【摘要】：隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高,高負(fù)荷單級壓氣機(jī)的流動(dòng)與損失問題成為研究熱點(diǎn)。葉柵負(fù)荷的提高意味著粘性效應(yīng)、逆壓梯度、非定常特性以及復(fù)雜的幾何構(gòu)型主導(dǎo)了流場以復(fù)雜的分離流動(dòng)與旋渦結(jié)構(gòu)為主要特征,而上述典型流動(dòng)從根本上影響著壓氣機(jī)的工作性能。因此,在葉柵負(fù)荷提高的前提下如何通過合理選取設(shè)計(jì)參數(shù)及其匹配關(guān)系,有效組織端區(qū)二次流動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定流動(dòng),是提升高負(fù)荷葉柵性能需要解決的關(guān)鍵問題。彎曲葉片通過改變端區(qū)壓力場合理有效的組織三維流動(dòng)改善和提升葉柵性能。彎葉片在常規(guī)葉柵設(shè)計(jì)參數(shù)選擇范圍內(nèi)的基礎(chǔ)研究和工程設(shè)計(jì)工作已經(jīng)表明:彎葉片對壓氣機(jī)葉柵和多級壓氣機(jī)整體性能的提升有著顯著效果。但是,在非常規(guī)葉柵參數(shù)范圍內(nèi),彎曲葉片和葉柵設(shè)計(jì)參數(shù)的耦合作用對端區(qū)壓力場、附面層發(fā)展機(jī)制、旋渦組成及其發(fā)展機(jī)制、角區(qū)分離控制方法、葉柵阻塞和失速工況下的流場特征的影響仍然有待探討。本文借助彎葉片對端區(qū)壓力場的重構(gòu)作用,采用經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果校核的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了大量的彎曲葉柵方案計(jì)算。分析了不同葉柵參數(shù)下彎曲葉柵流場結(jié)構(gòu)的影響,探討非常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍下的高負(fù)荷流動(dòng)中的附面層、旋渦運(yùn)動(dòng)的發(fā)展機(jī)制及其控制機(jī)理;建立彎葉片設(shè)計(jì)參數(shù)和傳統(tǒng)關(guān)鍵葉柵設(shè)計(jì)參數(shù)與葉柵損失、端區(qū)流動(dòng)間的依變關(guān)系。首先分析了葉片彎曲對葉柵流場結(jié)構(gòu)的演化及葉柵損失的影響。結(jié)果表明:角區(qū)分離為開式分離的低負(fù)荷葉柵中,端區(qū)損失的主要來源是通道渦卷吸端壁附面層內(nèi)低能流體產(chǎn)生的高損失。正彎葉片增強(qiáng)了葉片徑向壓力梯度,削弱吸力面分離渦,但前緣馬蹄渦增強(qiáng),前緣進(jìn)口段附面層增厚,端壁損失增加;同時(shí)柵內(nèi)端壁上氣流的橫向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),導(dǎo)致葉柵通道渦增強(qiáng),通道渦起始位置前移,強(qiáng)度和尺度增加。通道渦卷積的低能流體產(chǎn)生的高損失及尾緣脫落渦內(nèi)低能流體產(chǎn)生的葉型損失占據(jù)主導(dǎo),因此葉片彎曲無法獲得積極效果。隨著負(fù)荷的增加,馬蹄渦和通道渦增強(qiáng),角區(qū)分離由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)變,吸力面分離渦和集中脫落渦增強(qiáng),分離起始點(diǎn)前移。葉柵高損失主要來源于吸力面分離渦和集中脫落渦。葉片正彎后,盡管端壁橫向壓力梯度繼續(xù)增強(qiáng),橫向二次流增強(qiáng),尺度和強(qiáng)度增強(qiáng),尾緣回流強(qiáng)度和范圍增加,但有效削弱了角區(qū)分離流動(dòng),減小吸力面分離渦和集中脫落渦,使葉柵損失有效降低,提升葉柵的擴(kuò)壓能力。沖角進(jìn)一步增加,角區(qū)分離突變?yōu)榻菂^(qū)失速甚至葉柵失速。正彎葉片推遲了角區(qū)失速的發(fā)生,吸力面上分離形式由角區(qū)閉式分離轉(zhuǎn)變?yōu)槲γ嫖簿壏蛛x,葉展中部低能流體嚴(yán)重堆積,造成葉柵總損失的增加。葉柵失速后,端壁回流前移至前緣,通道渦消失,但尾緣出口出現(xiàn)柱狀的流向渦,卷積低能流體流出葉柵,葉柵損失繼續(xù)增加,損失主要來源于吸力面分離渦和流向渦與葉展中部附面層的摻混。其次,分析不同參數(shù)對葉柵流場結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的影響。(1)稠度降低,葉柵負(fù)荷增強(qiáng),橫向壓力梯度增強(qiáng)。