進氣畸變下壓氣機性能和穩(wěn)定性三維徹體力模型研究.pdf

1、在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，對氣流變化最為敏感的部件就是風扇/壓氣機，由于進氣畸變造成的風扇/壓氣機氣動穩(wěn)定性嚴重惡化問題引起了國內外研究人員的高度重視，廣泛地開展了研究。針對風扇/壓氣機部件開展進氣畸變試驗研究存在設備造價昂貴、測量手段復雜以及周期性長等缺點，而采用直接數(shù)值模擬或大渦模擬方法來研究進氣畸變問題則需要模擬全通道全尺度流場細節(jié)，耗費大量計算機資源和時間，從目前來看，這兩種方法均不適合在風扇/壓氣機的設計階段進行穩(wěn)定性相關研究。

2、面對當前進氣畸變下高性能風扇/壓氣機穩(wěn)定性分析方法的迫切需求，本文基于徹體力思想建立了一個適用于在壓氣機設計階段分析進氣畸變對風扇/壓氣機性能和穩(wěn)定性影響的三維徹體力計算模型，并以幾個典型的壓氣機為研究對象，對模型進行了詳細的驗證，同時利用模型模擬了各典型壓氣機在多種穩(wěn)態(tài)畸變形式下的性能和穩(wěn)定性，分析了各壓氣機在畸變進氣下不同葉高的抗畸變能力和畸變傳遞特征，最后針對單轉子高速壓氣機NASA Rotor37模擬其在周向總壓畸變下的失速特征

3、和過失速狀態(tài)下的非定常流動現(xiàn)象，進一步深入研究了進氣畸變對風扇/壓氣機內部流動影響的細節(jié)特征，加深了進氣畸變類大尺度擾動對壓縮部件穩(wěn)定性影響的機理認識。本文主要包括以下4部分研究工作：
　　第1部分，建立了一個風扇/壓氣機三維非定常徹體力模型。首先，將徹體力理論與當前的CFD計算優(yōu)勢相結合，發(fā)展出一套基于均勻進氣下三維穩(wěn)態(tài)CFD計算解的壓氣機徹體力提取和參數(shù)關聯(lián)方法并分析總結CFD流場氣流參數(shù)分布，給出徹體力源項在葉片區(qū)內的分布規(guī)

4、律；其次，以“軸對稱特性”為理論基礎，將全葉高的軸對稱左支特性與穩(wěn)態(tài)徹體力特性相結合，組合成了一個全流量范圍內與當?shù)亓鲃訁?shù)相關聯(lián)的徹體力特性；最后，綜合上述技術建立了一個適合于在設計階段進行穩(wěn)定性分析的風扇/壓氣機三維非定常徹體力模型CSAM，可針對單級或多級軸流壓氣機徑向畸變、周向畸變以及復雜組合畸變進行全通道三維模擬和分析。
　　第2部分，編寫了相應的三維徹體力數(shù)值計算程序CSAC，并詳細給出了計算程序所采用的數(shù)值計算方法和

5、格式。通過對單轉子高速壓氣機NASA Rotor37、單級高速壓氣機NASA Stage35以及四級低速軸流壓氣機開展均勻進氣下詳細的CSAC數(shù)值模擬，并與CFD以及試驗結果進行對比分析，驗證了CSAC程序的正確性，驗證內容主要包括三個方面：1）通過對比總體特性，發(fā)現(xiàn)CSAC計算結果與相同條件下的單點CFD計算結果的最大誤差不超過2％，驗證了徹體力源項提取方法的正確性；2）應用CSAC計算不同進口條件下的壓氣機特性并與CFD以及試驗測量

6、結果對比，驗證了源項參數(shù)關聯(lián)的正確性；3）通過對比氣流參數(shù)沿徑向和軸向分布發(fā)現(xiàn)相同位置上CSAC模擬結果與CFD計算以及試驗測量結果的最大誤差不超過4.5%，驗證了徹體力源項在葉片內部三維分布規(guī)律的合理性。
　　第3部分，針對四個典型壓氣機開展了多種穩(wěn)態(tài)畸變模擬，結果顯示：與均勻進氣下CSAC模擬結果相比，在畸變度為11.5%的90度周向總壓畸變下Rotor37的近失速點總壓比下降2.8%，近失速點流量增大3.2%；而同一總壓畸變

7、下Stage35的近失速點總壓比下降3.2%，近失速點流量增大5.3%；進口畸變氣流經(jīng)過轉子前緣截面時表現(xiàn)出明顯的流動再分配現(xiàn)象；總壓畸變經(jīng)過Rotor37的轉子后強度由11%明顯減弱到6%左右；當轉子即將離開畸變區(qū)時，由大攻角引起的葉尖高負荷使得轉子尖部克服流動分離的能力急劇減弱，從而嚴重影響該壓氣機的氣動穩(wěn)定性；低總壓畸變區(qū)的轉子做功增大，導致在轉子出口出現(xiàn)高總溫畸變區(qū)；畸變度為10.75%的90度周向總溫畸變使得Stage35的近

8、失速點壓比下降4.5%，近失速點流量增大2.7%；該總溫畸變經(jīng)過轉子后強度由11%逐漸減弱到7%左右，不同葉高處總溫畸變衰減幅度相差不大；由上述90度總溫總壓畸變在周向上無相位偏差地疊加形成的組合畸變使得Stage35的近失速點總壓比下降6.4%，近失速流量增大4.5%，可見該組合畸變使得壓氣機的氣動性能和穩(wěn)定性均嚴重下降；周向總壓畸變在四級低速軸流壓氣機和三級高速軸流風扇內沿軸向均呈現(xiàn)出線性衰減的特征；周向總壓畸變下由于三級風扇流道的

9、收縮和擴張以及逆壓力梯度的增加，該三級風扇的第三級轉子根部的抗畸變能力迅速減弱，導致其葉根區(qū)域更容易出現(xiàn)氣流分離而造成壓氣機失穩(wěn)；由進氣道唇口氣流分離引起的一般總壓畸變在小流量下對該三級風扇的影響較大，主要是增大了第一級轉子葉尖氣流轉折角，使得第一級轉子葉尖的氣動負荷增加，若超出了其設計所能承受的負荷則容易引起氣流分離，降低風扇的氣動性能和氣動穩(wěn)定性。
　　第4部分，針對單轉子高速軸流壓氣機Rotor37開展了90度周向總壓畸變下

10、的過失速非定常模擬，探索研究了畸變進氣下壓氣機內部的非定常流動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)該壓氣機在周向總壓畸變下的失速先兆為模態(tài)波，完全發(fā)展后的失速為部分葉高失速，失速團占據(jù)約40%葉高，傳播頻率約為轉子轉動頻率的60%，并且失速團在傳播過程中表現(xiàn)出周期性剝離和融合現(xiàn)象。
　　由上述分析結果可見，CSAC程序實現(xiàn)了對單轉子、單級、多級軸流壓氣機多種穩(wěn)態(tài)畸變下性能和穩(wěn)定性的模擬與分析，并詳細給出了進氣畸變下多級軸流壓氣機內主要流動特征和畸變在壓氣機