缝隙式扩压叶栅流动机理研究

论文摘要

对压气机叶栅中各种旋涡进行控制或利用,是改善压气机叶栅性能的一个重要途径。由于在扩压叶栅中普遍存在流动分离现象,因此从流动分离的机理出发,对这种分离流动加以研究和控制,对于提高扩压叶栅的负荷、增加稳定工作范围以及减小损失都有着重要作用。本文主要研究附面层吹气在压气机叶栅中的应用。论文中首先根据附面层吹气的需要,选取相应的叶片型面静压分布曲线,对初始叶型进行设计与优化,并基于所设计优化的原始叶型进行进一步的缝隙叶型设计。同时,从扩压叶栅二维流动特点出发,研究了叶片开槽形状对叶栅性能的影响,初步归纳了缝隙叶栅的设计原则。其次,选择具有68o折转角的矩形叶栅,采用数值模拟的方法,从壁面流谱出发,考察了叶片表面设置压力面到吸力面的吹气槽后叶栅内流动的变化,相应地分析了叶栅流道内的拓扑结构的变化,揭示了附面层吹吸气改变流场结构、增加扩压叶栅稳定工作范围、提高叶栅气动性能的机理。在此基础上,对矩形缝隙叶栅进行了变冲角计算,通过分析可看到在较大正冲角下,原型叶栅附面层分离急聚恶化,出现非对称旋涡结构,而采用吹气槽的缝隙叶栅则可以很好的抑制分离强度,保持对称旋涡结构,因此缝隙叶栅可以改善高负荷扩压叶栅的稳定工作范围,抑制壁面流动分离,降低损失。通过对矩形缝隙叶栅的流动研究,本文对缝隙叶栅在压气机级的静叶中的应用进行了初步的探讨。以矩形缝隙叶栅的研究为基础,在环形静叶栅中建立了两种形式的缝隙结构:缝隙射流竖槽以及缝隙射流横槽。从这两种开槽形式不同计算方案的对比分析中可以看出,环形缝隙静叶栅大大减小了叶片吸力面的强烈的三维分离流动,气流折转能力及叶片负荷均有所提高、提高了叶片的气动性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 轴流压气机的发展
• 1.2 压气机内分离流动的研究
• 1.3 分离流动的控制方法
• 1.3.1 分离流动的控制技术
• 1.3.2 附面层隔离法
• 1.3.3 旋涡控制附面层法
• 1.3.4 叶片的修型技术
• 1.3.5 控制分离的声控技术
• 1.3.6 非定常涡流的利用和控制
• 1.4 附面层吹、吸技术
• 1.4.1 附面层抽吸技术
• 1.4.2 附面层吹气技术
• 1.4.3 国内外研究现状
• 1.5 论文工作的目的与主要内容
• 第2章 叶栅内的分离流动与数值方法
• 2.1 分离流动的描述及判定
• 2.1.1 二维分离的描述
• 2.1.2 三维分离的描述
• 2.2 数值方法
• 2.2.1 计算方法
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 网格生成技术
• 2.3 流场参数及损失评定计算方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 缝隙式扩压叶栅二维流动分析
• 3.1 原始叶型设计选取
• 3.1.1 叶型参数化
• 3.1.2 原始叶型几何参数
• 3.2 具有缝隙的静叶叶型设计方案
• 3.2.1 叶片型面静压分析
• 3.2.2 CDA缝隙叶型设计方案
• 3.2.3 Naca65 缝隙叶型设计方案
• 3.3 数值方法
• 3.4 二维叶栅流场结果分析
• 3.4.1 原始叶型计算结果
• 3.4.2 缝隙叶型计算结果
• 3.5 缝隙叶栅设计原则的探讨
• 3.6 本章小结
• 第4章 矩形缝隙叶栅流动研究
• 4.1 矩形叶栅原型流场分析
• 4.1.1 马蹄涡
• 4.1.2 拓扑分析
• 4.1.3 吸力面分离涡
• 4.2 矩形缝隙叶栅计算方案
• 4.3 设计点下缝隙叶栅流动分析
• 4.3.1 吸力面极限流线及拓扑结构分析
• 4.3.2 叶片表面静压及近吸力面马赫数分布
• 4.3.3 能量损失与总压损失系数
• 4.4 变冲角下缝隙叶栅流动分析
• 4.4.1 吸力面极限流线分析
• 4.4.2 性能参数分析
• 4.4.3 正冲角下总压损失沿叶高分布
• 4.4.4 大冲角下叶片负荷分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 缝隙式扩压叶栅在压气机级中的应用研究
• 5.1 静叶缝隙叶栅计算方案
• 5.1.1 计算网格与数值方法
• 5.2 壁面极限流线及S1 面流线
• 5.2.1 吸力面极限流线及拓扑分析
• 5.2.2 10%叶高处S1 面流线
• 5.3 损失分析
• 5.4 叶片负荷分析
• 5.5 气流折转能力及扩压因子
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