大負(fù)沖角下,角區(qū)分離流動(dòng)較弱,稠度降低,相鄰葉片距離減小,角區(qū)分離流動(dòng)強(qiáng)度減弱,通道渦起始位置略有后移,葉柵損失減小;隨著沖角增加,葉柵負(fù)荷增強(qiáng),角區(qū)分離流動(dòng)增強(qiáng),吸力面分離渦和集中脫落渦增強(qiáng),葉柵損失增加。(2)展弦比降低顯著增加了吸力面分離渦和集中脫落渦的尺度,但渦量強(qiáng)度略有降低;馬蹄渦吸力面分支耗散位置向下游遷移,但壓力面分支耗散消失位置前移;通道渦的的起始位置前移,但其強(qiáng)度略有減弱。葉柵損失的主要來源吸力面低能流體的堆積造成葉柵負(fù)荷降低,靜壓升降低。正彎葉片減小了吸力面分離渦和集中脫落渦強(qiáng)度和尺度,同時(shí)增強(qiáng)了通道渦。隨著展弦比降低,通道渦起始位置后移,強(qiáng)度和尺度有所減小,通道渦造成的損失降低。(3)進(jìn)口馬赫數(shù)增加,附面層的發(fā)展速度降低,但葉柵角區(qū)分離流動(dòng)增強(qiáng),因此存在一個(gè)使葉柵損失最小的進(jìn)口馬赫數(shù)。正彎葉片減小角區(qū)分離流動(dòng),最佳彎角隨進(jìn)口馬赫數(shù)的增加而增大。(4)幾何折轉(zhuǎn)角增加,葉柵負(fù)荷增加,葉柵角區(qū)分離流動(dòng)增強(qiáng),角區(qū)分離由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)變。葉片彎曲增強(qiáng)了徑向壓力梯度,減小了角區(qū)分離流動(dòng),使分離流動(dòng)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)變。特別是在大負(fù)荷葉柵條件下(低稠度、低展弦比、大折轉(zhuǎn)角)正彎葉片能夠有效降低葉柵端區(qū)二次流損失,恢復(fù)端區(qū)葉柵擴(kuò)壓能力,提升葉柵工作性能,但同時(shí)葉展中部葉型損失有所增加。最后,分析葉柵幾何及氣動(dòng)參數(shù)及葉片彎曲對葉柵最小損失沖角,最小損失沖角下擴(kuò)壓因子和總壓損失系數(shù)以及臨界沖角、臨界沖角下性能參數(shù)和正沖角穩(wěn)定工作范圍間的影響。運(yùn)用回歸分析的方法建立相應(yīng)的最小損失沖角關(guān)系式,擴(kuò)壓因子關(guān)系式和總壓損失系數(shù)關(guān)系式,建立彎葉片設(shè)計(jì)參數(shù)和傳統(tǒng)關(guān)鍵葉柵設(shè)計(jì)參數(shù)與性能參數(shù)的依變關(guān)系,較為準(zhǔn)確預(yù)測彎曲葉柵的最小損失沖角及該工況下葉柵性能。葉片彎曲打破了直葉片柵內(nèi)參數(shù)的平衡關(guān)系,豐富了葉柵的設(shè)計(jì)方案。最小損失沖角下,正彎葉片能夠獲得更高的擴(kuò)壓,更低的損失和更少的葉片數(shù)。將設(shè)計(jì)工況葉柵性能參數(shù)與葉柵正沖角穩(wěn)定工作范圍結(jié)合分析,揭示高負(fù)荷寬工作范圍彎曲葉片設(shè)計(jì)方案的參數(shù)匹配關(guān)系。結(jié)果表明,低稠度、低展弦比的高負(fù)荷葉柵中采用正彎葉片能夠在保證設(shè)計(jì)工況擴(kuò)壓能力的條件下既減小設(shè)計(jì)工況葉柵損失,減小葉片數(shù),又能擴(kuò)大葉柵穩(wěn)定工作范圍,為高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵設(shè)計(jì)提供一定技術(shù)支撐。
【圖文】：

下端壁角區(qū)也存在角區(qū)分離流動(dòng)，甚至在近堵塞工況（大流量、小生角區(qū)分離流動(dòng)，但此時(shí)近堵塞點(diǎn)產(chǎn)生的分離流動(dòng)強(qiáng)度很小，范圍流動(dòng)損失較小，，如圖 1-1 所示。Wingold[16]開展的三級壓氣機(jī)實(shí)表面的分離流譜也驗(yàn)證了這一結(jié)論，在后面級靜葉中存在嚴(yán)重的

道渦一起發(fā)展，并位于通道渦上方，且與通道渦旋向相反，且在壓力面與端壁角存在壁角渦，如圖 1-10 所示。WangHaipng[38]基于前面學(xué)者研究給出的多渦結(jié)模型的演變過程，給出了較為完整的渦輪葉柵的旋渦模型結(jié)構(gòu)，其中包括了馬蹄（吸力面分支和壓力面分支）、進(jìn)口邊壁角渦(吸力面和壓力面)、通道渦及其誘渦、吸力面壁角渦、壓力面壁角渦，如圖 1-11 所示。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V231

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2671979