本文關(guān)鍵詞：高速壓氣機低速模化相似準(zhǔn)則及軸向縫機匣處理流動機理研究

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【摘要】：軸流壓氣機的性能和穩(wěn)定性很大程度決定了整個航空發(fā)動機的總體性能。目前先進(jìn)的葉片設(shè)計技術(shù)已經(jīng)能大幅度提升壓氣機氣動性能。然而,穩(wěn)定性問題仍是嚴(yán)重制約高性能壓氣機發(fā)展的瓶頸。機匣處理作為簡單且有效的被動控制技術(shù),在工程中得到廣泛應(yīng)用。但受限于壓氣機內(nèi)部流動機理尚未得到根本澄清,機匣處理設(shè)計很難形成普適方法,因此在針對特定壓氣機設(shè)計時需要大量試驗建立數(shù)據(jù)庫,時間和成本高昂。同時,在高速壓氣機上進(jìn)行機匣處理試驗具有很高的風(fēng)險。為了降低試驗周期和風(fēng)險,本文將采用新的研究途徑,針對高負(fù)荷壓氣機在部分轉(zhuǎn)速下不存在激波的工況,通過建立相似準(zhǔn)則設(shè)計低速大尺寸模型壓氣機,將難度大、尺寸小的高速機匣處理轉(zhuǎn)換至低速大尺寸壓氣機上開展研究,將是摸清原型機內(nèi)部復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)及相關(guān)機理的可能途徑。目前低速大尺寸模型壓氣機已經(jīng)成功應(yīng)用于高速壓氣機設(shè)計方法研究,而據(jù)作者所知,圍繞機匣處理在高速與低速壓氣機上的相似性研究鮮見報道。因此,本文研究思路也就面臨一些挑戰(zhàn)：一方面,如何保證高速與低速壓氣機上機匣處理具有相似的流動規(guī)律；另一方面,在低速模型機上篩選出同時兼顧效率與穩(wěn)定裕度的機匣處理返回至高速原型機能否取得類似的效果。針對以上科學(xué)問題,本文的研究路線是：首先建立�；嗨茰�(zhǔn)則,對高速壓氣機轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速�；O(shè)計,保證低速與高速壓氣機內(nèi)部流場相似。通過在低速壓氣機上對機匣處理開展詳實研究,摸清機匣處理下葉頂端區(qū)流動損失變化,并進(jìn)一步澄清擴穩(wěn)機理。進(jìn)而,設(shè)計出能兼顧壓氣機效率和失速裕度的機匣處理優(yōu)化方案,通過相似變換最終應(yīng)用回高速壓氣機進(jìn)行效果驗證。圍繞這一研究思路,本文主要工作內(nèi)容開展如下：1.高速壓氣機轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況的低速�；瘻�(zhǔn)則與設(shè)計方法研究本文選擇跨音壓氣機J69轉(zhuǎn)子在65%轉(zhuǎn)速下的峰值效率點作為研究工況,放棄馬赫數(shù)相似,建立針對跨音單轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況點的�；嗨茰�(zhǔn)則,設(shè)計了具有相似流動特性的低速大尺寸壓氣機。通過對高速壓氣機轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值求解,選取無量綱氣動參數(shù)和幾何參數(shù),建立低速�；繕�(biāo)。以高速葉型壓力／速度系數(shù)分布為目標(biāo),對低速壓氣機進(jìn)行氣動設(shè)計,并自主搭建立式低速大尺寸軸流壓氣機實驗臺。先后通過數(shù)值模擬和實驗測量對低速壓氣機�；Y(jié)果進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明,低速壓氣機總體性能滿足設(shè)計要求,內(nèi)部流場參數(shù)的總體分布規(guī)律與設(shè)計目標(biāo)基本一致,低速模型壓氣機能夠較好的反映高速原型機內(nèi)部流動特點。2.軸向縫對低速壓氣機設(shè)計工況葉頂端區(qū)流動損失影響機理的研究為了設(shè)計出同時兼顧效率和穩(wěn)定性的機匣處理方案,以軸向縫這類實際應(yīng)用最廣泛的機匣處理形式作為研究對象,針對軸向縫幾何參數(shù)對低速壓氣機設(shè)計點效率的影響開展研究。本文選取熵產(chǎn)作為表征壓氣機內(nèi)部流動損失的物理量,以動葉葉頂端區(qū)控制體為研究手段,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對動葉葉頂端區(qū)流動損失進(jìn)行了量化,并對軸向縫開口面上的流動參數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,軸向縫的縫數(shù)、縫深和縫寬等幾何參數(shù)通過影響其開口面上的流動參數(shù)來改變?nèi)~頂端區(qū)流動損失的分布。同時,葉頂端區(qū)的總損失越高,壓氣機設(shè)計點效率降低越多,說明了壓氣機效率與葉頂端區(qū)流動損失密切相關(guān)。