高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵附面層抽吸對(duì)分離流動(dòng)控制研究.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展決定著我國(guó)航空事業(yè)的水平，只有航空發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了先進(jìn)水平，航空事業(yè)才能不斷發(fā)展進(jìn)步。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中重要部件之一的壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能的高低也是影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵因素。隨著壓氣機(jī)負(fù)荷的增加，葉柵內(nèi)的流動(dòng)分離情況也逐漸加劇，使得高負(fù)荷壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)變得較困難。為了解決這一難題，MIT提出了“吸附式壓氣機(jī)”的概念，而國(guó)內(nèi)哈工大王松濤教授則提出了只在靜葉中進(jìn)行附面層抽吸的高負(fù)荷低反動(dòng)度吸附式壓氣機(jī)設(shè)計(jì)概念。由于該類壓氣機(jī)動(dòng)葉采用

2、了低反動(dòng)度設(shè)計(jì)，因此其下游與之相匹配的靜葉負(fù)荷將會(huì)升高，故在靜葉中需要采用附面層抽吸技術(shù)來(lái)控制靜葉柵中的分離流動(dòng)，提高壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。本文選擇了亞音速和跨音速兩種低反動(dòng)度單級(jí)壓氣機(jī)的靜葉進(jìn)行附面層抽吸，研究附面層抽吸對(duì)該壓氣機(jī)靜葉內(nèi)分流流動(dòng)的控制及氣動(dòng)性能的影響。為了使得數(shù)值計(jì)算結(jié)果更具有工程實(shí)際應(yīng)用性，本文在靜葉中設(shè)計(jì)了葉片空腔、抽吸孔或抽吸槽以及端壁引氣腔等結(jié)構(gòu)。
　　本文選擇Stage35來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)為1

3、00萬(wàn)，采用k-ε湍流模型。通過(guò)將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明本文采用k-ε湍流模型計(jì)算得到的結(jié)果是可靠的，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法可行。
　　在證明數(shù)值計(jì)算方法可靠后，本文先以低轉(zhuǎn)速的亞音速壓氣機(jī)靜葉為附面層抽吸研究對(duì)象，在靜葉中通過(guò)葉片空腔、吸力面與端壁抽吸孔以及端壁引氣腔等抽吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行附面層抽吸。依據(jù)原始的壓氣機(jī)分離流動(dòng)形式，初步設(shè)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(gè)“特定的”工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明

4、，只采用下端壁和吸力面進(jìn)行附面層抽吸，上端壁區(qū)域會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)惡化，但是隨著抽吸量的增加，流動(dòng)情況會(huì)得到進(jìn)一步的改善，壓氣機(jī)的總性能會(huì)有明顯提高；通過(guò)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(guò)調(diào)整局部抽吸方式來(lái)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(chǔ)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(shí)際抽吸結(jié)

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

6、然也能夠控制近堵點(diǎn)的流動(dòng)分離，但是特性線中會(huì)存在折轉(zhuǎn)點(diǎn)，即級(jí)出口背壓升高到某一數(shù)值時(shí)，上端壁區(qū)域會(huì)出現(xiàn)大尺度的分離流動(dòng)，壓氣機(jī)的性能會(huì)突然下降。而且在折轉(zhuǎn)點(diǎn)前后，不同位置的抽吸量會(huì)自動(dòng)重新分配。通過(guò)對(duì)比可以看出兩側(cè)抽吸才能夠在整個(gè)工況范圍內(nèi)較好的控制葉柵內(nèi)的分離流動(dòng)，保證壓氣機(jī)在整個(gè)工作范圍內(nèi)都具有較高的效率和總壓比。
　　最后本文針對(duì)高轉(zhuǎn)速的跨音速壓氣機(jī)進(jìn)行附面層抽吸的相關(guān)研究。首先將吸力面單槽與吸力面雙槽抽吸方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果

7、表明雙槽抽吸具有更好的流動(dòng)分離控制效果。后續(xù)工作選擇雙槽抽吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行變工況條件下的附面層抽吸研究。研究結(jié)果表明，雙槽抽吸方案能夠在該跨音速壓氣機(jī)級(jí)的整個(gè)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(dòng)，能夠有效改善壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。同時(shí)，通過(guò)觀察相應(yīng)抽吸量的變化，發(fā)現(xiàn)抽吸量達(dá)到一定的數(shù)值后就能得到較理想分離流動(dòng)控制效果。
　　通過(guò)兩種類型的低反動(dòng)度壓氣機(jī)靜葉中的附面層抽吸研究工作，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在亞音速靜葉還是超音速靜葉中，附面層抽