跨聲速壓氣機(jī)動(dòng)葉三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、燃?xì)廨啓C(jī)作為一種先進(jìn)而復(fù)雜的高新技術(shù)密集型產(chǎn)品，代表了多理論學(xué)科和多工程領(lǐng)域發(fā)展的綜合水平。集新技術(shù)、新材料、新工藝于一身的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家高技術(shù)水平和科技實(shí)力的重要標(biāo)志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。壓氣機(jī)作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大核心部件之一，其性能優(yōu)劣對(duì)整機(jī)性能影響巨大，世界各國(guó)都把對(duì)壓氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)作為改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的重要途徑。提高壓氣機(jī)的單級(jí)負(fù)荷，增加動(dòng)葉圓周速度，能減少壓氣機(jī)級(jí)數(shù)、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)軸向尺寸和減輕重量。所以，研制高負(fù)荷

2、跨聲速壓氣機(jī)已成為壓氣機(jī)的發(fā)展方向。然而，追求更高的級(jí)壓比往往與壓氣機(jī)的高效率和高穩(wěn)定工作裕度之間存在矛盾，高負(fù)荷、低展弦比的發(fā)展趨勢(shì)使得壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)三維效應(yīng)增強(qiáng)，流動(dòng)損失增加。因此，認(rèn)識(shí)跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，分析其損失來(lái)源及影響跨聲速壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的關(guān)鍵因素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精心的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能得到性能優(yōu)越的高負(fù)荷跨聲速壓氣機(jī)。
　　本文以單級(jí)跨聲速壓氣機(jī)動(dòng)葉為研究對(duì)象，研究其內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)在不同工況時(shí)的變化情況，分析其

3、損失來(lái)源及影響壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明，該跨聲速壓氣機(jī)動(dòng)葉在根部、中間葉高及頂部附近都存在效率較低的區(qū)域。近失速工況時(shí)，葉頂間隙泄漏渦與激波/附面層相互作用導(dǎo)致葉頂間隙泄漏渦的破裂，低能流體在此處聚集并阻塞流道，是導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況的主要原因。為了提高該跨聲速壓氣機(jī)的壓比、效率及穩(wěn)定工作范圍。在保證流量不變的情況下，采用遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。選取動(dòng)葉根部、5％葉高、50％葉高、95％葉

4、高及頂部截面葉型進(jìn)行葉片參數(shù)化造型，不改變壓氣機(jī)輪轂、機(jī)匣型線及葉型的積疊方式，僅改變動(dòng)葉葉型安裝角、前尾緣楔角及吸力面控制點(diǎn)參數(shù)，采用拉丁超立方樣本選取方法得到樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最終得到性能較好的優(yōu)化葉型OPT1和OPT2。結(jié)果表明，OPT1與原型相比，效率提高0.91％，壓比提高0.52％;OPT2與原型相比，效率提高0.80％，壓比提高1.04％。對(duì)比原型與優(yōu)化葉型及其內(nèi)部詳細(xì)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，減小

5、50％葉高葉型安裝角，同時(shí)增大95％葉高葉型安裝角，增大葉片扭轉(zhuǎn)程度，能改變激波在葉片頂部的位置，使激波向葉片尾緣方向移動(dòng)。延后激波/附面層與葉頂間隙泄漏流的作用位置。結(jié)合調(diào)整吸力面型線及前尾緣楔角，能有效控制壓氣機(jī)動(dòng)葉表面載荷分布，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子的壓比和效率。
　　本研究抽取原型及優(yōu)化葉型OPT1的5％葉高、50％葉高及95％葉高截面葉型，在來(lái)流馬赫數(shù)為0.5～0.9范圍內(nèi)進(jìn)行了平面葉柵實(shí)驗(yàn)，分析葉型變化對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的影響規(guī)律，研究

6、原型與優(yōu)化葉型不同葉高截面葉型的沖角特性。結(jié)果表明，5％葉高時(shí)，優(yōu)化葉型的最小損失沖角向負(fù)沖角方向移動(dòng)，并且優(yōu)化葉型對(duì)葉片角區(qū)分離的控制要優(yōu)于原型;50％葉高時(shí)，二者的沖角損失特性較為相似，但優(yōu)化葉型的穩(wěn)定沖角范圍要高于原型;95％葉高時(shí)，優(yōu)化葉型的最小損失沖角向正沖角方向移動(dòng)，穩(wěn)定沖角范圍增大，但對(duì)角區(qū)分離的控制要弱于原型。在所研究的馬赫數(shù)范圍內(nèi)，優(yōu)化葉型最小總壓損失系數(shù)要小于原型。為了將平面葉柵研究結(jié)果應(yīng)用于動(dòng)葉的三維葉型設(shè)計(jì)，將平

7、面葉柵實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果與三維動(dòng)葉數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，探討了不同轉(zhuǎn)速下動(dòng)葉三維造型對(duì)葉柵性能的影響。在0.6倍設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，平面葉柵與三維動(dòng)葉的5％葉高與50％葉高的總壓損失系數(shù)、出口氣流角及葉片表面靜壓結(jié)果基本一致，95％葉高時(shí)受葉頂間隙泄漏流的影響，三維動(dòng)葉的總壓損失增加，泄漏流與葉片表面附面層作用使得吸力面葉片表面靜壓升高。在對(duì)比出口馬赫數(shù)時(shí)，三維動(dòng)葉的出口馬赫數(shù)均高于平面葉柵，表明三維造型能減少氣流的動(dòng)能損失。1.0倍設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速

8、時(shí)，動(dòng)葉三維造型對(duì)葉柵性能影響較大，對(duì)總壓損失、出口馬赫數(shù)、出口氣流角的分布規(guī)律的影響與0.6倍設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)類(lèi)似。在5％葉高時(shí)，三維動(dòng)葉與平面葉柵流場(chǎng)參數(shù)的差別主要是由離心力和流道收縮引起的，離心力的存在能減弱流道收縮時(shí)產(chǎn)生的逆向壓力梯度，削弱激波強(qiáng)度，變激波為壓縮波，導(dǎo)致三維動(dòng)葉根部損失小于平面葉柵。50％葉高時(shí)，二者流道收縮程度基本一致，主要差別為離心力，離心力、激波與附面層相互作用在30％葉高以上形成了徑向分離渦并向葉頂方向逐漸擴(kuò)大