通過在低速壓氣機上對篩選軸向縫方案進(jìn)行實驗驗證,證明了數(shù)值模擬較為合理的預(yù)測了軸向縫對壓氣機效率的影響規(guī)律。3.低速壓氣機近失速點葉頂端區(qū)的相似性分析與軸向縫擴穩(wěn)研究機匣處理的主要設(shè)計目的是提高壓氣機的失速裕度,根據(jù)本團隊對于葉尖先失速的一類壓氣機,主流／泄漏流交界面自轉(zhuǎn)子前緣溢出觸發(fā)失速的機理,提出決定主流／泄漏流交界面位置的動力學(xué)內(nèi)因是端區(qū)軸向動量分布。采用控制體積分法,將葉頂端區(qū)軸向動量沿軸向依次累加得到分布曲線。結(jié)果表明,對于所研究的低速壓氣機,葉頂端區(qū)累加軸向動量曲線的頂點能夠反映主流／泄漏流交界面的時空平均位置,可以采用動量分析法對軸向縫擴穩(wěn)能力進(jìn)行快速判斷。由于此方法是基于近失速點葉頂端區(qū)軸向動量的分布,于是對低速與高速壓氣機近失速點下葉頂端區(qū)流動進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)二者葉頂負(fù)載分布仍具有較好的相似性,最終導(dǎo)致累加軸向動量分布曲線基本一致。在此基礎(chǔ)上,通過對比篩選軸向縫下葉頂累加軸向動量曲線峰值的大小和位置,快速評估了不同方案的擴穩(wěn)效果。進(jìn)一步,通過對軸向縫開口面上軸向動量徑向輸運進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)軸向縫擴穩(wěn)效果與其開口面上軸向動量輸運的劇烈程度密切相關(guān)。4.低速軸向縫優(yōu)化方案的高速�；约霸诟咚賶簹鈾C上的效果驗證根據(jù)軸向縫幾何參數(shù)對低速壓氣機設(shè)計點效率和穩(wěn)定性的影響,對軸向縫幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并分別通過數(shù)值模擬和實驗測量對優(yōu)化方案的效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明,優(yōu)化方案在保證壓氣機設(shè)計點效率的同時,還具有較好的擴穩(wěn)能力。在此基礎(chǔ)上,選取軸向縫幾何參數(shù)的無量綱形式作為相似變量,通過幾何變換確定了高速壓氣機軸向縫優(yōu)化方案。通過數(shù)值研究表明,優(yōu)化方案在高速壓氣機上對峰值效率和穩(wěn)定性的影響效果與相應(yīng)低速方案是等效的。其中,對于被�；姆逯敌使r,高速與低速軸向縫方案開口面上流動參數(shù)的分布規(guī)律是相似的；對于偏離被�；c的近失速工況,高速壓氣機葉頂端區(qū)軸向動量分布和開口面上動量輸運情況與低速方案有所不同,但是對擴穩(wěn)效果的影響趨勢相同。
【關(guān)鍵詞】：軸流壓氣機 軸向縫機匣處理 相似準(zhǔn)則 控制體方法 流動損失 擴穩(wěn)裕度
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V233
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 緒論18-38
• 1.1 研究背景與意義18-20
• 1.2 壓氣機�；椒ǖ难芯窟M(jìn)展20-24
• 1.2.1 相似原理20-21
• 1.2.2 亞聲速線化流動的相似法則21-22
• 1.2.3 高壓壓氣機低速�；椒�22-24
• 1.3 動葉端區(qū)與軸流壓氣機效率和穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)24-29
• 1.3.1 動葉端區(qū)與軸流壓氣機效率的關(guān)聯(lián)24-26
• 1.3.2 動葉端區(qū)與軸流壓氣機穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)26-29
• 1.4 軸向縫機匣處理研究進(jìn)展29-34
• 1.4.1 機匣處理技術(shù)的產(chǎn)生29-31
• 1.4.2 軸向縫擴穩(wěn)機理的研究31-33
• 1.4.3 軸向縫幾何參數(shù)與其作用效果的關(guān)聯(lián)33-34
• 1.5 本文的研究思路與科學(xué)問題34-36
• 1.6 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排36-38
• 2 低速大尺寸軸流壓氣機試驗系統(tǒng)38-50
• 2.1 引言38
• 2.2 低速大尺寸軸流壓氣機實驗臺38-43
• 2.2.1 實驗臺總體設(shè)計38-41
• 2.2.2 實驗臺部件設(shè)計41-43
• 2.3 數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)43-48
• 2.4 本章小結(jié)48-50
• 3 高速壓氣機轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況低速�；椒ǖ难芯�50-86
