跨聲速壓氣機動葉三維氣動設計與實驗研究.pdf

1、燃氣輪機作為一種先進而復雜的高新技術密集型產(chǎn)品，代表了多理論學科和多工程領域發(fā)展的綜合水平。集新技術、新材料、新工藝于一身的燃氣輪機產(chǎn)業(yè)，是國家高技術水平和科技實力的重要標志之一，具有十分突出的戰(zhàn)略地位。壓氣機作為燃氣輪機的三大核心部件之一，其性能優(yōu)劣對整機性能影響巨大，世界各國都把對壓氣機的優(yōu)化設計作為改進發(fā)動機整機性能的重要途徑。提高壓氣機的單級負荷，增加動葉圓周速度，能減少壓氣機級數(shù)、縮短發(fā)動機軸向尺寸和減輕重量。所以，研制高負荷

2、跨聲速壓氣機已成為壓氣機的發(fā)展方向。然而，追求更高的級壓比往往與壓氣機的高效率和高穩(wěn)定工作裕度之間存在矛盾，高負荷、低展弦比的發(fā)展趨勢使得壓氣機內(nèi)部流動三維效應增強，流動損失增加。因此，認識跨聲速壓氣機內(nèi)部流動情況，分析其損失來源及影響跨聲速壓氣機穩(wěn)定工作裕度的關鍵因素，并在此基礎上進行精心的優(yōu)化設計，才能得到性能優(yōu)越的高負荷跨聲速壓氣機。
　　本文以單級跨聲速壓氣機動葉為研究對象，研究其內(nèi)部流場參數(shù)在不同工況時的變化情況，分析其

3、損失來源及影響壓氣機穩(wěn)定工作裕度的關鍵因素。結(jié)果表明，該跨聲速壓氣機動葉在根部、中間葉高及頂部附近都存在效率較低的區(qū)域。近失速工況時，葉頂間隙泄漏渦與激波/附面層相互作用導致葉頂間隙泄漏渦的破裂，低能流體在此處聚集并阻塞流道，是導致壓氣機進入不穩(wěn)定工況的主要原因。為了提高該跨聲速壓氣機的壓比、效率及穩(wěn)定工作范圍。在保證流量不變的情況下，采用遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡相結(jié)合的方法對其進行了優(yōu)化設計。選取動葉根部、5％葉高、50％葉高、95％葉

4、高及頂部截面葉型進行葉片參數(shù)化造型，不改變壓氣機輪轂、機匣型線及葉型的積疊方式，僅改變動葉葉型安裝角、前尾緣楔角及吸力面控制點參數(shù)，采用拉丁超立方樣本選取方法得到樣本數(shù)據(jù)庫，設定優(yōu)化目標，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自主學習訓練，最終得到性能較好的優(yōu)化葉型OPT1和OPT2。結(jié)果表明，OPT1與原型相比，效率提高0.91％，壓比提高0.52％;OPT2與原型相比，效率提高0.80％，壓比提高1.04％。對比原型與優(yōu)化葉型及其內(nèi)部詳細流場發(fā)現(xiàn)，減小

5、50％葉高葉型安裝角，同時增大95％葉高葉型安裝角，增大葉片扭轉(zhuǎn)程度，能改變激波在葉片頂部的位置，使激波向葉片尾緣方向移動。延后激波/附面層與葉頂間隙泄漏流的作用位置。結(jié)合調(diào)整吸力面型線及前尾緣楔角，能有效控制壓氣機動葉表面載荷分布，進而提高轉(zhuǎn)子的壓比和效率。
　　本研究抽取原型及優(yōu)化葉型OPT1的5％葉高、50％葉高及95％葉高截面葉型，在來流馬赫數(shù)為0.5～0.9范圍內(nèi)進行了平面葉柵實驗，分析葉型變化對流場參數(shù)的影響規(guī)律，研究

6、原型與優(yōu)化葉型不同葉高截面葉型的沖角特性。結(jié)果表明，5％葉高時，優(yōu)化葉型的最小損失沖角向負沖角方向移動，并且優(yōu)化葉型對葉片角區(qū)分離的控制要優(yōu)于原型;50％葉高時，二者的沖角損失特性較為相似，但優(yōu)化葉型的穩(wěn)定沖角范圍要高于原型;95％葉高時，優(yōu)化葉型的最小損失沖角向正沖角方向移動，穩(wěn)定沖角范圍增大，但對角區(qū)分離的控制要弱于原型。在所研究的馬赫數(shù)范圍內(nèi)，優(yōu)化葉型最小總壓損失系數(shù)要小于原型。為了將平面葉柵研究結(jié)果應用于動葉的三維葉型設計，將平

7、面葉柵實驗與數(shù)值計算結(jié)果與三維動葉數(shù)值計算結(jié)果進行了對比，探討了不同轉(zhuǎn)速下動葉三維造型對葉柵性能的影響。在0.6倍設計轉(zhuǎn)速時，平面葉柵與三維動葉的5％葉高與50％葉高的總壓損失系數(shù)、出口氣流角及葉片表面靜壓結(jié)果基本一致，95％葉高時受葉頂間隙泄漏流的影響，三維動葉的總壓損失增加，泄漏流與葉片表面附面層作用使得吸力面葉片表面靜壓升高。在對比出口馬赫數(shù)時，三維動葉的出口馬赫數(shù)均高于平面葉柵，表明三維造型能減少氣流的動能損失。1.0倍設計轉(zhuǎn)速

8、時，動葉三維造型對葉柵性能影響較大，對總壓損失、出口馬赫數(shù)、出口氣流角的分布規(guī)律的影響與0.6倍設計轉(zhuǎn)速時類似。在5％葉高時，三維動葉與平面葉柵流場參數(shù)的差別主要是由離心力和流道收縮引起的，離心力的存在能減弱流道收縮時產(chǎn)生的逆向壓力梯度，削弱激波強度，變激波為壓縮波，導致三維動葉根部損失小于平面葉柵。50％葉高時，二者流道收縮程度基本一致，主要差別為離心力，離心力、激波與附面層相互作用在30％葉高以上形成了徑向分離渦并向葉頂方向逐漸擴大