畸變條件下端區(qū)流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性影響的機(jī)理研究.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)是國(guó)防工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大作用的戰(zhàn)略產(chǎn)品，其相關(guān)技術(shù)是21世紀(jì)動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù)，直接影響著一個(gè)國(guó)家的國(guó)防、能源、安全和工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技水平、工業(yè)先進(jìn)水平、軍事實(shí)力、乃至綜合國(guó)力的一個(gè)重要標(biāo)志，同時(shí)也是各國(guó)科技及軍事工業(yè)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和重點(diǎn)研發(fā)的對(duì)象。隨著軍用飛機(jī)飛行速度、高度的不斷提高，機(jī)動(dòng)性的不斷增加以及導(dǎo)彈武器的使用，畸變的影響變得越來越突出，實(shí)踐中暴露出來的進(jìn)氣道/發(fā)動(dòng)機(jī)相

2、容性問題也越來越嚴(yán)重。早期基于均勻進(jìn)口條件進(jìn)行的設(shè)計(jì)所暴露的局限性越來越大，已不再適合高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。特別是第四代戰(zhàn)機(jī)的4S要求，即“超機(jī)動(dòng)性”、“超音速巡航”、“隱身能力”和“超高效空戰(zhàn)航電設(shè)備”，使得壓氣機(jī)大部分時(shí)間都在進(jìn)口畸變條件下工作，對(duì)壓氣機(jī)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(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域重點(diǎn)的研究方向之一，認(rèn)識(shí)畸變條件下壓氣機(jī)內(nèi)部非定常流動(dòng)機(jī)理以及掌握流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)畸變來流的響應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而指導(dǎo)壓

3、氣機(jī)的設(shè)計(jì)具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51006014)資助下，以單級(jí)跨聲速軸流壓氣機(jī)為對(duì)象，研究總壓畸變條件下的內(nèi)部流動(dòng)特性。為了更加準(zhǔn)確的給定畸變進(jìn)口，本文首先采用數(shù)值方法對(duì)插板式畸變發(fā)生器產(chǎn)生的畸變流場(chǎng)進(jìn)行了研究，并獲得壓氣機(jī)進(jìn)口邊界條件。結(jié)果表明:壓氣機(jī)進(jìn)口截面畸變度與來流總壓近似成線性關(guān)系。插板后的總壓分布可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)各自均勻的高/低壓區(qū)域。而壓氣機(jī)進(jìn)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(jiǎn)單簡(jiǎn)化為兩個(gè)各自均勻的高/低壓區(qū)域。
　　同時(shí)，由于壓氣機(jī)內(nèi)部本身就是十分復(fù)雜的三維非定常黏性流動(dòng)，即使在均勻來流條件下，隨著氣流在流道內(nèi)的發(fā)展，葉柵流道內(nèi)也會(huì)涉及到各種各樣的流動(dòng)問題，如附面層的轉(zhuǎn)捩、分離和再附等。為了更加準(zhǔn)確分析由畸變帶來的影響，本文在進(jìn)行畸變條件下全周非定常三維數(shù)值模擬工作的同時(shí)，還進(jìn)行了均勻進(jìn)口來流條件下壓氣機(jī)全周非定常三維數(shù)值模擬工作。結(jié)果表明:均勻進(jìn)口條件下

5、壓氣機(jī)內(nèi)各流道流場(chǎng)分布均勻，呈現(xiàn)出良好的周期性。最高效率點(diǎn)，動(dòng)葉前緣形成一道脫體激波，通道內(nèi)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(dòng)葉尾跡作用下分離形成一個(gè)旋渦結(jié)構(gòu)，且隨時(shí)間不斷變化。近失速點(diǎn)，動(dòng)葉流道內(nèi)僅有一道激波，靜葉各流道葉根附近表現(xiàn)為大范圍分離流動(dòng)。壓氣機(jī)動(dòng)葉葉頂激波和靜葉葉根分離是壓氣機(jī)內(nèi)，尤其是近失速狀態(tài)下，重要的流動(dòng)特征。因此，本文將主要針對(duì)動(dòng)葉內(nèi)激波和靜葉中分離的變化來進(jìn)行

6、畸變條件下壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分析研究。
　　然后，本文先分析了畸變?cè)趬簹鈾C(jī)中的傳遞規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，畸變經(jīng)過動(dòng)葉后，總壓最低值位置逆旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn);損失最大值位置順旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)。通過對(duì)比均勻進(jìn)口和不同畸變度條件下的數(shù)值結(jié)果，研究了畸變度對(duì)壓氣機(jī)性能及內(nèi)部流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:隨畸變度提高，壓氣機(jī)性能下降明顯，穩(wěn)定工作流量范圍變窄。同時(shí)由于畸變的存在，流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生了兩個(gè)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(dǎo)致動(dòng)葉流

7、道內(nèi)激波位置發(fā)生偏移，而周向壓力梯度產(chǎn)生的周向分速度主要引起氣流角發(fā)生變化。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了不同狀態(tài)點(diǎn)時(shí)動(dòng)葉流道內(nèi)激波和靜葉流道內(nèi)分離的演變規(guī)律，闡述了引起動(dòng)靜葉流場(chǎng)參數(shù)變化的機(jī)理。并通過與均勻進(jìn)口條件壓氣機(jī)近失速點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)比，分析了畸變條件下壓氣機(jī)失穩(wěn)誘因的主要來源。
　　最后，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，研究了不同比轉(zhuǎn)速時(shí)畸變對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響。根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口總壓的分布情況，將本文所研究的壓氣機(jī)分成兩個(gè)不同來流總壓的子壓氣

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