【摘要】：高負(fù)荷一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所追求的目標(biāo),因此探索如何控制高負(fù)荷所導(dǎo)致的大尺度流動(dòng)分離已經(jīng)成為葉輪機(jī)械氣體動(dòng)力學(xué)研究中的重要課題。將葉片彎曲技術(shù)與端壁射流式旋渦發(fā)生器技術(shù)相結(jié)合的方法,可為高負(fù)荷葉柵在實(shí)際壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供一條極具潛力的途徑。本文通過數(shù)值模擬手段研究了大折轉(zhuǎn)角有/無端壁射流式旋渦發(fā)生器的彎曲擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),射流激勵(lì)方式分為穩(wěn)態(tài)激勵(lì)和脈沖激勵(lì)兩種。首先,在零沖角和參考附面層(入口總壓沿徑向均勻分布)的來流條件下,采用基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段得出了端壁穩(wěn)態(tài)射流分別在正、反彎葉柵當(dāng)中取得最佳控制效果時(shí)所對(duì)應(yīng)的射流參數(shù),結(jié)果表明,端壁穩(wěn)態(tài)射流主要通過以下三種方式來改善彎曲葉柵內(nèi)的流場(chǎng):第一,為壁面附近低能流體注入動(dòng)量;第二,在流道內(nèi)靠近吸力面一側(cè)產(chǎn)生一個(gè)流向旋渦,該旋渦在葉柵端壁上產(chǎn)生一條分離線,阻擋了端壁上橫向遷移的低能流體到達(dá)吸力面,從源頭上抑制了壓氣機(jī)葉柵內(nèi)三維流動(dòng)分離的產(chǎn)生;第三,該流向旋渦與通道渦具有相反的旋向,因而對(duì)于通道渦的強(qiáng)度有一定的削弱作用。其中,正彎葉柵吸力面上的流動(dòng)分離現(xiàn)象幾乎消失,反彎葉柵角區(qū)內(nèi)的流動(dòng)分離范圍也得到有效減小,其總損失最大降低程度分別為2.7%和9.1%。在此基礎(chǔ)上,又分析了變來流沖角以及變來流附面層分布條件下,端壁穩(wěn)態(tài)射流在彎曲葉柵內(nèi)的作用效果。研究結(jié)果表明,隨著來流沖角或來流附面層厚度的增加,總體來說,葉柵內(nèi)流動(dòng)分離程度增加,因而為穩(wěn)態(tài)射流改善葉柵內(nèi)流場(chǎng)提供了更大的空間,射流所引起的損失降低程度也是增加的,并且不同來流條件下射流對(duì)于葉柵內(nèi)流場(chǎng)的改善機(jī)理與零沖角下類似。負(fù)沖角工況下,由于彎曲葉柵內(nèi)的流動(dòng)分離程度較小,因此,射流對(duì)于流場(chǎng)的改善效果有限,正彎葉柵中由于射流所產(chǎn)生的摻混損失過大,導(dǎo)致總損失增加了1%,反彎葉柵內(nèi)總損失也僅降低了2.9%。正沖角工況下,在正彎葉柵當(dāng)中,射流作用之后,葉柵吸力面上的流動(dòng)分離均得到有效抑制,損失降低程度隨沖角的增加而增加,其中,在+10°沖角下,損失降低程度最大,為9.27%。對(duì)于反彎葉柵,隨著沖角從-5°增加到+7°,射流所引起的損失降低程度逐漸增加,最大降低程度達(dá)到了19.75%;在+10°沖角下,由于角區(qū)內(nèi)流動(dòng)分離范圍太大以至幾乎貫穿于整個(gè)葉高,因此端壁射流很難再發(fā)揮出正效果,導(dǎo)致?lián)p失增加了1.37%。隨著來流附面層厚度或附面層內(nèi)速度虧損程度的增加,射流在正彎葉柵內(nèi)所引起的損失降低程度增加,最大降低值為8%。在反彎葉柵當(dāng)中,相對(duì)于參考來流附面層條件下,附面層厚度增加后,射流所引起的損失降低程度由9.1%增加到12.5%,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增厚附面層或增加附面層內(nèi)的速度虧損程度,損失降低程度幾乎保持不變,這意味著在本文所給定的射流參數(shù)下,端壁射流在反彎葉柵內(nèi)的作用效果已經(jīng)達(dá)到極限。同時(shí),為了更清晰地詮釋彎曲葉片和穩(wěn)態(tài)射流技術(shù)相結(jié)合的流動(dòng)控制機(jī)理,在本文中引入了拓?fù)淅碚搶?duì)葉柵內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行分析,結(jié)果表明流動(dòng)控制技術(shù)可將壓氣機(jī)葉柵吸力面及端壁上的鞍點(diǎn)-螺旋點(diǎn)型分離結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為鞍點(diǎn)-結(jié)點(diǎn)型分離,或轉(zhuǎn)化為正常點(diǎn)-結(jié)點(diǎn)型分離,這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均能夠抑制擴(kuò)壓葉柵內(nèi)大尺度分離或旋渦的產(chǎn)生,從而降低葉柵內(nèi)的損失,這也是彎曲葉片和穩(wěn)態(tài)射流技術(shù)相結(jié)合能夠有效控制擴(kuò)壓葉柵吸力面上集中脫落渦形成的最本質(zhì)原因。最后,分別在0°和+7°沖角下,討論了端壁脈沖射流在正、反彎葉柵內(nèi)的作用效果及機(jī)理。結(jié)果表明在文中所給出的激勵(lì)射流條件下,無論是在0°還是+7°沖角下,脈沖射流在正、反彎葉柵內(nèi)均可以引起時(shí)均總損失的降低。其作用機(jī)理與穩(wěn)態(tài)射流相似,主要也是通過在流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生流向旋渦以及為邊界層注入動(dòng)量來改善葉柵內(nèi)的流場(chǎng),但是脈沖射流產(chǎn)生了一對(duì)旋向相反的流向旋渦。其中,正彎葉柵內(nèi)通道渦的發(fā)展得到有效抑制;在反彎葉柵當(dāng)中,集中脫落渦的強(qiáng)度和尺寸均得到有效降低。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文柵流道內(nèi)二次流渦系當(dāng)中最早出現(xiàn)的旋渦，且存在于所有的工況之中道內(nèi)的通道渦相互作用時(shí)，引起了巨大的損失，當(dāng)沖角增大時(shí)，渦與響變得更加劇烈，損失也隨之增加。由以上的研究成果可以看出，若想將大折轉(zhuǎn)角的擴(kuò)壓葉柵應(yīng)用于實(shí)際一些流動(dòng)控制手段作為輔助。Korotygin 等人[36]對(duì)某高負(fù)荷三級(jí)壓氣機(jī)型設(shè)計(jì)從而提高該壓氣機(jī)的失速裕度。如圖 1-1 所示，第一種改型方列靜葉 S3 采取串列葉柵的設(shè)計(jì)方案。第二種改型方案為在原型級(jí)內(nèi)加氣系統(tǒng)，將引氣管路置于機(jī)匣內(nèi)，氣體在前后級(jí)壓差的作用下從第三達(dá)第一列靜葉 S1 當(dāng)中。研究結(jié)果表明，加入主動(dòng)控制技術(shù)的壓氣機(jī)比，失速裕度提高了 3.6%~5.6%，與采用串列葉柵技術(shù)的壓氣機(jī)相比提高了 0.25%~3.3%。

