畸變條件下端區(qū)流動對壓氣機穩(wěn)定性影響的機理研究.pdf

1、航空發(fā)動機是國防工業(yè)和國民經濟具有重大作用的戰(zhàn)略產品，其相關技術是21世紀動力系統的核心技術，直接影響著一個國家的國防、能源、安全和工業(yè)競爭能力。因此，先進的航空發(fā)動機技術已經成為一個國家科技水平、工業(yè)先進水平、軍事實力、乃至綜合國力的一個重要標志，同時也是各國科技及軍事工業(yè)優(yōu)先發(fā)展的領域和重點研發(fā)的對象。隨著軍用飛機飛行速度、高度的不斷提高，機動性的不斷增加以及導彈武器的使用，畸變的影響變得越來越突出，實踐中暴露出來的進氣道/發(fā)動機相

2、容性問題也越來越嚴重。早期基于均勻進口條件進行的設計所暴露的局限性越來越大，已不再適合高性能發(fā)動機的設計。特別是第四代戰(zhàn)機的4S要求，即“超機動性”、“超音速巡航”、“隱身能力”和“超高效空戰(zhàn)航電設備”，使得壓氣機大部分時間都在進口畸變條件下工作，對壓氣機的穩(wěn)定性和抗畸變能力提出了更高的要求?？梢?，畸變問題已經成為航空發(fā)動機領域重點的研究方向之一，認識畸變條件下壓氣機內部非定常流動機理以及掌握流場結構變化對畸變來流的響應機制，進而指導壓

3、氣機的設計具有迫切的現實意義。
　　本文在國家自然科學基金青年基金項目(51006014)資助下，以單級跨聲速軸流壓氣機為對象，研究總壓畸變條件下的內部流動特性。為了更加準確的給定畸變進口，本文首先采用數值方法對插板式畸變發(fā)生器產生的畸變流場進行了研究，并獲得壓氣機進口邊界條件。結果表明:壓氣機進口截面畸變度與來流總壓近似成線性關系。插板后的總壓分布可以簡化為兩個各自均勻的高/低壓區(qū)域。而壓氣機進口截面的總壓分布與插板后相比存在較

4、大差異，低壓區(qū)范圍隨插板深度增加而增大，不能簡單簡化為兩個各自均勻的高/低壓區(qū)域。
　　同時，由于壓氣機內部本身就是十分復雜的三維非定常黏性流動，即使在均勻來流條件下，隨著氣流在流道內的發(fā)展，葉柵流道內也會涉及到各種各樣的流動問題，如附面層的轉捩、分離和再附等。為了更加準確分析由畸變帶來的影響，本文在進行畸變條件下全周非定常三維數值模擬工作的同時，還進行了均勻進口來流條件下壓氣機全周非定常三維數值模擬工作。結果表明:均勻進口條件下

5、壓氣機內各流道流場分布均勻，呈現出良好的周期性。最高效率點，動葉前緣形成一道脫體激波，通道內形成一道正激波。靜葉吸力面尾緣葉頂、葉根位置形成較小的分離。靜葉根部吸力面前緣附近，在動葉尾跡作用下分離形成一個旋渦結構，且隨時間不斷變化。近失速點，動葉流道內僅有一道激波，靜葉各流道葉根附近表現為大范圍分離流動。壓氣機動葉葉頂激波和靜葉葉根分離是壓氣機內，尤其是近失速狀態(tài)下，重要的流動特征。因此，本文將主要針對動葉內激波和靜葉中分離的變化來進行

6、畸變條件下壓氣機內部流場的分析研究。
　　然后，本文先分析了畸變在壓氣機中的傳遞規(guī)律。研究發(fā)現，畸變經過動葉后，總壓最低值位置逆旋轉方向偏轉;損失最大值位置順旋轉方向偏轉。通過對比均勻進口和不同畸變度條件下的數值結果，研究了畸變度對壓氣機性能及內部流場的影響。結果表明:隨畸變度提高，壓氣機性能下降明顯，穩(wěn)定工作流量范圍變窄。同時由于畸變的存在，流場內產生了兩個方向的壓力梯度，即軸向壓力梯度和周向壓力梯度。軸向壓力梯度主要導致動葉流

7、道內激波位置發(fā)生偏移，而周向壓力梯度產生的周向分速度主要引起氣流角發(fā)生變化。在此基礎上，詳細分析了不同狀態(tài)點時動葉流道內激波和靜葉流道內分離的演變規(guī)律，闡述了引起動靜葉流場參數變化的機理。并通過與均勻進口條件壓氣機近失速點流動狀態(tài)對比，分析了畸變條件下壓氣機失穩(wěn)誘因的主要來源。
　　最后，本文在上述研究的基礎上，研究了不同比轉速時畸變對壓氣機流場的影響。根據壓氣機進口總壓的分布情況，將本文所研究的壓氣機分成兩個不同來流總壓的子壓氣

8、機。壓氣機出口氣動參數趨近于所占比例較大的子壓氣機出口的氣動參數，而另一子壓氣機則可以看作外部激勵，即“畸變區(qū)”。隨比轉速增大，激勵次數增加，畸變來流對壓氣機氣動性能的影響越來越明顯。研究表明，低畸變度、高比轉速條件下，壓氣機性能下降更明顯。高畸變度、低比轉速條件下，壓氣機性能下降更明顯。綜合分析不同比轉速條件時，動葉激波位置和靜葉通流能力發(fā)現:低比轉速時，動葉內激波距前緣較遠，激波更容易被推出動葉流道，無法形成穩(wěn)定的激波結構，造成壓氣