旋转冲压压缩转子二维进气流道设计及数值研究

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1、http://www.paper.edu.cn1旋转冲压压缩转子二维进气流道设计及数值研究11122韩吉昂，严红明，钟兢军，孙鹏，于洋1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨（150001）2大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连（116026）E-mail：hja6065@126.com摘要：借鉴二维超声速进气道的设计方法，设计了一种旋转冲压压缩转子的二维进气流道，并采用二维雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型对其流场进行了数值仿真，研究了转速、背压对二维进气流道中波系结构、内部流动特性和性能的影响。计算结果

2、表明：本文所提出的旋转冲压压缩转子二维进气流道设计方法是可行的；二维进气流道中产生的激波系与二维超声速进气道中产生的激波系相类似，所不同的是二维进气流道中产生的激波为弯曲激波，而二维超声速进气道中产生的激波为平直激波；转速和背压对二维进气流道的性能有较大影响。关键词：旋转冲压压缩转子；二维进气流道设计；二维超声速进气道；数值仿真中图分类号：V231.11.引言压气机是航空发动机的三大部件之一，其性能的好坏直接影响着涡轮发动机能否正常工作、工作效率的高低，进而影响航空飞行器的总体性能。轴流压气机是目前应用较多的一种压气机形式，具有单级

3、效率高、应用广泛和技术成熟的优点，但是其单级压比低，达到高压比需多级压缩，压缩系统重量大，结构复杂，效率降低。离心压气机的单级压比较高，结构简单，但是其效率较低。这两种压气机也可以混合使用，但对提高航空发动机的推重比没有本质的影响。为了满足未来高性能航空发动机对压气机性能提出的要求，就需要研究单级压比和总压比高、压缩效率高、结构简单、重量轻的新型压缩系统。激波压缩是一种利用超声速气流流过物体时产生的激波来对气流进行压缩的压缩方式，现阶段主要应用在超声速进气道中。与涡轮发动机中经常采用的轴流式和离心式气流压缩方式相比，激波压缩具有增压

4、比高、压缩效率高、结构简单、重量轻、没有或转动部件少等优点，是一种高效而有巨大潜在应用价值的气流压缩方式。但是，要想应用这种气流压缩方式需要满足超声速来流条件。如果我们在低速来流条件下仍能实现激波压缩将会大大扩展这种高效气流压缩方式的应用范围，并为压气机的性能改进提供一个新的发展方向。基于这样的思想，美国Ramgen动力系统公司提出了基于激波压缩技术的新型压缩系统——Rampressor[1-2]的概念，我们称之为旋转冲压压气机，其核心部件就是旋转冲压压缩转子。这种新型的压缩系统融合了超声速进气道中所用的激波压缩技术与传统轴流式和离

5、心式压气机的设计[3]技术，与传统轴流和离心压气机相比，具有单级压比高（可达15或更高），在宽马赫数范围内工作及在高的单级负荷条件下可获得较高的级效率、产生损失的气动面积小、结构简单、轴向长度短和重量轻的优点。这种新型压缩系统本身所具有的诸多优点使其能够满足未来高性能航空发动机对压气机的要求，因此，对这种新型高效的压缩系统开展深入的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文设计了一种旋转冲压压缩转子的二维进气流道，并对其流场进行了数值仿真，旨在了解旋转冲压压缩转子二维进气流道中波系结构、内部流动特点，找出影响旋转冲压压缩转子进气流道

6、中波系配置、气流压缩面设计的相关因素，以期能为这种新型高效压缩系统的设1本课题得到国家高技术研究发展计划（863计划）（项目编号：2007AA05Z255）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn计研究工作提供一定的理论依据和数值仿真方式。2旋转冲压压缩转子进气流道设计[4]旋转冲压压缩转子是基于激波压缩技术的压缩系统，如图1所示，其进气流道中激波系的配置方式将直接决定旋转冲压压缩转子的压缩性能和压缩效率。旋转冲压压缩转子进气流道中的激波系主要是由进气流道中设计的气流压缩面决定的，故旋转冲压压缩转子进气流道中气流

7、压缩面的设计是旋转冲压压缩转子进气流道设计的关键之一。由于旋转冲压压缩转子的进气流道可近似看作由超声速进气道经过弯曲变换而来（如图2所示），因而在旋转冲压压缩转子二维进气流道设计过程中可以借鉴二维超声速进气道的设计经验。图3是本文所设计的旋转冲压压缩转子二维进气流道。图1旋转冲压压缩转子结构图a.超声速进气道b.旋转冲压压缩转子进气流道图2旋转冲压压缩转子流道转变示意图Figure.1Schematicdiagramofram-rotorstructureFigure.2Thechangeoftheflow-path图3设计的旋转冲

8、压压缩转子二维进气流道图4喉部附近区域计算网格Figure.3Thedesigned2Dflow-pathofram-rotorFigure.4Computationalgridatthethroat如图3所示，进气流道中气流压缩面上