射流氣體在吸力面與壓力面壓差的作用下被噴射入葉柵流道當(dāng)中個(gè)流向旋渦，該旋渦可從主流運(yùn)輸動(dòng)量到邊界層內(nèi)從而抑制流動(dòng)分離且降失。作者還討論了不同射流參數(shù)對(duì)于作用效果的影響以及變來流沖角下的效性。結(jié)果表明，在最優(yōu)的射流參數(shù)組合方案之中，在零沖角和正沖角來下，總損失分別降低了 5.2%和 8%。陳紹文等人[42]為確定一套可合理應(yīng)用于高負(fù)荷低反動(dòng)度吸附式壓氣機(jī)面層抽吸方案，深入地討論了抽吸孔位置、尺寸以及抽吸流量的變化對(duì)于果的影響。如圖 1-3 所示，主要設(shè)置兩套抽吸方案，第一套方案在第一級(jí)下端壁和吸力面上均設(shè)置抽吸孔，第二套方案在前一套方案基礎(chǔ)上，在下也開了孔，，在這兩種方案當(dāng)中，抽吸率是不同的。結(jié)果表明，由于方案二葉的上端壁也開了抽吸孔，因而控制效果優(yōu)于方案一；合理的增加抽吸率控制效果變好；在最優(yōu)的抽吸方案之中，等熵效率提高了 4.4%，同時(shí)總壓了 0.5%，此時(shí)總抽吸流量為葉柵入口流量的 0.38%。為了可以比較有針對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)加以改善，對(duì)擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的三維流動(dòng)分離以及旋渦結(jié)構(gòu)進(jìn)的認(rèn)識(shí)是非常有必要的。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V232

【參考文獻(xiàn)】

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2 劉永泉;劉太秋;季路成;;航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展的若干問題與思考[J];航空學(xué)報(bào);2015年08期

3 劉華坪;陳煥龍;李德雄;郭玉杰;程肖岐;陳浮;;射流旋渦發(fā)生器控制大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵二次流[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年04期

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5 凌敬;杜鑫;王松濤;王仲奇;;擴(kuò)壓葉柵最佳彎葉片生成線與稠度的關(guān)系[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年08期

6 陳紹文;孫士s

本文編號(hào)：2664238