【摘要】：隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)向高推重比和高功率重量比方向發(fā)展,壓氣機(jī)除了要具有優(yōu)異的氣動(dòng)性能之外,還需要具有良好的結(jié)構(gòu)方案。新穎和好的結(jié)構(gòu)方案不僅能夠?yàn)閴簹鈾C(jī)氣動(dòng)性能的改進(jìn)和提高提供有力的支持,還可以使壓氣機(jī)的零部件數(shù)量適當(dāng)減少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸向及外廓尺寸小和重量輕,而具有這樣結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的壓氣機(jī)能夠顯著減輕航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的整體重量,從而有效提高現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的推重比和功率重量比。 基于激波壓縮技術(shù)的旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子這種具有新穎結(jié)構(gòu)的壓縮系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中融合了超聲速進(jìn)氣道中所用的激波壓縮技術(shù)與傳統(tǒng)軸流式和離心式壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù),與常規(guī)壓氣機(jī)相比,具有單級(jí)壓比高、壓縮效率高、產(chǎn)生損失的氣動(dòng)面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸向長(zhǎng)度短和重量輕的優(yōu)點(diǎn)。這種新型壓縮系統(tǒng)本身所固有的優(yōu)點(diǎn)使對(duì)于飛行狀態(tài)比較固定且對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)流量要求不大的航空飛行器和船舶、車(chē)載及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)有著令人期待的應(yīng)用前景。因此,對(duì)其開(kāi)展全面、深入的研究就具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文首先對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的總體方案進(jìn)行了研究,提出了三種輪盤(pán)結(jié)構(gòu)形式的中空軸旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案,給出了旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu)參數(shù),探討了旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子可能采用的泄漏密封措施和轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)所確定的旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子總體結(jié)構(gòu)參數(shù),特別是旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子輪緣進(jìn)氣流道的總體結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)并數(shù)值研究了二元超聲速內(nèi)壓式進(jìn)氣道的流場(chǎng)及性能,在研究中重點(diǎn)考慮了喉部與進(jìn)口高度比、擴(kuò)壓角、背壓和來(lái)流馬赫數(shù)對(duì)二元超聲速內(nèi)壓式進(jìn)氣道的影響情況。隨著喉部與進(jìn)口高度比的增加,進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)有先增大后減小的趨勢(shì),適當(dāng)?shù)臄U(kuò)壓角有利于進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)的提高,背壓對(duì)進(jìn)氣道的性能和出口氣流參數(shù)分布的均勻性影響較大;來(lái)流馬赫數(shù)的增加會(huì)造成進(jìn)氣道總壓恢復(fù)系數(shù)的降低。 在二維超聲速內(nèi)壓式進(jìn)氣流道設(shè)計(jì)及數(shù)值研究的基礎(chǔ)上,借鑒二維超聲速進(jìn)氣道設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子二維進(jìn)氣流道,并重點(diǎn)研究了壓縮面形狀、喉部長(zhǎng)高比、轉(zhuǎn)速和背壓對(duì)二維進(jìn)氣流道中波系結(jié)構(gòu)、內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)和性能的影響。在本文的研究條件下,凸曲線壓縮面二維進(jìn)氣流道綜合性能最好,直線壓縮面二維進(jìn)氣流道綜合性能次之,拋物線壓縮面旋二維進(jìn)氣流道綜合性能最差。 選擇綜合性能相對(duì)較好的凸曲線壓縮面二維進(jìn)氣流道設(shè)計(jì)方案作為藍(lán)本,通過(guò)參數(shù)化柱面螺線方程和CAD軟件設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子三維進(jìn)氣流幾何模型,并采用全三維數(shù)值模擬方法對(duì)其設(shè)計(jì)及非設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)和性能進(jìn)行了數(shù)值仿真。隨著轉(zhuǎn)速的增加,旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子三維進(jìn)氣流道的增壓比不斷提高,而其絕熱效率卻不斷降低;背壓增加時(shí)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子三維進(jìn)氣流道的增壓比逐漸提高,其絕熱效率總體上卻有先增大后減小的趨勢(shì);與常規(guī)軸流壓氣機(jī)不同,旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的特性曲線垂直于流量坐標(biāo)軸;為了提高旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的總體性能,除了需要在增壓比和絕熱效率之間進(jìn)行合理的折衷選擇外,還要對(duì)三維進(jìn)氣流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和波系優(yōu)化配置,這也有利于降低進(jìn)氣流道出口的絕對(duì)速度。 論文的最后對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的起動(dòng)問(wèn)題和發(fā)展前景進(jìn)行了討論。
【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】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：TH45

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本文編號(hào)：2796152