【摘要】：燃氣輪機是航空飛行器和水面艦艇的優(yōu)秀動力,高性能壓氣機的研制是提高燃氣輪機性能的方向之一。旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子利用激波可以實現(xiàn)對氣流的間斷性高效壓縮,具有壓比高、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點,然而在旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場中存在激波-激波以及激波-附面層相互干涉及其所誘導的氣流分離等復雜流動現(xiàn)象,這是造成流動損失和壓氣機性能降低的主要原因,因而探索降低旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子內(nèi)部由于激波和附面層及其相互作用所造成的流動損失的相關(guān)研究方法是提高燃氣輪機功重比、降低油耗率的重要方面,具有廣泛的理論意義和應用前景。本文以旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子為研究對象,首先獲得其內(nèi)部包括激波、氣流分離等在內(nèi)的詳細流場結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn):隔板尾緣氣流分離形成的低速團、隔板吸力面附面層和S1流面激波相互作用,使得靠近隔板吸力面?zhèn)鹊牧黧w堵塞較為嚴重。泄漏流在遇到結(jié)尾激波/激波串后,在近機匣附近形成了較大范圍的低能流體區(qū)。由泄漏所引起的流動損失是旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子流動損失的主要來源。在內(nèi)部流場分析的基礎(chǔ)上,重構(gòu)輪轂壓縮面和擴壓面,重點關(guān)注壓縮面和擴壓面的起始和終止角度對壓縮轉(zhuǎn)子波系結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):壓縮面型線的變化主要影響喉部之前波系的強弱和位置。擴壓面型線的變化不會影響到喉部之前的流場,通過改變擴壓面附近的流道擴張程度進而影響壓升與氣流分離特性。然后,借鑒常規(guī)葉輪機械葉片造型和彎掠設計思路,對旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子隔板葉型進行重新構(gòu)造,關(guān)注葉型型式、前緣氣動掠和隔板后段傾斜對旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子流場和性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):壓力面為等厚度直線、吸力面前/后部為二次曲線的壓縮轉(zhuǎn)子方案性能最佳。最大厚度起始點越靠后,其性能相對更好。而當最大終止點后移時,總壓比和絕熱效率均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。掠的引入能夠改變S1流面前緣激波的位置,進而影響隔板壓力面附近的流場和激波結(jié)構(gòu)。前掠使前緣激波和入射激波更容易分開,其隔板頂部負荷最小,有利于降低流動損失并提高絕熱效率。后掠方案則使前緣激波和入射激波在近前緣附近更容易合并成一道更強的激波,增加隔板前部的氣動負荷,提高總壓比。隔板采用傾斜設計能夠影響內(nèi)部激波系的強度和位置、吸力面附面層低能流體的徑向輸運和堆積。保持頂部型面與原型一致的傾斜隔板方案反射激波和激波串向上游移動,其總壓比達到2.902,比原型增加2.338%。.保持根部型面與原型一致的傾斜隔板方案激波系位置后移,能夠推遲隔板吸力面附近的氣流分離,隔板后部葉頂角區(qū)的堵塞受到抑制,其絕熱效率為0.726,比原型提升了 0.462%。最后,對子午流道型式展開研究,分析子午面的不同收縮與擴張型式對旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的總壓比和絕熱效率的影響。結(jié)果表明:子午面為縮擴型式的壓縮轉(zhuǎn)子方案其流道前段氣流馬赫數(shù)的降低減弱了激波及其與附面層的相互作用所引起的流動損失,明顯降低了流道內(nèi)高損失區(qū)的范圍和強度�？倝罕冗_到2.937,與原型相比提升了 2.075%;絕熱效率達到0.748,比原型提高3.160%。隨著收縮角度的增加,旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子總壓比和絕熱效率都呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。當擴張角增加時,總壓比逐漸提升,絕熱效率則呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。收縮角和擴張角同時變化時,子午前段的收縮對旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的流場起主要作用。收縮/擴張角增加時,旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子性能按先增后減的規(guī)律變化。
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK474.8
【圖文】：

邐酬逡逑圖１．１邋Ｗｅｉｓｅ超聲速壓氣機方案邐圖１．２邋Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ內(nèi)激波式超聲速壓氣機［２８］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ邋ｂｙ邋Ｗｅｉｓｅ邋Ｆｉｇ．邋１．２邋ｓｈｏｃｋ－ｉｎ－ｔｙｐｅ邋ｒｏｔｏｒ邋ｂｙ邋Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ１２８１邋＇逡逑二十世紀四五十年代，美國ＮＡＣＡ開展了邋一系列超聲速壓氣機研宄，Ｋａｍｒ0ｗｉｔＺｅｌ２８，２９】逡逑針對三種超聲壓氣機速度三角形進行了簡單的討論，提出一種內(nèi)激波式超聲速壓氣機轉(zhuǎn)逡逑子（圖１．２），隨后用氟利昂作為工質(zhì)進行試驗，壓比達到１．８，效率達到８３％，驗證了逡逑該超聲速壓氣機的有效性。隨后為了驗證其在空氣中的性能，ＲｉｔｔｅｒＷｉ和ＪｏｈｎＳｅｎ［３１］設逡逑計了外徑２４英寸葉尖切線速度不同的超聲速壓氣機轉(zhuǎn)子，與文獻［２９］中的壓氣機相似，逡逑但結(jié)構(gòu)更加精細，不同轉(zhuǎn)速下的試驗結(jié)果如圖】．３所示，其最大壓比能夠達到２．０８，效逡逑率也有０．７９，后續(xù)ＨａｒｔｍａｍｉＰｌ又對該壓氣機開展了有無進口導葉的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進口逡逑導葉的存在降低了流道的擴壓程度

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【參考文獻】

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本文編號：2745687