航空发动机高负荷压缩系统耦合气动布局探索

【类型】学位论文

【作者】崔健 

【关键词】 航空发动机 高负荷 压缩系统 气动布局 设计

【摘要】空气动力学是在技术科学范畴之内、百年来飞速发展的一个分支。工程上当代飞机与火箭的成就可作为人尽皆知的明证。压缩系统与飞机之间在空气动力学学科上面的渊源甚深。压缩系统相当于少则数百、多则数千个“机翼”所构成的复杂气动形状。当代发动机压缩系统起码是两个转子以不同转速旋转，而且两转子将以对旋为基本特征。这意味着即使设计工况，流场也必将是非定常涡量场。同样需要压缩系统的“气动布局”。然而，压缩系统气动力学中却鲜见“气动布局”的提法。由于航空发动机压缩系统与飞机二者具有类似的空气动力学背景，本论文拟将已从事的几项具体工作与压缩系统气动布局相关联，以利于二者从气动布局角度作进一步的比较研究。为此而将论文题目命名为“航空发动机高负荷压缩系统耦合气动布局探索”。未来高性能军用涡扇发动机追求更高的推重比，要求压缩系统达到更高的气动负荷，使得风扇/压气机的气动设计面临更大的技术挑战。如何控制逆压力梯度下高度复杂的非定常涡量场，是其气动设计的难点和关键。因此，高性能的高负荷压缩系统气动设计需要解决三个方面的难题：（1）如何阻止叶片吸力面分离涡的产生及其在高逆压梯度下的增长和扩散；（2）如何阻止转子叶尖泄漏涡的产生、发展及其诱导堵塞区沿通道周向的传播；（3）如何阻止静子叶根通道涡的增强和发展，减小流动堵塞。为了解决上述难题，本文通过发动机压缩系统与飞机二者气动布局的比较研究，从组织风扇/压气机内部的复杂涡量场入手，对高负荷压缩系统实现综合性能提升的气动布局方式展开了以下探索：在高负荷风扇/压气机中，分离涡的产生及其在高逆压梯度下的增长和扩散使得流动损失迅速增大。受开缝式机翼的启发，本文采用组合叶栅的气动设计技术，较好的解决了这一难题。组合叶栅前、后两排叶片的结构布局，较好控制了叶片吸力面附面层的发展，从根源上抑制了叶片吸力面分离涡的产生和发展。通过一系列的数值分析、平面叶栅试验和油流显示试验，证明了组合叶栅具有比常规叶栅更高的气动负荷和更为宽广的攻角特性，从而建立了高负荷组合式叶片的气动设计准则。然而，气动负荷的增加导致转子叶尖更容易发生泄漏流，所产生的泄漏涡在叶尖通道中发展、破碎的演变过程，造成了机匣端区的流动堵塞，其诱导堵塞区沿周向的传播，是导致风扇/压气机失稳的重要原因。本文采用了新型的“圆弧斜槽处理机匣”气动设计技术，较好地解决了这一难题。圆弧斜槽处理机匣能将叶尖压力面附近的高压气体吸到处理槽内，减小叶尖间隙的压力差，抑制了叶尖泄漏涡的产生，其周向布局形式也削弱了泄漏涡在通道周向的发展。数值分析和跨声速压气机试验表明：该气动设计技术能够大幅度拓宽高负荷风扇/压气机的失速裕度，同时不降低工作点效率。在静子叶根端区，由于气动负荷的提高，通道涡进一步增强，产生了较大的流动堵塞，降低了压气机效率。基于飞机 “跨声速面积律” 的设计思想，本文提出了适用于发动机轮毂造型的“堵塞面积律”气动设计技术。该技术能够减小轮毂局部压力梯度，抑制通道涡的增强和发展，并降低由通道涡产生的低能流体的堆积，增加了实际流通面积。数值模拟验证了上述气动设计方法对叶根区域通道涡的抑制作用，结果表明：采用“堵塞面积律”轮毂造型的气动设计方法能够抑制端壁角区的流动分离，提高多级压气机的稳定性。基于以上三个难题的突破，将其采用的气动设计原理和方法综合运用于一台高负荷多级压气机的气动布局设计：在轴向，采用了基于“堵塞面积律”的轮毂造型技术，减小了流动堵塞，大幅提高了压气机的稳定性；在径向，采用了弯掠叶片的三维造型技术，优化了各叶片排内部的负荷分布，在提高效率的同时，拓宽了压气机的稳定工作范围；在周向，采用了非定常耦合气动布局技术进行了叶片数优化，在叶片数减少的同时，提升了压气机的效率。本文还完成了该多级压气机全尺寸、使用环境下的部件级试验验证，试验结果表明：该压气机的流量和总压比均达到了预定的设计指标，效率高于设计指标，各工作转速下的稳定裕度均满足该型高推重比航空发动机的使用要求，其技术成熟度已经达到5级，可借鉴用于未来高负荷压缩系统的气动布局方案，具有很高的工程应用和推广价值。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】周盛

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