高負荷擴壓葉柵附面層抽吸對分離流動控制研究.pdf

1、航空發(fā)動機的發(fā)展決定著我國航空事業(yè)的水平，只有航空發(fā)動機達到了先進水平，航空事業(yè)才能不斷發(fā)展進步。作為航空發(fā)動機中重要部件之一的壓氣機的氣動性能的高低也是影響航空發(fā)動機性能的關鍵因素。隨著壓氣機負荷的增加，葉柵內(nèi)的流動分離情況也逐漸加劇，使得高負荷壓氣機的設計變得較困難。為了解決這一難題，MIT提出了“吸附式壓氣機”的概念，而國內(nèi)哈工大王松濤教授則提出了只在靜葉中進行附面層抽吸的高負荷低反動度吸附式壓氣機設計概念。由于該類壓氣機動葉采用

2、了低反動度設計，因此其下游與之相匹配的靜葉負荷將會升高，故在靜葉中需要采用附面層抽吸技術來控制靜葉柵中的分離流動，提高壓氣機的氣動性能。本文選擇了亞音速和跨音速兩種低反動度單級壓氣機的靜葉進行附面層抽吸，研究附面層抽吸對該壓氣機靜葉內(nèi)分流流動的控制及氣動性能的影響。為了使得數(shù)值計算結果更具有工程實際應用性，本文在靜葉中設計了葉片空腔、抽吸孔或抽吸槽以及端壁引氣腔等結構。
　　本文選擇Stage35來進行數(shù)值計算方法驗證，網(wǎng)格數(shù)為1

3、00萬，采用k-ε湍流模型。通過將數(shù)值計算結果與實驗結果進行對比，證明本文采用k-ε湍流模型計算得到的結果是可靠的，本文采用的數(shù)值計算方法可行。
　　在證明數(shù)值計算方法可靠后，本文先以低轉速的亞音速壓氣機靜葉為附面層抽吸研究對象，在靜葉中通過葉片空腔、吸力面與端壁抽吸孔以及端壁引氣腔等抽吸結構進行附面層抽吸。依據(jù)原始的壓氣機分離流動形式，初步設定了下端壁與吸力面聯(lián)合抽吸的附面層抽吸方案。選擇一個“特定的”工況進行數(shù)值計算，結果表明

4、，只采用下端壁和吸力面進行附面層抽吸，上端壁區(qū)域會出現(xiàn)流動惡化，但是隨著抽吸量的增加，流動情況會得到進一步的改善，壓氣機的總性能會有明顯提高；通過調(diào)整局部的抽吸量或者抽吸位置的方式，能夠使各部分抽吸量重新分配，從而使附面層抽吸效果更顯著，證明通過調(diào)整局部抽吸方式來改善抽吸效果的策略是可行的。
　　在下端壁與吸力面聯(lián)合抽吸方式的研究基礎上，本文添加了新的附面層抽吸方案，采用了上、下端壁與吸力面聯(lián)合抽吸的方式，保留葉片空腔等實際抽吸結

5、構。研究了整個工況范圍內(nèi)附面層抽吸對葉柵內(nèi)分離流動的控制作用以及其對壓氣機氣動性能的影響。研究結果表明，當采用上、下端壁雙側抽吸時，附面層抽吸能夠很好的控制整個工況范圍內(nèi)的分離流動，且總壓比以及效率均有所提升，壓氣機的氣動性能得到進一步的改善；適當?shù)卦黾映槲恳部色@得性能的明顯提升，效率最高可達0.91，總壓比最高可達1.055。
　　同時本文還對比研究了下端壁單側抽吸方案在變工況時，對分離流動的控制效果。研究結果顯示，單側抽吸雖

6、然也能夠控制近堵點的流動分離，但是特性線中會存在折轉點，即級出口背壓升高到某一數(shù)值時，上端壁區(qū)域會出現(xiàn)大尺度的分離流動，壓氣機的性能會突然下降。而且在折轉點前后，不同位置的抽吸量會自動重新分配。通過對比可以看出兩側抽吸才能夠在整個工況范圍內(nèi)較好的控制葉柵內(nèi)的分離流動，保證壓氣機在整個工作范圍內(nèi)都具有較高的效率和總壓比。
　　最后本文針對高轉速的跨音速壓氣機進行附面層抽吸的相關研究。首先將吸力面單槽與吸力面雙槽抽吸方案進行對比，結果

7、表明雙槽抽吸具有更好的流動分離控制效果。后續(xù)工作選擇雙槽抽吸結構進行變工況條件下的附面層抽吸研究。研究結果表明，雙槽抽吸方案能夠在該跨音速壓氣機級的整個工作范圍內(nèi)都很好的控制超音速靜葉柵內(nèi)的分離流動，能夠有效改善壓氣機的氣動性能。同時，通過觀察相應抽吸量的變化，發(fā)現(xiàn)抽吸量達到一定的數(shù)值后就能得到較理想分離流動控制效果。
　　通過兩種類型的低反動度壓氣機靜葉中的附面層抽吸研究工作，可以發(fā)現(xiàn)無論是在亞音速靜葉還是超音速靜葉中，附面層抽