• 3.1 引言50-51
• 3.2 高速壓氣機轉(zhuǎn)子的低速�；繕�(biāo)建立51-65
• 3.2.1 高速壓氣機轉(zhuǎn)子簡介51-52
• 3.2.2 壓氣機內(nèi)部流動控制方程組52-55
• 3.2.3 數(shù)值模擬方案55-60
• 3.2.3.1 通道數(shù)的確定56
• 3.2.3.2 網(wǎng)格劃分和計算參數(shù)設(shè)置56-57
• 3.2.3.3 湍流模型的選取57-58
• 3.2.3.4 網(wǎng)格獨立性驗證58-60
• 3.2.4 高速轉(zhuǎn)子參數(shù)分析60-65
• 3.2.4.1 氣動參數(shù)分析60-64
• 3.2.4.2 幾何參數(shù)分析64-65
• 3.3 低速模型壓氣機氣動設(shè)計65-76
• 3.3.1 設(shè)計參數(shù)選取65-66
• 3.3.2 低速葉型設(shè)計66-69
• 3.3.3 低速轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬與相似性分析69-76
• 3.4 低速模型壓氣機實驗驗證76-83
• 3.4.1 測量方案76-79
• 3.4.1.1 總體性能測量76-77
• 3.4.1.2 轉(zhuǎn)子進(jìn)出口測量77-79
• 3.4.2 低速與高速壓氣機相似性分析79-83
• 3.4.2.1 總體性能參數(shù)79
• 3.4.2.2 轉(zhuǎn)子進(jìn)出口參數(shù)79-83
• 3.5 本章小結(jié)83-86
• 4 低速壓氣機軸向縫機匣處理對端區(qū)流動損失影響機理的研究86-104
• 4.1 引言86
• 4.2 軸向縫設(shè)計方案86-88
• 4.3 數(shù)值模擬方案88-90
• 4.4 壓氣機內(nèi)部流動損失的度量90-91
• 4.5 軸向縫對葉頂端區(qū)流動損失的影響機理91-102
• 4.5.1 軸向縫對設(shè)計點效率的影響91-92
• 4.5.2 軸向縫對葉頂端區(qū)流動損失的影響92-100
• 4.5.2.1 動葉葉頂端區(qū)控制體的建立方法92-93
• 4.5.2.2 軸向縫對葉頂端區(qū)流動損失分布的影響93-95
• 4.5.2.3 軸向縫開口面特征流動參數(shù)與葉頂端區(qū)損失分布的關(guān)系95-100
• 4.5.3 軸向縫方案的篩選與實驗驗證100-102
• 4.6 本章小結(jié)102-104
• 5 低速壓氣機近失速點葉頂流場相似性分析與軸向縫擴穩(wěn)研究104-118
• 5.1 引言104-105
• 5.2 動葉葉頂端區(qū)軸向動量控制體分析方法105-109
• 5.2.1 動葉葉頂端區(qū)的軸向動量105-106
• 5.2.2 低速壓氣機內(nèi)部流動穩(wěn)定性與葉頂端區(qū)軸向動量的關(guān)聯(lián)106-109
• 5.3 低速與高速壓氣機近失速點葉頂端區(qū)流動相似性分析109-113
• 5.3.1 葉頂端區(qū)累加軸向動量曲線對比109-110
• 5.3.2 葉頂端區(qū)壓力分布相似性分析110-113
• 5.4 軸向動量分析方法對軸向縫擴穩(wěn)效果與機理研究113-116
• 5.4.1 軸向縫機匣處理擴穩(wěn)效果的快速評估113-114
• 5.4.2 軸向縫擴穩(wěn)效果的實驗驗證114-115
• 5.4.3 軸向縫開口面軸向動量輸運與擴穩(wěn)效果的關(guān)聯(lián)115-116
• 5.5 本章小結(jié)116-118
• 6 低速壓氣機機匣處理優(yōu)化及在高速壓氣機上的效果驗證118-132
• 6.1 引言118
• 6.2 低速壓氣機軸向縫機匣處理優(yōu)化118-122
• 6.2.1 軸向縫優(yōu)化方案確定118-119
• 6.2.2 優(yōu)化方案數(shù)值分析119-121
• 6.2.3 優(yōu)化方案實驗驗證121-122
• 6.3 軸向縫機匣處理在高速壓氣機上的效果驗證122-129
• 6.3.1 軸向縫幾何方案確定123-124
• 6.3.2 數(shù)值模擬方案124-125
• 6.3.3 高速壓氣機機匣處理效果數(shù)值驗證125-129
• 6.4 本章小結(jié)129-132
• 7 總結(jié)與展望132-138
• 7.1 全文內(nèi)容總結(jié)132-135
• 7.2 本文創(chuàng)新點135
• 7.3 工作展望135-138
• 主要符號說明138-142
• 參考文獻(xiàn)142-150
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)論文與獲獎情況150-152
• 致謝152

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