【摘要】：軸向縫類機(jī)匣處理是軸流壓氣機(jī)中一種有效的擴(kuò)穩(wěn)手段,目前還沒有形成普適的設(shè)計(jì)方法。為此,本文提出基于葉尖動量輸運(yùn)分析的設(shè)計(jì)策略,通過對壓氣機(jī)葉尖泄漏流及處理縫開口流場間的動量輸運(yùn)進(jìn)行計(jì)算和分析,根據(jù)擴(kuò)穩(wěn)和效率目標(biāo)將其轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)變量描述,從而得出基于流場定制的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。首先利用帶有半圓縫機(jī)匣處理設(shè)計(jì)的跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子以及自行設(shè)計(jì)圓弧斜縫機(jī)匣處理的低速壓氣機(jī)的性能及流場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對縫類機(jī)匣處理非定常計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證;在低速壓氣機(jī)中采用動態(tài)壓力傳感器及粒子圖像測速技術(shù)對細(xì)節(jié)流場進(jìn)行測量,建立了軸流壓氣機(jī)中縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上,以跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)為例,自行提出了葉尖-處理縫動量輸運(yùn)分析方法,通過在機(jī)匣處理縫開口對各向動量進(jìn)行定義,對處理縫開口的三維速度場進(jìn)行解構(gòu)。然后針對跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、一級半高亞聲速壓氣機(jī)以及低速壓氣機(jī)共三臺葉尖負(fù)荷與設(shè)計(jì)不同的典型壓氣機(jī),對包括半圓縫、直線斜縫、圓弧斜縫和軸向折彎縫共四大類的縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析,最終揭示了軸向縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)的擴(kuò)穩(wěn)及損失機(jī)理,提出了普適的低損失軸向縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)策略。本文主要結(jié)論如下:(1)對于低速壓氣機(jī)和一級半高亞聲速壓氣機(jī)來說,葉尖失速分別是由尾緣回流和前緣溢流引起。采用合理的軸向縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)后都分別改善了近失速流場,起到了擴(kuò)穩(wěn)目的。對于跨聲速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子來說,轉(zhuǎn)子葉尖激波-泄漏渦干涉誘發(fā)螺旋式渦破碎,造成大面積堵塞,來流-泄漏流交界面前移,誘發(fā)葉尖失速的發(fā)生。半圓縫機(jī)匣處理通過影響葉尖泄漏流分布,抑制了激波-泄漏渦干涉,改善了葉尖動量平衡,從而拓寬失速裕度。(2)縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)提高峰值效率的兩個途徑分別是降低葉尖進(jìn)口周向絕對速度,使來流形成“負(fù)預(yù)旋”,為轉(zhuǎn)子帶來額外的輸入功;增大泄漏流弦向速度、減小弦長法向速度,降低泄漏流與主流之間的摻混損失。(3)基于動量輸運(yùn)分析方法可以得出軸向縫類機(jī)匣處理的設(shè)計(jì)策略。處理縫軸向疊合率及前部長度是影響縫類機(jī)匣處理設(shè)計(jì)擴(kuò)穩(wěn)效果和效率損失的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),其最佳值在近失速工況下是使得機(jī)匣處理縫前部有效的射流軸向動量達(dá)到最大值,在峰值效率工況下是使得機(jī)匣處理縫前部徑向摻混損失盡量小,同時(shí)保證處理縫前部的切向動量分量能夠使葉尖來流形成“負(fù)預(yù)旋”。
【圖文】：

氣渦輪發(fā)動機(jī)以其先進(jìn)性和復(fù)雜性成為一個國家科技水平、軍標(biāo)志之一，被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的明珠[1, 2]，歐美各國都把發(fā)展航發(fā)展的重點(diǎn)之一[3-5]。德國 MTU 公司已成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了增壓比壓壓氣機(jī)，正在探索壓比為 20 左右的 6 級高壓壓氣機(jī)[6, 7]。美國制總壓比為 55~60 的新型發(fā)動機(jī)[5]。歐美合作的 CFMI 公司在 比為 14.7 的 6 級高壓壓氣機(jī)。與目前生產(chǎn)型的 CFM56 發(fā)動機(jī)CH56 計(jì)劃的高壓壓氣機(jī)級壓比由 1.31 提高到 1.57，性能明顯的不斷提升對風(fēng)扇/壓氣機(jī)級的設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。更更少的級數(shù)上實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷就成為風(fēng)扇/壓氣機(jī)研制過程中所壓氣機(jī)級的負(fù)荷越高，對其穩(wěn)定工作裕度條件的要求也越加苛提高壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度之間存在著一定的矛盾。發(fā)動機(jī)的穩(wěn)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)與失速邊界之間可能的流量和壓比變化范圍決定的這個范圍也就是失速裕度過小，一旦壓縮系統(tǒng)進(jìn)入非穩(wěn)定流動振，，將導(dǎo)致十分嚴(yán)重的后果。因而穩(wěn)定工作裕度已成了高性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

博士學(xué)位論文 葉尖的流動狀況及失速機(jī)理息息相關(guān)的。其中，葉尖泄漏流動是“關(guān)鍵流動現(xiàn)象，對壓氣機(jī)性能及穩(wěn)定工作裕度有著重要影響。本節(jié)將其與泄漏流的關(guān)系這兩方面了解壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖流動的研究進(jìn)展。機(jī)旋轉(zhuǎn)失速及失速先兆輪機(jī)械發(fā)明以來，旋轉(zhuǎn)失速與喘振便是壓氣機(jī)中兩類最具災(zāi)難性的流重制約著壓氣機(jī)的性能及穩(wěn)定工作范圍，以其流動的復(fù)雜性和后果以來困擾葉輪機(jī)械研究人員的熱點(diǎn)問題[19]。旋轉(zhuǎn)失速或喘振一旦發(fā)生迅速惡化，重則發(fā)動機(jī)熄火，甚至造成葉片疲勞斷裂，導(dǎo)致整臺發(fā)是一種非軸對稱的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，通常發(fā)生在喘振之前，且有可能。當(dāng)壓氣機(jī)流量減小到一定程度，轉(zhuǎn)子通道中會出現(xiàn)一個或若干個失以低于轉(zhuǎn)速的角速度（通常為 20%-80%轉(zhuǎn)速，方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相形成非軸對稱的脈動，如圖 1-3所示[9]。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH453

【參考文獻(xiàn)】

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1 董旭;劉小華;孫大坤;孫曉峰;;旋轉(zhuǎn)畸變條件下新型機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)效果試驗(yàn)[J];航空學(xué)報(bào);2014年09期

2 劉寶杰;張志博;于賢君;;軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖泄漏堵塞特性的試驗(yàn)研究[J];航空學(xué)報(bào);2013年12期

3 鄒正平;周琨;王鵬;綦蕾;張偉昊;姚李超;邵飛;;大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)渦輪內(nèi)部流動機(jī)理及氣動設(shè)計(jì)技術(shù)研究進(jìn)展[J];航空制造技術(shù);2012年13期

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5 張皓光;楚武利;吳艷輝;蘇中亮;;軸向傾斜縫機(jī)匣處理影響壓氣機(jī)性能的機(jī)理[J];推進(jìn)技術(shù);2010年05期

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9 陳懋章;劉寶杰;;風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢——用于大型客機(jī)的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)[J];航空動力學(xué)報(bào);2008年06期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 杜娟;跨音壓氣機(jī)/風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉頂泄漏流動的非定常機(jī)制研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2010年

2 鄧向陽;壓氣機(jī)葉頂間隙流的數(shù)值模擬研究[D];中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）;2006年

本文編號：2693803