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- 民用航空发动机高通流高效率风扇/增压级设计技术研究
- 作者： 朱芳 来源： 北京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 风扇/增压级 高通流高效率 气动设计技术 掠叶片 周向不均匀性 攻角特性
- 描述： 现代民用航空发动机风扇/压气机气动设计所追求的目标，就是在安全可靠长期运行的前提下，通过流动匹配，协调高通流、高负荷、高效率和足够稳定工作裕度等关键参数之间的矛盾，全面拓展风扇/压气机的性能潜力。20世纪80年代末，美国空军“综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划”支持的“掠空气动力学”在跨音风扇/压气机实现高性能目标的进程中起到了十分关键的作用。由于掠叶片三维粘性流场的复杂性，其作用机理并没有被全面的认识清楚，导致主要依赖于三维数值模拟结果的掠叶片几何过度三维化，引发了应力、振动、颤振和可靠性方面的不足，阻碍了掠叶片的高效应用。因此，本文通过简化叶栅模型，在准三维层面探索掠叶片影响流动的物理机制，并将复合掠等三维叶片气动设计技术应用于高通流、高效率风扇/增压级的设计。本文首先将叶轮机三维无粘动量方程进行周向平均降维处理，在分析中发现，降维过程中衍生出来的无粘叶片力项和周向不均匀相关项都作为产生扰动的“源”项，引发了远前方均匀来流在叶片通道进口附近的周向不均匀性。无粘叶片力只存在于叶片通道内部，而周向不均匀“源”项则向上游延伸，在叶片通道进口以气动力的形式影响流动平衡关系。由掠叶片产生的几何变化会直接改变无粘叶片力，进而影响进口流场的周向不均匀性。本文对一系列简单几何的叶栅模型进行了三维数值模拟和流场周向平均后处理，分析结果表明：进口周向不均匀源项在无粘叶片力的诱导下产生，引发来流攻角在叶片通道进口的改变；掠叶片对流动施加了径向无粘叶片力，由此诱导产生的周向不均匀径向分量在进口构建了新的径向平衡，引发进口气流的径向迁移，并改变进口周向不均匀源项的展向分布，最终诱导产生了扩压叶栅中前掠叶片实际攻角减小、后掠叶片实际攻角增大的特性；而过大的前掠对实际攻角的减小没有特别明显的作用，因此在设计时采用小前掠既能满足裕度的要求，又不会导致结构失稳；叶型弯角及稠度等基元气动设计参数影响着进口流场的周向不均匀性，在高气动负荷、低稠度叶栅中的掠叶片特性更为显著。其次，本文对比分析了采用不同掠的跨音风扇转子、叶根端弯转子、端弯静叶以及周向弯曲静叶对风扇/增压级性能及流场特性的影响。三维数值模拟结果显示：除了对激波三维结构的控制，“掠”引发了跨音风扇转子攻角的改变，即前掠使叶尖攻角减小，后掠使攻角增大；前掠最显著的特征是在全流量范围内攻角变化远小于后掠叶片，但与亚音叶栅相似，相同流量下叶尖前掠程度的增大并不能大幅度减小攻角，因此采用小幅度的叶尖前掠就能够起到扩展失速裕度的作用；叶片中上部的后掠能够扩展流量，有助于风扇/增压级实现高通流的特性；转子根部及增压级静叶端弯有效抑制了以粘性流为主导的近端壁局部角区流动分离；周向正弯静叶与掠叶片相似，通过改变径向平衡引发流体向叶中迁移，消除了近端区的流动分离。最终，完成了某民用航空发动机高通流、高效率风扇/增压级的气动设计方案，并对其缩尺试验件进行了气动数值仿真及分析。在设计中，风扇转子采用合理的展向变功分布及复合弯掠三维几何，针对不同展高的流动特征，利用叶根亚音区保证流量裕度，在叶中区实现流量扩展和高效增压，并在叶尖区确保足够的失速裕度；增压级则利用端弯及弯曲叶片技术，改善角区分离；并根据多级压气机各排叶片攻角特性合理选择设计攻角，提高增压级的效率和裕度。三维数值模拟结果显示，最终设计的风扇/增压级的内外涵特性在不同换算转速下均基本满足设计指标，全尺风扇转子在巡航安装状态具有94.5%绝热效率的良好特性。