biāo)值高度一致。在由二維葉型生成三維葉片的過程中,對展弦比、稠度、葉頂間隙和積疊方式等參數(shù)進行了優(yōu)選,在已有二維葉型的基礎(chǔ)上獲得了相似性最好的低速模型壓氣機方案。低速模型壓氣機和高速原型壓氣機在特性線、葉片表面靜壓系數(shù)和泄漏流特征等方面均具有較好的相似性。最后,在低速大尺寸壓氣機實驗臺上,對低速模型壓氣機方案進行了實驗測量,對數(shù)值模擬結(jié)果進行了驗證。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH453

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本文編號：1500685