進(jìn)氣畸變下壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性三維徹體力模型研究.pdf

1、在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，對氣流變化最為敏感的部件就是風(fēng)扇/壓氣機(jī)，由于進(jìn)氣畸變造成的風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化問題引起了國內(nèi)外研究人員的高度重視，廣泛地開展了研究。針對風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件開展進(jìn)氣畸變試驗(yàn)研究存在設(shè)備造價(jià)昂貴、測量手段復(fù)雜以及周期性長等缺點(diǎn)，而采用直接數(shù)值模擬或大渦模擬方法來研究進(jìn)氣畸變問題則需要模擬全通道全尺度流場細(xì)節(jié)，耗費(fèi)大量計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間，從目前來看，這兩種方法均不適合在風(fēng)扇/壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行穩(wěn)定性相關(guān)研究。

2、面對當(dāng)前進(jìn)氣畸變下高性能風(fēng)扇/壓氣機(jī)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(gè)適用于在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)階段分析進(jìn)氣畸變對風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能和穩(wěn)定性影響的三維徹體力計(jì)算模型，并以幾個(gè)典型的壓氣機(jī)為研究對象，對模型進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證，同時(shí)利用模型模擬了各典型壓氣機(jī)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(jī)在畸變進(jìn)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(zhuǎn)子高速壓氣機(jī)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(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步深入研究了進(jìn)氣畸變對風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)影響的細(xì)節(jié)特征，加深了進(jìn)氣畸變類大尺度擾動(dòng)對壓縮部件穩(wěn)定性影響的機(jī)理認(rèn)識(shí)。本文主要包括以下4部分研究工作：
　　第1部分，建立了一個(gè)風(fēng)扇/壓氣機(jī)三維非定常徹體力模型。首先，將徹體力理論與當(dāng)前的CFD計(jì)算優(yōu)勢相結(jié)合，發(fā)展出一套基于均勻進(jìn)氣下三維穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算解的壓氣機(jī)徹體力提取和參數(shù)關(guān)聯(lián)方法并分析總結(jié)CFD流場氣流參數(shù)分布，給出徹體力源項(xiàng)在葉片區(qū)內(nèi)的分布規(guī)

4、律；其次，以“軸對稱特性”為理論基礎(chǔ)，將全葉高的軸對稱左支特性與穩(wěn)態(tài)徹體力特性相結(jié)合，組合成了一個(gè)全流量范圍內(nèi)與當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)參數(shù)相關(guān)聯(lián)的徹體力特性；最后，綜合上述技術(shù)建立了一個(gè)適合于在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行穩(wěn)定性分析的風(fēng)扇/壓氣機(jī)三維非定常徹體力模型CSAM，可針對單級或多級軸流壓氣機(jī)徑向畸變、周向畸變以及復(fù)雜組合畸變進(jìn)行全通道三維模擬和分析。
　　第2部分，編寫了相應(yīng)的三維徹體力數(shù)值計(jì)算程序CSAC，并詳細(xì)給出了計(jì)算程序所采用的數(shù)值計(jì)算方法和

5、格式。通過對單轉(zhuǎn)子高速壓氣機(jī)NASA Rotor37、單級高速壓氣機(jī)NASA Stage35以及四級低速軸流壓氣機(jī)開展均勻進(jìn)氣下詳細(xì)的CSAC數(shù)值模擬，并與CFD以及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了CSAC程序的正確性，驗(yàn)證內(nèi)容主要包括三個(gè)方面：1）通過對比總體特性，發(fā)現(xiàn)CSAC計(jì)算結(jié)果與相同條件下的單點(diǎn)CFD計(jì)算結(jié)果的最大誤差不超過2％，驗(yàn)證了徹體力源項(xiàng)提取方法的正確性；2）應(yīng)用CSAC計(jì)算不同進(jìn)口條件下的壓氣機(jī)特性并與CFD以及試驗(yàn)測量

6、結(jié)果對比，驗(yàn)證了源項(xiàng)參數(shù)關(guān)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(jié)果與CFD計(jì)算以及試驗(yàn)測量結(jié)果的最大誤差不超過4.5%，驗(yàn)證了徹體力源項(xiàng)在葉片內(nèi)部三維分布規(guī)律的合理性。
　　第3部分，針對四個(gè)典型壓氣機(jī)開展了多種穩(wěn)態(tài)畸變模擬，結(jié)果顯示：與均勻進(jìn)氣下CSAC模擬結(jié)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(diǎn)總壓比下降2.8%，近失速點(diǎn)流量增大3.2%；而同一總壓畸變

7、下Stage35的近失速點(diǎn)總壓比下降3.2%，近失速點(diǎn)流量增大5.3%；進(jìn)口畸變氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子前緣截面時(shí)表現(xiàn)出明顯的流動(dòng)再分配現(xiàn)象；總壓畸變經(jīng)過Rotor37的轉(zhuǎn)子后強(qiáng)度由11%明顯減弱到6%左右；當(dāng)轉(zhuǎn)子即將離開畸變區(qū)時(shí)，由大攻角引起的葉尖高負(fù)荷使得轉(zhuǎn)子尖部克服流動(dòng)分離的能力急劇減弱，從而嚴(yán)重影響該壓氣機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性；低總壓畸變區(qū)的轉(zhuǎn)子做功增大，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)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(diǎn)壓比下降4.5%，近失速點(diǎn)流量增大2.7%；該總溫畸變經(jīng)過轉(zhuǎn)子后強(qiáng)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(diǎn)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(jī)的氣動(dòng)性能和穩(wěn)定性均嚴(yán)重下降；周向總壓畸變在四級低速軸流壓氣機(jī)和三級高速軸流風(fēng)扇內(nèi)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(fēng)扇流道的

9、收縮和擴(kuò)張以及逆壓力梯度的增加，該三級風(fēng)扇的第三級轉(zhuǎn)子根部的抗畸變能力迅速減弱，導(dǎo)致其葉根區(qū)域更容易出現(xiàn)氣流分離而造成壓氣機(jī)失穩(wěn)；由進(jìn)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(fēng)扇的影響較大，主要是增大了第一級轉(zhuǎn)子葉尖氣流轉(zhuǎn)折角，使得第一級轉(zhuǎn)子葉尖的氣動(dòng)負(fù)荷增加，若超出了其設(shè)計(jì)所能承受的負(fù)荷則容易引起氣流分離，降低風(fēng)扇的氣動(dòng)性能和氣動(dòng)穩(wěn)定性。
　　第4部分，針對單轉(zhuǎn)子高速軸流壓氣機(jī)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(jìn)氣下壓氣機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)該壓氣機(jī)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(tuán)占據(jù)約40%葉高，傳播頻率約為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的60%，并且失速團(tuán)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(jié)果可見，CSAC程序?qū)崿F(xiàn)了對單轉(zhuǎn)子、單級、多級軸流壓氣機(jī)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(xì)給出了進(jìn)氣畸變下多級軸流壓氣機(jī)內(nèi)主要流動(dòng)特征和畸變在壓氣機(jī)